專利名稱：一種基于定步長速度測量的直線電機運動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于直線電機控制方法，具體涉及一種基于定步長速度測量的直線電機運 動控制方法。
背景技術(shù)：
直線電機控制原理如圖1所示，中心控制器根據(jù)檢測反饋的結(jié)果，生成控制量，輸 出控制信號，由電機驅(qū)動模塊驅(qū)動電機運動。直線電機的動子運動時，檢測反饋部分產(chǎn)生信 號變化，反饋給中心控制器，中心控制器根據(jù)反饋回來的內(nèi)容進(jìn)行電機的控制調(diào)整，使直線 電機平滑運行。直線電機的控制功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。直線電機控制的難點在于其控制模型的特殊性。直線電機模型是非線性的，在不 同的運動速度上可以表現(xiàn)出不同的主要特性。在平移門中使用的直線電機，具有動子比定 子長，動子行程范圍大于定子長度的特點，因此會出現(xiàn)定子對動子的覆蓋不均勻、不對稱的 情況。在直線電機平移門中，平移門的門體作為負(fù)載，是不能預(yù)知的，門體都是在直線電機 出廠后根據(jù)用戶需要設(shè)計的，也就是說，直線電機的負(fù)載是可變的。針對直線電機控制的研究中，采用的控制算法包括PID控制、魯棒控制、自適應(yīng)控 制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[參見1.藍(lán)益鵬、郭慶鼎“永磁直線電機伺服系統(tǒng)非線性魯棒 控制器設(shè)計”《控制與決策》2006 :21 (6)，2.陳淵睿、吳捷、Norbert C. Cheung. “永磁直線電 機的模型參考自適應(yīng)控制”《華南理工大學(xué)學(xué)報》(自然科學(xué)版)2003:31 (6)，3.孫宜標(biāo)、郭 慶鼎、孫榮斌“基于滑模和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的永磁直線伺服系統(tǒng)控制”《沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報》2002 24(5)]，但其中仿真研究多，實際應(yīng)用少，尤其缺乏對大行程、結(jié)構(gòu)不對稱、負(fù)載可變的直線 電機控制的研究。為實現(xiàn)直線電機的控制，一般以光柵尺作為精密測量元件，測量精度可達(dá)到μ m 級。光柵測量位移的實質(zhì)是以光柵柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對位稱量進(jìn)行測量。高分辨率的光 柵尺一般造價較貴，且制造困難，工作條件要求高，這些特點都直接限制了光柵尺在平移門 中的應(yīng)用。在應(yīng)用直線電機的平移門中，日本立山公司僅依賴三個霍爾開關(guān)傳感器對直線電 機動子的速度進(jìn)行測量，但其產(chǎn)品需要定制，即負(fù)載是不能任意設(shè)定的，表明其控制方法對 模型有嚴(yán)格要求，不利于產(chǎn)品的大批量開發(fā)。為了針對不同負(fù)載條件均實現(xiàn)平滑一致的直線電機平移門往返控制，需要新的控 制方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于定步長速度測量的直線電機運動控制方法。該方法在不依賴光柵尺等高精度測量元件的前提下，基于有限個霍爾傳感器，可以對直線電機驅(qū) 動的平移門實現(xiàn)往返到位控制，提高到位精度和運行平滑性，為類似平移門的直線電機控 制問題提供新的方法。
