具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

本公开实施例的技术方案提供一种描述相邻绕组分段式永磁直线同步电机动子间局部相互作用的新方法，建立基于拟纵波弹性理论的多定子、多动子直线电机控制系统，提高整个系统的整体协同性能，使长距离运输得以安全、高效实现。

本公开实施例提供的控制系统的实现原理为：通信模块获取相邻动子的位置和速度信号，无位置传感器估计模块(即位置和速度检测模块)对被控动子位置、速度进行检测、估计，并将位置和速度信号发送至多动子协同控制模块；经基于拟纵波弹性理论的多动子协同控制模块的安全位置计算算法计算出被控动子应达到的位置，即其期望位置；拟纵波弹性理论控制算法将动子期望位置与实际位置相对比，并求解出使动子达到期望位置时所需施加的电磁力，进一步转化为电流，电流检测反馈模块(包括在电流检测控制模块内)获得的电流值作为电流的反馈值，电流检测反馈模块一方面产生过流保护信号实现电路的过流保护，一方面将检测的电动机电流值反馈输入至DSP系统(即DSP模块)。DSP系统进行闭环控制，经PWM脉冲产生算法产生PWM脉冲信号，该脉冲信号经驱动模块后产生电动机驱动控制所需的驱动电流脉冲。由此，实现直线电机的低功耗、高精度控制。

需要说明的是，DSP系统可实现电流检测控制模块、多动子协同控制模块以及位置和速度检测模块的数据处理部分功能。

下面结合图1-图3对本公开实施例提供的基于拟纵波弹性理论的多动子、多定子直线电机控制系统进行示例性说明。

图1为本公开实施例提供的一种基于拟纵波弹性理论的多动子、多定子直线电机控制系统的结构示意图。参照图1，该控制系统中，针对每个动子，包括：多动子协同控制模块110、上位机接口电路120、驱动模块130、电流检测控制模块140、位置和速度检测模块150以及通信模块160；位置和速度检测模块150用于检测当前动子的位置和速度信号，并发送至多动子协同控制模块110；通信模块160用于接收相邻动子控制系统的通信模块160发送的相邻动子的位置和速度信号，并发送至多动子协同控制模块110；以及用于发送当前动子的位置和速度信号至相邻动子控制系统的通信模块160；多动子协同控制模块110通过上位机接口电路120从上位机获得领先动子的期望速度和位置，并将该期望速度和期望位置作为领先动子的速度和位置闭环控制的参考值；还用于基于相邻动子的位置和速度信号、当前动子的位置和速度信号以及领先动子的期望速度和位置，结合拟纵波弹性理论，确定当前动子的电流期望值、速度期望值和位置期望值；电流检测控制模块140检测电机的电流值，作为电机的电流反馈值，结合电流期望值，以实现电流闭环控制，产生电机驱动信号；驱动模块130用于基于电机驱动信号实现对电机的控制。

其中，拟纵波弹性理论可理解为一理论模型，该模型对应于实际系统中，假设多个动子间由一系列虚拟的弹簧连接起来，定义两动子间的最小安全距离为其平衡距离，并根据动子载荷质量及速度确定虚拟弹性刚度。虚拟弹性刚度以及最小安全距离与虚拟弹簧连接动子的载荷质量与速度有关。当动子间保持平衡距离时，弹性纵波列没有弹性势能；当动子间的间距不满足平衡距离时，弹性纵波列中则会产生虚拟的弹性势能。

基于此，将拟纵波弹性理论模型应用于多动子协同控制时，基于拟纵波弹性理论提出了弹簧-阻尼虚拟系统，用以描述动子之间的相互作用关系。当系统中的动子的载荷质量或速度发生变化时，会引起虚拟弹性刚度或平衡距离的变化；此时，虚拟弹簧会产生虚拟弹性力，作为电机定子驱动力的期望输出，反馈到电机的控制器，生成相应的电流来控制动子的速度和位置。

