阅读说明：本技术 直线电机自动门控制装置和控制方法 (Automatic door control device and control method for linear motor ) 是由 张圣祥 于 2020-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种直线电机自动门控制装置和控制方法,控制装置包括直线电机和驱动控制器,直线电机包括动子和定子,定子由两段相同电磁参数的绕组构成,两段绕组之间存在间隔,所述间隔满足使两段绕组的正弦反电势相位一致；动子的长度为一段绕组的长度与两段绕组之间的间隔之和,使得动子在全行程运动过程中,与一段或者两段绕组的耦合面积保持不变,驱动控制器包括第一驱动控制器和第二驱动控制器,分别通过控制第一绕组和第二绕组的通断电来驱动动子移动。本发明避免了反电势跌落带来的推力损失,且不会同时与三个定子铁芯端部耦合,从而降低定位力带来的推力波动,且运行更加平稳,消除了两绕组直接切换带来的噪音问题。(The invention discloses a linear motor automatic door control device and a control method, wherein the control device comprises a linear motor and a drive controller, the linear motor comprises a rotor and a stator, the stator consists of two sections of windings with the same electromagnetic parameters, and an interval exists between the two sections of windings, wherein the interval meets the requirement that the sinusoidal back electromotive force phases of the two sections of windings are consistent; the length of the rotor is the sum of the length of one section of winding and the interval between two sections of windings, so that the coupling area of the rotor and one section or two sections of windings is kept unchanged in the full-stroke motion process, and the driving controller comprises a first driving controller and a second driving controller which are used for driving the rotor to move by controlling the on-off of the first winding and the second winding respectively. The invention avoids thrust loss caused by counter potential drop, and can not be coupled with the end parts of the three stator cores simultaneously, thereby reducing thrust fluctuation caused by positioning force, having more stable operation, and eliminating the noise problem caused by direct switching of two windings.)

直线电机自动门控制装置和控制方法

技术领域

本发明涉及自动门控制技术领域，特别涉及一种直线电机自动门控制装置和控制方法。

背景技术

传统的自动门多采用“旋转电机+齿轮/涡轮减速机+同步带”的驱动方式，存在着传动效率低、噪音大、运行不够平稳以及安装成本高等缺陷。随着直线电机技术在工业领域的应用普及，其响应速度快、结构简单、低噪音、无机械磨损的突出优点，使得直线电机直接驱动的“磁悬浮”门体得到了自动门领域内的高度关注，并已有多种形式的产品在市场上进行了推广和使用。在自动门直线电机的拓扑上，基本采用定线圈动磁轨，即移动的门体挂在永磁体构成的次级轨道上，由于门的行程普遍较长，所以初级多考虑采用两段线圈分段控制的形式以降低铜损耗所带来的发热问题。在分段控制方法上，现有技术普遍采用基于开关霍尔或者线性霍尔的定子切换控制方式，如中国专利“基于线性霍尔传感器的直线电机自动门矢量控制的方法”(公开号为CN 107465373A)所述，随着动子的左右运动，对其所耦合的定子段供电，相应的另一段不供电的切换供电形式。这种形式逻辑简单，比较容易实现。但带来的问题是，由于切换过程存在不连续，动子所耦合的定子面积会发生突变，带来反电势的跌落和不平衡，必然会导致在切换过程中出现推力波动，动子的运动过程会耦合多个定子铁芯的端部，定位力叠加，进一步影响速度的平稳性，甚至出现“咔咔”的响声，这在一些需要高静音、高平稳性的应用场合是难以接受的。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是针对直线电机自动门在定子切换过程中的推力平稳控制需求，提出一种直线电机自动门控制装置和控制方法。

本发明一方面提供一种直线电机自动门控制装置，包括直线电机和驱动控制器，所述直线电机包括动子和定子，所述定子由两段相同电磁参数的绕组构成，分别是第一绕组和第二绕组，两段绕组之间存在间隔，所述间隔满足使两段绕组的正弦反电势相位一致；所述动子的长度为一段绕组的长度与两段绕组之间的间隔之和，使得所述动子在全行程运动过程中，与一段或者两段绕组的耦合面积保持不变，且不会同时与三个定子的铁芯端部耦合；所述驱动控制器包括第一驱动控制器和第二驱动控制器，分别通过控制第一绕组和第二绕组的通断电来驱动所述动子移动。

进一步，所述第一驱动控制器和所述第二驱动控制器均包括控制模块、功率放大模块和位置检测模块，其中控制模块用于接收开关门指令，采集电压、电流和位置信号，产生两路电机PWM控制信号；所述功率放大模块用于将所述控制模块的PWM控制信号进行功率放大；所述位置检测模块用于检测所述动子所处的位置或角速度。