實現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是基于定步長速度測量的直線電機運動控制方法，是使用等間隔排列的霍爾開關(guān)傳 感器陣列，進(jìn)行直線電機的動子的位置和速度測量，實施分階段往返運動控制，所述控制依 次包含高速勻速、減速、低速勻速和邊界制導(dǎo)四個階段，在上述四個階段中分別實施位置 PID控制、加速度PID控制、速度PID控制和位置PD控制。所述的速度測量，是按照所述動子運動的固定位移間隔進(jìn)行的；所述的動子運動的固定位移間隔，是在0. 5mm 8mm內(nèi)取值；所述的高速勻速階段，是期望速度在250mm/s 700mm/s范圍內(nèi)取定值；所述的低速勻速階段，是期望速度在50mm/s 150mm/s范圍內(nèi)取定值；所述的減速階段，是減速階段的各位移點的期望速度的大小隨位移量均勻減小， 從高速勻速控制階段的期望速度逐步變化到低速勻速階段的期望速度。所述的位置PID控制、加速度PID控制和速度PID控制均是按照增量PID方式在 數(shù)字控制器中實現(xiàn)。本發(fā)明方法基于簡單的測量裝置，可以實現(xiàn)負(fù)載適變化的直線電機運動控制，其 優(yōu)點在于1)不需要光柵精密測量機構(gòu)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中僅依靠霍爾開關(guān)傳感器無法實現(xiàn) 的毫米級別的直線電機的定位控制，降低了系統(tǒng)成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。2)通過直線電機的分階段控制，僅依靠增量PID控制實現(xiàn)了對直線電機運動過程 的控制，實現(xiàn)了適應(yīng)不同重量平移門的往返到位控制，且避免了自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等復(fù) 雜控制算法。下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。


圖1是直線電機控制原理圖。圖2是直線電機的控制功能結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明方法中的霍爾傳感器陣列布置示意圖。圖4是發(fā)明方法對直線電機平移門控制階段劃分圖。圖5是本發(fā)明方法中高速勻速階段控制階段信號量示意圖。圖6是本發(fā)明方法中減速控制階段信號量示意圖。圖7是本發(fā)明方法中低速勻速階段控制階段信號量示意圖。圖8是本發(fā)明方法控制的某型直線電機正向運動速度變化曲線圖。圖9是本發(fā)明方法控制的某型直線電機反向運動速度變化曲線圖。
具體實施例方式本發(fā)明方法通過等間隔排列的霍爾開關(guān)傳感器組成霍爾開關(guān)傳感器陣列2進(jìn)行直線電機的動子的位置和速度測量。速度測量是按照動子運動的固定位移間隔進(jìn)行的。動 子由若干塊磁石1組成。設(shè)進(jìn)行速度測量的位移間隔為D，單塊磁石1的長度為L，則霍爾 開關(guān)傳感器陣列2應(yīng)包含的霍爾開關(guān)傳感器數(shù)量為L/D+1。如圖3給出了一個使用13個霍 爾開關(guān)傳感器的陣列排布。它對應(yīng)了 L = 24mm, D = 2mm的情況。
根據(jù)其下方磁極為N或S，霍爾開關(guān)傳感器會輸出0或1，整個陣列的輸出形成一 個十三位的二進(jìn)制串(b0 bl b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 blO bllbl2 bl3)。霍爾開關(guān)傳感 器陣列2輸出編碼的奇偶校驗位為標(biāo)志信號量。動子運動的固定位移間隔一般是在0. 5 8mm內(nèi)取值，例如取為2mm時，動子每移動2mm，會導(dǎo)致二進(jìn)制串發(fā)生變化，而且其編碼內(nèi)0 的個數(shù)會發(fā)生奇偶變化，因此其奇偶校驗位會發(fā)生跳變。中心控制器檢測該脈沖跳變，發(fā)生 正跳變則位移值讀數(shù)增加2mm，發(fā)生負(fù)跳變則位移值減小2mm，如此累加，即可得到位移坐 標(biāo)值S.記錄兩次脈沖到達(dá)時的時間間隔T，速度測量值V的大小即為2mm/T，速度的方向可 根據(jù)位移量的增減確定，位移增則速度為正，位移減則速度為負(fù)。平移門的往返過程控制要求平移門快速準(zhǔn)確到達(dá)邊界點，運行過程中速度平滑變 化。為此設(shè)置了四階段的控制過程，如圖4曲線所示，分別為高速勻速階段、減速階段、低速 勻速階段和邊界制導(dǎo)階段。在每個階段執(zhí)行不同的控制方法。這樣設(shè)置的合理性在于，直 線電機在高速、減速和低速勻速階段其模型分別呈現(xiàn)不同的主要特點，為實現(xiàn)理想的控制 效果必須使用不同的控制方法。在高速勻速階段階段，按照位置PID控制方式(參見注釋)進(jìn)行控制。