基于此，该控制系统的控制原理如下：通信模块160获取相邻动子的位置和速度信号，位置和速度检测模块150对被控动子位置、速度进行检测、估计，并将得到的位置和速度信号发送至多动子协同控制模块110；多动子协同控制模块110通过上位机接口电路120从上位机获得领先动子的期望速度和位置；经基于拟纵波弹性理论的多动子协同控制模块110确定被控动子应达到的位置、应该达到的速度以及工作电流，即确定电流期望值(即期望电流)、速度期望值(即期望速度)和位置期望值(即期望位置)；电流检测控制模块140将获得的电流值作为电流的反馈值，一方面产生过流保护信号实现电路的过流保护，一方面基于检测的电动机的电流反馈值和期望电流实现电流的闭环控制；同时，产生驱动信号，该驱动信号经驱动模块130后产生电动机驱动控制所需的驱动电流脉冲。通过以上方案从而实现直线电机的低功耗、高精度控制。该协同控制方法使得多动子协同控制效率大大提高，动子间间距始终维持在最优距离，减小了制造成本，提高了运输效率。

在一些实施例中，图2为本公开实施例提供的另一种基于拟纵波弹性理论的多动子、多定子直线电机控制系统的结构示意图。在图1的基础上，参照图2，多动子协同控制模块110包括安全位置计算模块111和拟纵波弹性理论计算模块112；安全位置计算模块111用于基于相邻动子的位置和速度信号及当前动子的位置和速度信号，确定当前动子的位置和速度期望值，作为拟纵波弹性理论计算模块的一输入值；拟纵波弹性理论计算模块112基于当前动子的位置和速度期望值，基于拟纵波弹性理论在动子间建立动力学模型，结合电机电磁学模型确定当前动子达到期望位置时所需施加的电磁力，以确定当前动子的电流期望值，并发送至电流检测控制模块140。

其中，安全位置计算模块111可由安全位置计算算法实现，拟纵波弹性理论计算模块112可由拟纵波弹性理论计算算法实现。

在一些实施例中，拟纵波弹性理论为：将各动子用虚拟的弹簧串联起来，每一段弹簧的刚度和平衡长度基于其两端连接的动子的速度和载荷质量确定；其中，动子的速度和载荷质量越大，虚拟的弹簧的刚度越大，平衡距离越长；当被控动子位置不在期望位置上时，虚拟弹簧产生弹性形变从而产生弹力，使得动子间的间距发生改变，最终使被控动子达到期望位置；虚拟弹簧力作为定子线圈的执行输入反馈给控制系统，控制系统产生对应的电磁力，并作用在动子上。

由此，当动子的位置或速度发生变化时，与其相连的虚拟弹簧发生弹性形变而产生弹力，其对应电磁力，并进一步对应电机的驱动信号的变化，从而可基于拟纵波弹性理论实现对动子的精确控制。

在一些实施例中，继续参照图2，电流检测控制模块140包括：电流传感器141、过流保护信号产生电路142、电流传感器接口电路143、AD控制模块144、电流闭环控制模块145以及PWM脉冲产生模块146；AD控制模块144用于控制电流传感器接口电路143基于电流传感器141获取电流反馈值，并发送至电流闭环控制模块145；电流闭环控制模块145用于基于电流反馈值和电流期望值，确定电流输出值；PWM脉冲产生模块146用于基于电流输出值，确定驱动当前动子所需的PWM脉冲信号；过流保护信号产生电路142用于基于电流传感器141获取的电流值，产生过流保护信号，实现对驱动模块130的过流保护。

其中，电流传感器141用于检测电机的实时工作电流，并传输至过流保护信号产生电路142和电流传感器接口电路143；其中，实时工作电流可基于驱动模块130的驱动电流脉冲信号获取。

其中，过流保护信号产生电路142用于产生过流保护信号，以实现过流保护。如此，有利于确保电机安全运行。

其中，电流传感器接口电路143在AD控制模块144的控制下获取电流信号，并反馈至电流闭环控制模块145；电流闭环控制模块145基于期望电流和实时电流，产生电流输出值，并传输至PWM脉冲产生模块146，PWM脉冲产生模块146基于其接收到的电流输出值生成PWM脉冲信号，例如PWM1至PWM6，并作为驱动信号(即电机驱动信号)，被发送至驱动模块130。

示例性地，PWM脉冲产生模块146可采用PWM脉冲产生算法实现，电流闭环控制模块145可采用电流闭环控制算法实现，AD控制模块144可采用AD控制算法实现。

基于上述，电机驱动信号包括PWM脉冲信号。

在一些实施例中，继续参照图2，驱动模块130包括高速光耦隔离电路131、驱动电路132以及三相逆变桥电路133。

在一些实施例中，继续参照图2，位置和速度检测模块150包括光栅脉冲检测电路151、反电势电压检测电路152以及位置和速度解算模块153；光栅脉冲检测电路151用于在多动子、多定子的电机中，确定表征动子与定子的作用范围关系的光栅计数脉冲信号，并发送至位置和速度解算模块153；反电势电压检测电路152用于获取定子绕组回路的反电势电压信号，并发送至位置和速度解算模块153；位置和速度解算模块153，用于基于光栅计数脉冲信号和反电势电压信号，确定当前动子的位置和速度信号，并发送至安全位置计算模块111。