作为较佳的实施例，第一驱动控制器的控制模块和第二驱动控制器的控制模块之间通过通信接口进行数据交互。

作为较佳的实施例，第一驱动控制器和第二驱动控制器共用一个控制模块，通过内部变量进行数据共享和传递。

进一步，所述控制模块、所述功率放大模块和所述位置检测模块各自设置在独立的PCB上，或者集成在一块PCB上。

第二方面，本发明提供一种直线电机自动门控制方法，自动门上电后，两个驱动控制器分别进行自学习过程，通过位置检测模块获取动子与两段绕组耦合和移动的行程，包括开门过程和关门过程，

所述开门过程具体是，接收到开门指令后，第一驱动控制器驱动所述动子逐渐向第二驱动控制器方向运动；当所述动子只与所述第一绕组耦合时，只有第一驱动控制器对第一绕组进行通电控制，第二绕组控制器保持断电，动子的驱动力只来源于第一绕组的通电；随着动子向第二驱动控制器移动，当所述动子与第一绕组和第二绕组同时耦合时，第一驱动控制器对第一绕组进行通电控制，且第二驱动控制器对第二绕组进行通电控制，动子的驱动力来源于第一绕组和第二绕组的共同通电；当所述动子只与所述第二绕组耦合时，只有第二驱动控制器对第二绕组进行通电控制，第一绕组驱动控制器保持断电，动子的驱动力只来源于第二绕组的通电；

所述关门过程具体是，当接收到关门指令后，第二驱动控制器驱动动子逐渐向第一驱动控制器方向运动；当所述动子只与所述第二绕组耦合时，只有第二驱动控制器对第二绕组进行通电控制，第一驱动控制器保持断电，动子的驱动力只来源于第二绕组的通电；当所述动子与所述第二绕组和第一绕组同时耦合时，第二驱动控制器对第二绕组进行通电控制，且第一驱动控制器对第一绕组进行通电控制，动子的驱动力来源于第二绕组和第一绕组的共同通电；当所述动子只与所述第一绕组耦合时，只有第一驱动控制器对第一绕组进行通电控制，第二驱动控制器保持断电，动子的驱动力只来源于第一绕组的通电。

进一步的，在开门过程中，当所述动子与第一绕组和第二绕组同时耦合时，如果所述动子与所述第一绕组的耦合面积大于或等于所述动子与所述第二绕组的耦合面积，那么第二驱动控制器对第二绕组的三相驱动电流跟踪第一驱动控制器对第一绕组的三相驱动电流；如果所述动子与所述第一绕组的耦合面积小于所述动子与所述第二绕组的耦合面积，那么第一驱动控制器对第一绕组的三相驱动电流跟踪第二驱动控制器对第二绕组的三相驱动电流，以保持幅值相位一致。

进一步的，在关门过程中，当所述动子与第二绕组和第一绕组同时耦合时，如果所述动子与所述第二绕组的耦合面积大于或等于所述动子与所述第一绕组的耦合面积，那么第一驱动控制器对第一绕组的三相驱动电流跟踪第二驱动控制器对第二绕组的三相驱动电流；如果所述动子与所述第二绕组的耦合面积小于所述动子与所述第一绕组的耦合面积，那么第二驱动控制器对第二绕组的三相驱动电流跟踪第一驱动控制器对第一绕组的三相驱动电流，以保持幅值相位一致。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)直线电机定子由两段相同参数的绕组组成，动子在运动过程中与一段或者两段绕组耦合的面积保持不变，避免了反电势跌落带来的推力损失，且不会同时与三个定子铁芯端部耦合，从而降低定位力带来的推力波动。

2)直线电机动子在开门和关门过程中，根据动子所耦合的定子段，采用电流交替跟踪控制方式，使切换过程中推力保持恒定，从而运行更加平稳，消除了两绕组直接切换带来的噪音问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例直线电机自动门控制装置结构示意图；

图2为直线电机自动门控制装置中的电机驱动控制器原理图；

图3为图2中实施例电机驱动控制器组成框图；

附图标记说明：

1—第一绕组、2—第二绕组、3—动子、4—第一霍尔阵列、5—第二霍尔阵列、6—驱动控制器、7—左止挡器、8—右止挡器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1所示为一实施例直线电机自动门控制装置结构示意图。直线电机定子由完全相同的第一绕组1和第二绕组2组成，两段绕组长度均为L1，绕组的间隔为L2，L2的长度设计满足使第一绕组1和第二绕组2的正弦反电势相位一致。直线电机动子3沿轨道进行左右运动，动子3与第一绕组1和第二绕组2之间形成磁场气隙。动子3长度为L3，且满足L3＝L1+L2，使得动子在任意时刻与两个绕组耦合的面积和是不变的。