期望速度為一恒定值VH，在250mm/s 700mm/s之間取定。以脈沖值到達(dá)的時刻為采樣點。，設(shè)在當(dāng) 前采樣點位移坐標(biāo)值為S，如圖5所示，位移誤差eS計算為eS = S1+VH*T_S(1)式中，Sl為前一個采樣點的位移坐標(biāo)，VH為期望運行速度，T為當(dāng)前采樣點與前一 個采樣點之間的時間間隔。同樣可以得到前兩個采樣點處的位移誤差eSl和eS2eSl = S2+VH*T1_S1(2)eS2 = S3+VH*T2_S2(3)式中Si，S2，S3分別為前三個采樣點的位移坐標(biāo)，Tl，T2為從S3采樣點開始的連 續(xù)兩個采樣點之間的時間間隔。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，增量PID控制算法的計算公式如下du = (Kps+Kds+Kis)*eS-(Kps+Kds+Kds)*eSl+Kps*eS2(4)u = ul+du(5)式中du為控制量增量，Ul為前一個采樣點的控制量，u為當(dāng)前采樣點的控制量， Kps, Kds, Kis依次為比例控制系數(shù)、微分控制系數(shù)和積分控制系數(shù)，eS2, esl, eS表示了連 續(xù)三次采樣點處的位移誤差，eS由公式(1)計算，eSl, eS2由公式(2) (3)計算。在減速階段，按照加速度PID控制方式(參見注釋)進(jìn)行控制。加速度誤差通過 速度誤差差分得到。減速階段各位移點上期望速度的大小隨位移量均勻減小，從高速勻速 階段的期望速度VH逐步變化到低速運動的期望速度值VL，如圖6所示，每一坐標(biāo)點處的期 望速度計算為Vd (i) = VH- (VH-VL) * (S (i) -SH) / (SL-SH)(6)式中SH，SL分別為減速階段的起始采樣點坐標(biāo)和結(jié)束采樣點坐標(biāo)，VH、VL分別 為高速勻速階段和低速勻速階段的期望速度，i為減速階段采樣點的編號，從0開始遞增， S(O)對應(yīng) SH。在每一個采樣點的速度誤差e (i)計算為
e(i) = Vd(i)-V(i)(7)式中Vd⑴為當(dāng)前采樣點的期望速度，由公式(6)計算；V(i)為當(dāng)前采樣點的速
度測量值。每一采樣點的加速度誤差eA⑴可以通過差分得到eA(i) = e(i)-2*e(i-l)+e(i-2)(8)式中，e(i-2)，e(i-l)，e(i)表示了連續(xù)三個采樣點上的速度誤差。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，增量PID控制的計算公式如下du = (Kpa+Kda+Kia)*eA(i)-(Kpa+Kda+Kda)*eA(i-l)+Kpa*eA(i-2) (9)u(i) = u(i-l)+du(10)式中du為控制量增量，u(i-l)表示前一個采樣點的控制量，u(i)表示當(dāng)前采樣 點的控制量，Kpa, Kda, Kia分別為比例控制系數(shù)、微分控制系數(shù)和積分控制系數(shù)，eA(i), eA(i-l),eA(i-2)表示連續(xù)三個采樣點的加速度誤差，均可通過公式(8)計算得到，在計算 時公式中的i需分別替換為i_2，i-1和i。在低速勻速階段，按照速度PID控制方式(參見文獻(xiàn)2)進(jìn)行控制。期望的速度為 一恒定值VL，在50mm/s 150mm/s之間取定。如圖7所示，假設(shè)在當(dāng)前采樣點上的速度測 量值為V，則速度誤差計算為e = VL-V(11)同樣可得前兩個采樣點處的速度誤差el和e2 el = VL-Vl(12)e2 = VL-V2(13)式中，設(shè)前一個采樣點上給出的輸出量為ul。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，使用增量PID控制算 法計算當(dāng)前的控制量u計算如下du = (Kp+Kd+Ki)*e_(Kp+Kd+Kd)*el+Kp*e2 (13)u = ul+du(14)其中du為控制量增量，Ul為前一個采樣點的控制量，u為當(dāng)前采樣點的控制量， Kp, Kd, Ki依次為比例控制系數(shù)、微分控制系數(shù)和積分控制系數(shù)，e2, el, e表示了連續(xù)三次 采樣點處的位移誤差，e由公式(11)計算，el, e2由公式(12) (13)計算。