其中，光栅脉冲检测电路151向位置和速度解算模块153发送计数脉冲信号，反电势电压检测电路152向位置和速度解算模块153发送反电势电压信号，位置和速度解算模块153基于光栅计数脉冲信号和反电势电压信号，确定当前动子的位置和速度信号，即确定实时的位置值和速度值。

示例性地，位置和速度解算模块153可采用位置和速度解算算法实现。

在一些实施例中，继续参照图2，通信模块160包括数据发送模块161和数据接收模块162；数据发送模块161用于将当前动子的位置和速度信号发送至相邻动子控制系统的通信模块；数据接收模块162用于接收相邻动子控制系统的通信模块发送的相邻动子的位置和速度信号，并发送至多动子协同控制模块110。

在其他实施方式中，当控制系统用于实现对多个动子进行控制时，通信模块还可包括相邻动子控制系统数据接收模块以及相邻动子控制系统数据发送模块；当前动子控制系统和相邻动子控制系统的通信模块可集成设置于同一块芯片中。

在一些实施例中，继续参照图2，该控制系统还包括数字信号处理模块170(即DSP模块)，该模块包括数字信号处理芯片(即DSP芯片)和电源配置芯片，电源配置芯片用于为数字信号处理芯片供电；数字信号处理芯片内置计算机程序，用于执行安全位置计算算法，执行基于拟纵波弹性理论控制算法，执行位置和速度解算算法，执行AD控制算法，执行电流闭环控制算法以及执行PWM脉冲产生算法，以实现上述对应模块的功能。

其中，DSP模块170可由硬件电路部分和在DSP片内基于硬件编程实现的控制算法部分构成；硬件电路部分由一片DSP芯片和相应的电源配置芯片构成，在DSP片内基于硬件编程实现上述控制算法，以实现各模块的数据处理功能。

在一些实施例中，数字信号处理芯片采用TI公司C2000系列芯片；驱动模块130采用TI公司的DRV8301驱动板；通信模块160采用TI公司CC3220系列芯片。

其中，通信模块160采用TI公司的CC3220芯片进行无线数据传输功能的开发，使用TCP套接字实现无线数据传输，将数据发送端作为TCP客户端，将数据接收端作为TCP服务端。该通信模块160(也称为无线数据传输模块)虽为多动子、多定子的直线电机控制系统而建立，但是其应用不失一般性，甚至可以作为一种控制系统中通用的数据传输方式。应用者可以根据其自身的应用要求修改软件算法中的相关参数以满足自身系统的需要，使用范围更广，灵活性更强。

在其他实施方式中，通信模块160还可采用其他类型的芯片，本公开实施例对此不限定。

在其他实施方式中，DSP芯片还可采用其他类型的芯片，本公开实施例对此不限定。

在上述实施方式的基础上，本公开实施例提供的基于拟纵波弹性理论的多动子、多定子直线电机控制系统中，对于每个动子，包括DSP模块170、上位机接口电路120、驱动模块130、电流检测反馈模块(电流检测控制模块140的硬件结构，由电流传感器、过流保护信号产生电路以及电流传感器接口电路三个部分组成)、无位置传感器估计模块150(即位置和速度检测模块150)、通信模块160、基于拟纵波弹性理论的多动子协同控制模块110。其中，DSP模块170通过上位机接口电路120从上位机100获得期望速度和期望位置作为领先动子的位置、速度闭环控制算法(设置于拟纵波弹性理论控制模块112内)中的速度和位置参考值；无位置传感器估计模块150基于光栅脉冲检测电路151输出的计数脉冲信号，以及基于反电势电压检测电路152输出反电势电压信号，计数脉冲信号经DSP模块170内的位置和速度解算算法(也称为位置、速度估算算法)估计出当前动子的位置和速度；通信模块160中的数据发送模块161将当前动子的位置和速度发送给相邻动子控制系统数据接收模块(图中未示出)；数据接收模块(162)接收相邻动子控制系统数据发送模块(图中未示出)发送的的位置和速度信息，与无位置传感器估计模块150输出的当前动子位置和速度信息共同输入到DSP模块170，DSP模块170内的基于拟纵波弹性理论的多动子协同控制模块110中安全位置计算模块111计算出当前动子的速度和位置参考值作为当前动子拟纵波弹性理论控制算法112中的速度和位置参考值；同时电流检测反馈模块检测电机的电流值，过流保护信号产生电路142产生过流保护信号，并反馈至驱动模块130实现过流保护，同时在DSP模块170的控制下对该电流值进行采样和模数转换后反馈至DSP模块170，在DSP模块170内进行闭环控制，产生PWM脉冲，该脉冲经驱动模块130后生成电机所需的控制电流，从而实现对永磁直线同步电机的控制。