本实施例的直线电机自动门控制装置还包括第一驱动控制器和第二驱动控制器，分别通过控制第一绕组1和第二绕组2的通断电来驱动动子3移动。第一驱动控制器和第二驱动控制器均包括控制模块、功率放大模块和位置检测模块。

在一些具体实施方式中，控制模块由MCU/DSP及其外围电路组成，负责接收开关门指令，采集电压、电流和位置信号，运行电机控制算法并产生两路电机PWM控制信号。其中，所述电流信号包含电机三相电流以及母线电流；所述电压信号包含母线电压；所述位置信号指电机动子3相对于所耦合的电机定子的电角度或者绝对位置。上述信号通过运算放大电路进行放大后，送入MCU/DSP片内AD或者片外ADC进行读取采集。控制模块运行FOC(磁场定向控制)算法，通过片内定时器产生两路PWM信号，每路PWM信号对应一段电机绕组。

功率放大模块由MOSFET/IGBT/IPM等功率器件及其驱动电路组成，负责将控制模块输出的PWM信号进行功率放大。功率放大模块包含电机电流采样电阻、电压采样电阻或霍尔电流传感器电路，将采样信号传送给控制模块读取。

位置检测模块负责采集电机动子3所处的位置或电角度，由线性霍尔或者异性磁阻(AMR)等类似功能的磁感应器件组成。

图1中，在第一绕组1和第二绕组2之间且靠近绕组的地方，放置两组线性霍尔传感器阵列作为位置检测模块，记为第一霍尔阵列4和第二霍尔阵列5。两个霍尔阵列之间放置电机驱动控制器6。自动门的总长度为L4，在左右极限位置分别放置左止挡器7和右止挡器8。

在物理层面，第一绕组和第二绕组可以各设置一个独立的驱动控制器，每个独立驱动控制器均包含控制模块和功率放大模块，两个控制模块之间通过通信接口进行数据交互；也可以将两个驱动控制器的控制模块共用，在一个MCU/DSP上实现控制功能，通过内部变量进行数据共享和传递。

如图2所示为电机驱动控制器的实施例，由两个完全相同的驱动控制器组成，记为第一驱动控制器和第二驱动控制器，分别控制绕组1#和绕组2#。每个驱动控制器由控制模块、功率放大模块和位置检测模块构成。控制模块包含STM32单片机组成的微处理器和由运算放大器组成的模拟信号调理电路，微处理器内置多通道片内ADC，经采样电阻获得的绕组相电流、电压信号经调理后送入ADC进行读取转换，并输出PWM控制信号给功率放大模块。位置检测模块由三个间隔为120°电角度的线性霍尔构成，三路模拟信号经控制模块内微处理器进行AD转换，并解算后获得电机动子所在的电角度位置。功率放大模块由IR2101构成的栅极驱动电路，驱动由6个功率MOSFET所构成的三相全桥逆变器，对来自控制模块的三路PMW控制信号进行功率放大，从而所对应的电机绕组形成交变磁场，与动子磁场相互作用，驱动动子3运动。两个控制模块之间，采用由微处理器控制硬件接口的双向SPI通信，可以实时传递控制命令以及参数。所述控制模块、功率放大模块和位置检测模块各自设置在独立的PCB上，或者集成在一块PCB上。

如图3为一些具体实施方式中的驱动控制器组成框图，绕组的驱动控制其采用基于FOC控制的SVPWM驱动方式，驱动控制器包括由速度控制器和电流控制器构成双闭环控制系统。速度控制器的输入为开关门过程中的运动控制速度规划指令，输出为电流控制指令，反馈为通过位置检测模块经过差分获得的动子速度反馈。电流控制器的输入为速度控制器的输出，输出经SVPWM调制和功率放大后驱动电机定子(绕组)，反馈为位置检测模块获得的动子电角度和相电流信号。

在自动门安装通电之后，第一驱动控制器和第二驱动控制器运行自学习程序，恒速驱动动子3进行往复移动，通过位置检测模块获取动子3移动的行程距离。其中，速度规划指令为开关门过程中，根据动子3所在行程中的位置所规划的加速、匀速、减速和低速所对应的速度指令值。

本发明另一实施例提供一种直线电机自动门控制方法，每个绕组对应的驱动控制器，即第一驱动控制器和第二驱动控制器，包括独立运行的速度控制器和电流控制器两个闭环控制系统。每个驱动控制器通过对其位置检测模块信息和对应绕组相电流的采集，运行磁场定向控制(FOC)算法，控制相应的分段绕组。