在邊界制導(dǎo)階段，按照位置PD控制方式(參見注釋)進(jìn)行控制。設(shè)當(dāng)前采樣點位 移坐標(biāo)值為S，速度測量值為V，邊界點的位移坐標(biāo)為S0，此時采取制導(dǎo)控制律如下u = Ks (SO-S)-Kv*V(15)式中Ks為比例控制系數(shù)，Kv為微分控制系數(shù)。上述Kp，Kd, Ki，Kps，Kds，Kis，Kpa, Kda, Kia, Ks, Kv等控制系數(shù)僅與電機的特性有 關(guān)，與負(fù)載特性無關(guān)，經(jīng)PID參數(shù)整定確定一組控制參數(shù)后，即可適用于不同重量的負(fù)載。所述的位置PID控制、加速度PID控制和速度PID控制均是按照增量PID方式在數(shù)字控制器中實現(xiàn)。下面結(jié)合應(yīng)用實例對本發(fā)明的控制策略做進(jìn)一步說明。某型直線電機動子內(nèi)磁石長度L = 24mm，速度測量的位移間隔為D = 2mm，則霍爾 傳感器陣列應(yīng)包含的霍爾傳感器數(shù)量為(24/2)+1 = 13個，布置如圖3所示。
直線電機定子長度800mm，動子長度600mm，行程677mm，門體負(fù)載重量80Kg。以 2mm為間隔對行程進(jìn)行劃分，記動子反向運動到邊界時位移坐標(biāo)為0，正向運動到行程邊界 時位移坐標(biāo)為676mm.開門過程設(shè)置為VH= 450mm/s, SH = 440mm, SL = 500mm, VL = 140mm/s.關(guān)門過程設(shè)置為VH= -450mm/s, SH = -220mm, SL = -180mm, VL = -120mm/s.Kp, Kd, Ki, Kps, Kds, Kis, Kpa, Kda, Kia, Ks, Kv 取值依次如下0. 5,0. 5,0. 0039,0. 9375,0. 0625，0，0· 5,0. 5,0. 125,20,2. 5按照圖1所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，在以ARM系列芯片LPC2138為中心處理 單元的數(shù)字控制器上運行控制算法。電機往返運動的控制流程如下1使動子處于反向運動的邊界位置，位移坐標(biāo)值S、控制量U、速度測量ν初始化， 均設(shè)置為零；2 LPC2138接收霍爾傳感器方法陣列輸出的脈沖，對脈沖按步長2mm累加得到動 子的當(dāng)前位移坐標(biāo)值S;使3 LPC2138內(nèi)設(shè)置定時器，獲得兩次脈沖之間的時間間隔T，計算當(dāng)前速度值V = 2mm/T ；4執(zhí)行分階段控制方法當(dāng)S位于0到442之間時，使用公式(1)⑵⑶⑷(5)計算控制量U，并將其輸出 到電機驅(qū)動；當(dāng)S位于440到500之間時，使用公式(6) (7)⑶(9) (10)計算控制量U，并將其輸 出到電機驅(qū)動；當(dāng)S位于502到662之間時，使用公式(11) (12) (13) (14) (15)計算控制量U，并將 其輸出到電機驅(qū)動；當(dāng)S位于664到676之間時，使用公式(15)計算控制量U，并將其輸出到電機驅(qū) 動。此時動子位于正向運動的邊界位置。5控制量U、速度測量ν初始化，均設(shè)置為零；6 LPC2138接收霍爾傳感器方法陣列輸出的脈沖，脈沖按步長2mm遞減，得到動子 的當(dāng)前位移坐標(biāo)值S;7 LPC2138內(nèi)設(shè)置定時器，獲得兩次脈沖之間的時間間隔T，計算當(dāng)前速度值V =-2mm/T ；8執(zhí)行分階段控制方法當(dāng)S位于676到218之間時，使用公式(1)⑵⑶⑷(5)計算控制量U，并將其輸出到電機驅(qū)動；當(dāng)S位于220到180之間時，使用公式(6) (7)⑶(9) (10)計算控制量U，并將其輸 出到電機驅(qū)動；當(dāng)S位于178到8之間時，使用公式(11) (12) (13) (14) (15)計算控制量U，并將其 輸出到電機驅(qū)動；當(dāng)S位于6到0之間時，使用公式(15)計算控制量U，并將其輸出到電機驅(qū)動。此 時動子位于反向運動的邊界位置。