DSP模块170包括：硬件电路部分和在DSP片内基于硬件编程实现的控制算法部分，硬件电路部分包括DSP芯片，在DSP片内基于硬件编程实现的控制算法包括：基于拟纵波弹性理论的多动子协同控制算法(由安全位置计算算法和拟纵波弹性理论控制算法两部分组成)、位置和速度解算算法、PWM脉冲产生算法、AD控制算法、电流闭环控制算法和拟纵波弹性理论控制算法。DSP模块170从光栅脉冲检测电路151获得计数脉冲信号，从反电势电压检测电路152获得反电势电压信号；经过位置和速度解算算法估计出当前动子的位置值和速度值，结合从数据接收模块162获得的相邻动子的位置和速度，经过安全位置计算算法计算出当前动子的期望位置，该值与当前动子的实际位置作差生成拟纵波弹性理论控制算法的输入信号，拟纵波弹性理论控制算法可直接求解出控制当前动子的电流参考值，由AD控制算法控制的电流传感器接口电路获得电机电流的反馈值，该电流参考值和反馈值作差经电流闭环控制算法，得到电流输出值，实现闭环控制。然后再经由PWM脉冲产生算法生成驱动电机所需的PWM脉冲，经过驱动模块130最终驱动电机动子运行。

示例性地，图3为本公开实施例提供的一种基于拟纵波弹性理论的多动子、多定子直线电机控制系统的工作原理示意图。结合图2和图3，该控制系统的控制原理如下：通信模块获取相邻动子的位置和速度信号，无位置传感器估计模块对被控动子位置、速度进行检测、估计，经基于拟纵波弹性理论的多动子协同控制模块的安全位置计算算法计算出被控动子应达到的位置，拟纵波弹性理论控制算法将动子期望位置、实际位置相对比并求解出使动子达到期望位置时所需施加的电磁力，进一步转化为电流，电流检测反馈模块获得的电流值作为电流的反馈值，电流检测反馈模块一方面产生过流保护信号实现电路的过流保护，一方面将检测的电动机电流值反馈输入至DSP系统。DSP系统进行闭环控制，经PWM脉冲产生算法产生PWM脉冲信号，该脉冲信号经驱动模块后产生电动机驱动控制所需的驱动电流脉冲。通过以上方案从而实现直线电机的低功耗、高精度控制。该协同控制算法使得多动子协同控制效率大大提高，动子间间距始终维持在最优距离，减小了制造成本，提高了运输效率。

示例性地，图4为本公开实施例提供的基于拟纵波弹性理论的多动子、多定子直线电机控制系统中，一种基于拟纵波弹性理论的多动子协同控制模块的工作原理示意图，示出了本公开实施例的基于拟纵波弹性理论多动子协同控制模块原理框图。如图4所示，基于拟纵波弹性理论多动子协同控制模块包括：通信模块、安全位置计算算法和拟纵波弹性理论计算算法。在该模块中，通信模块获取相邻动子的位置和速度信号，传输给安全位置计算模块，同时，无位置传感器估计模块估计出的被控动子的位置和速度也传输给安全位置计算模块，计算出被控动子应达到的位置，拟纵波弹性理论控制算法将动子期望位置、实际位置相对比并求解出使动子达到期望位置时所需施加的电磁力，进一步转化为电流，从而实现基于拟纵波弹性理论的闭环控制。本发明将拟纵波弹性理论映射到动子的运动状态，动子间的交互关系以及定子的功耗等参数，基于拟纵波弹性理论对动子间建立起动力学模型，借鉴交通领域的自动驾驶跟驰模型来计算动子间的期望距离，从而求解被控动子的期望位置，从而实现对永磁直线同步电机多个动子分时、逐序驱动高精度的控制。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。