自动门上电后，两个驱动控制器分别进行自学习过程，通过位置检测模块获取动子与两段绕组耦合和移动的行程，包括开门过程和关门过程。

当接收到开门指令之后，第一驱动控制器驱动动子逐渐向第二驱动控制器方向运动，称作开门过程。当动子只与第一绕组耦合时，有且只有第一驱动控制器对第一绕组进行通电控制，第二驱动控制器保持断电，动子的驱动力只来源于第一绕组的通电；当动子与第一绕组和第二绕组同时耦合时，第一驱动控制器对第一绕组进行通电控制，并且第二驱动控制器对第二绕组进行通电控制，动子的驱动力来源于第一绕组和第二绕组的共同通电；当动子只与所述第二绕组耦合时，有且只有第二驱动控制器对第二绕组进行通电控制，第一驱动控制器保持断电，动子的驱动力只来源于第二绕组的通电。

当动子在开门过程中，与第一绕组和第二绕组同时耦合，并且动子与第一绕组的耦合面积大于或等于动子与第二绕组的耦合面积时，第二驱动控制器对第二绕组的三相驱动电流跟踪第一绕组驱动控制器对第一绕组的三相驱动电流，保持幅值相位一致。

当动子在开门过程中，与第一绕组和第二绕组同时耦合，并且动子与第一绕组的耦合面积小于动子与第二绕组的耦合面积时，第一驱动控制器对第一绕组的三相驱动电流跟踪第二驱动控制器对第二绕组的三相驱动电流，保持幅值相位一致。

当接收到关门指令之后，第二驱动控制器驱动动子逐渐向第一驱动控制器方向运动，称作关门过程。当动子只与第二绕组耦合时，有且只有第二驱动控制器对第二绕组进行通电控制，第一驱动控制器保持断电，动子的驱动力只来源于第二绕组的通电；当动子与第二绕组和第一绕组同时耦合时，第二驱动控制器对第二绕组进行通电控制，并且第一驱动控制器对第一绕组进行通电控制，动子的驱动力来源于第二绕组和第一绕组的共同通电；当动子只与第一绕组耦合时，有且只有第一驱动控制器对第一绕组进行通电控制，第二驱动控制器保持断电，动子的驱动力只来源于第一绕组的通电。

当动子在关门过程中，与第二绕组和第一绕组同时耦合，并且动子与第二绕组的耦合面积大于或等于动子与第一绕组的耦合面积时，第一驱动控制器对第一绕组的三相驱动电流跟踪第二驱动控制器对第二绕组的三相驱动电流，保持幅值相位一致；

当动子在关门过程中，与第二绕组和第一绕组同时耦合，并且动子与第二绕组的耦合面积小于动子与第一绕组的耦合面积时，第二驱动控制器对第二绕组的三相驱动电流跟踪第一驱动控制器对第一绕组的三相驱动电流，保持幅值相位一致。

参照图1所示，电流交替跟踪控制的实施方式具体如下：

1)以动子处在位置①，自动门完全关闭并接收到开门信号为例，动子在第一驱动控制器的驱动下，按照规划速度向右移动，两个位置检测模块获取动子的实时位置；

2)当动子处在位置①和位置②之间，动子只与绕组1#耦合，只有第一驱动控制器通电工作，绕组2#不通电；

3)当动子处在位置②和位置③之间，动子与绕组1#和绕组2#同时耦合，且与绕组1#的耦合面积大于与绕组2#的耦合面积，在此区间内，两个驱动控制器同时通电工作，第一驱动控制器为主驱动器，运行速度环和电流环，第二驱动控制器为从驱动器，只运行电流环，其电流环的给定来自于主驱动器通过SPI接口实时传递，通过控制使绕组2#的电流幅值、相位跟随绕组1#；

4)当动子到达位置③的时候，第一驱动控制器通过SPI接口将速度环、电流环内的全部参数一次性传递给第二驱动控制器，将控制主动权移交；

5)当动子处在位置③和位置④之间，动子与绕组1#和绕组2#同时耦合，且与绕组2#的耦合面积大于与绕组1#的耦合面积，在此区间内，两个驱动控制器同时通电工作，第二驱动控制器为主驱动器，运行速度环和电流环，第一驱动控制器为从驱动器，只运行电流环，其电流环的给定来自于主驱动器通过SPI接口实时传递，通过控制使绕组1#的电流幅值、相位跟随绕组2#；

6)当动子处在位置④和位置⑤之间，动子只与绕组2#耦合，只有第二驱动控制器通电工作，绕组1#不通电。

当自动门接收到关门信号，动子开始从右至左运动时，其跟踪控制过程与上述类似，不再赘述。

常规地，速度控制器、电流控制器均采用PID控制，特别地，为了提高电流响应特性，电流控制器亦可以采用电流预测控制。

上述的“第一”、“第二”、“开门”、“关门”、“左右”等，仅为表述方便的一种方向标记，可根据实际情况重新定义，均属于本发明的发明思想，亦在本发明要求保护的范围之内。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。