最終實現(xiàn)的正向運行曲線如圖8所示，反向運動曲線如圖9所示。所給出的運動曲線，一方面實現(xiàn)了對圖4所示規(guī)劃曲線的跟蹤，另一方面，到達(dá)邊 界點時速度同時降低到接近于0，控制無超調(diào)，在邊界點實現(xiàn)了準(zhǔn)確到位。改變負(fù)載重量為120Kg，其它參數(shù)不變，重復(fù)往返控制過程，獲得與圖8、圖9 一致 的運動曲線。參考文獻(xiàn)[1]陶永華，新型PID控制及其應(yīng)用，北京機械工業(yè)出版社，2005.[2] 一種直流電機速度PID控制系統(tǒng)及其控制方法，專利號200810195264注釋速度PID控制根據(jù)期望速度值與實際速度值的差值，即速度誤差，進(jìn)行控制量計 算，控制的目標(biāo)是速度誤差為零，具體的算法在文獻(xiàn)[2]中有詳細(xì)說明。位置PID控制和加 速度PID控制均與速度PID控制在算法上有相同的形式，只是其中的速度誤差分別替換為 位置誤差和加速度誤差，控制的目標(biāo)分別為位移誤差為零和加速度誤差為零。
權(quán)利要求
一種基于定步長速度測量的直線電機運動控制方法，其特征是使用等間隔排列的霍爾開關(guān)傳感器陣列，進(jìn)行直線電機的動子的位置和速度測量，實施分階段往返運動控制，所述控制依次包含高速勻速、減速、低速勻速和邊界制導(dǎo)四個階段，在上述四個階段中分別實施位置PID控制、加速度PID控制、速度PID控制和位置PD控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于定步長速度測量的直線電機運動控制方法，其特征是所 述的速度測量，是按照所述動子運動的固定位移間隔進(jìn)行的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于定步長速度測量的直線電機運動控制方法，其特征是所 述的動子運動的固定位移間隔，是在0. 5mm 8mm內(nèi)取值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于定步長速度測量的直線電機運動控制方法，其特征是所 述的高速勻速階段，是期望速度在250mm/s 700mm/s范圍內(nèi)取定值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于定步長速度測量的直線電機運動控制方法，其特征是所 述的低速勻速階段，是期望速度在50mm/s 150mm/s范圍內(nèi)取定值；
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于定步長速度測量的直線電機運動控制方法，其特征是所 述的減速階段，是減速階段的各位移點的期望速度的大小隨位移量均勻減小，從高速勻速 控制階段的期望速度逐步變化到低速勻速階段的期望速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于定步長速度測量的直線電機運動控制方法，其特征是所 述的位置PID控制、加速度PID控制和速度PID控制均是按照增量PID方式在數(shù)字控制器 中實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于定步長速度測量的直線電機運動控制方法，是使用等間隔排列的霍爾開關(guān)傳感器陣列，進(jìn)行直線電機的動子的位置和速度測量，實施分階段往返運動控制，所述控制依次包含高速勻速、減速、低速勻速和邊界制導(dǎo)四個階段，在上述四個階段中分別實施位置PID控制、加速度PID控制、速度PID控制和位置PD控制。本發(fā)明方法基于簡單的測量裝置，可以實現(xiàn)負(fù)載適變化的直線電機運動控制，不需要光柵精密測量機構(gòu)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中僅依靠霍爾開關(guān)傳感器無法實現(xiàn)的毫米級別的直線電機的定位控制，降低了系統(tǒng)成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。
文檔編號H02P8/22GK101841295SQ20101016657
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者謝文超, 韓大鵬 申請人:湖南天安門業(yè)科技有限公司