基于无线数据传输的直线电机控制系统的制作方法

本公开涉及数字控制系统技术领域，尤其涉及一种基于无线数据传输的直线电机控制系统。

背景技术：

直线电动机能够直接产生直线运动，能将电能直接转换为直线运动所需的机械能。相较于旋转电动机而言，直线电机没有机械接触，其传动力是在气隙中产生的，除直线电机导轨以外没有任何其它的摩擦；运行的行程在理论上不受任何限制，性能不会因行程大小的改变而受到影响；可提供更宽范围的运行速度，尤其在高速状态下其优势更为突出；此外，直线电机还具有加速度大、运行平稳、精度和重复精度高等特点，能够很好地解决传动效率和可靠性等问题，同时成本较低且易于维护。直线电机具有较高的效率和功率因数，并且随着永磁材料的高速发展，特别是在高性能永磁材料钕铁硼(ndfeb)出现后，永磁直线同步电机因其损耗小、力能指标高以及响应速度快等特点，使得其与其它高速精密系统相比，具有较大的优越性。

现阶段，直线电机主要通过位置传感器来检测动子和定子间的相对位置信息，而传统的利用线缆的方式来传输直线电机多动子、多定子间的位置信息则需要使用大量的线缆。由于直线电机大加速度、高速的运行特点，在动子运行过程中，上述连接的用于传输位置信号的线缆可能会出现撕裂或缠绕等问题，而且在长行程的运行中，线缆的长度要根据需要加长，这在实际应用中极不方便，因此，使用线缆进行动定子间数据传输的方式已经不能满足直线电机控制系统的要求。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种基于无线数据传输的直线电机控制系统。

本公开提供的基于无线数据传输的直线电机控制系统，包括：数字信号处理模块、上位机接口电路、位置检测模块、无线通信模块、电流检测反馈模块以及驱动模块；

所述位置检测模块对电机的动子位置进行检测，得到包含位置信息的脉冲信号；

所述无线通信模块对所述脉冲信号进行计数后，通过无线传输方式将数据发送至数字信号处理模块；

所述电流检测反馈模块获得的电流值作为电机的电流反馈值，并发送至数字信号处理模块；

所述数字信号处理模块通过所述上位机接口电路从上位机获得期望速度和期望位置，并将该所述期望速度和期望位置作为电机速度和位置闭环控制的参考值；还用于基于所述数据获取位置反馈值、速度反馈值；以及用于实现对电机的位置、速度和电流的三环控制，产生电机驱动信号；

所述驱动模块用于基于所述电机驱动信号实现对电机的控制。

可选的，所述数字信号处理模块包括数字信号处理芯片和电源配置芯片；

所述电源配置芯片用于为所述数字信号处理芯片供电。

可选的，所述数字信号处理芯片内置计算机程序，用于执行位置、速度解算算法，执行位置、速度闭环控制算法，执行电流闭环控制算法以及执行pwm脉冲产生算法。

可选的，所述电机驱动信号包括pwm脉冲信号。

可选的，所述数字信号处理芯片采用ti公司c2000系列芯片。

可选的，所述位置检测模块包括光栅脉冲检测电路以及磁栅脉冲检测电路；

所述光栅脉冲检测电路用于在多定子的电机中，确定动子位于哪个定子的作用范围内；

所述磁栅脉冲检测电路用于确定动子与与其作用的定子的相对位置信息。

可选的，所述无线通信模块包括无线数据接收模块、无线数据发送模块以及脉冲计数模块；

所述脉冲计数模块对所述位置检测模块输出的脉冲信号进行计数，并将得到的数据通过所述无线数据发送模块无线发送至无线数据接收模块。

可选的，所述无线通信模块采用ti公司cc3220系列芯片。

可选的，所述电流检测反馈模块还用于产生过流保护信号，以实现过流保护。

可选的，所述电流检测反馈模块包括电流传感器、过流保护信号产生电路以及电流传感器接口电路；

所述驱动模块包括高速光耦隔离电路、驱动电路以及三相逆变桥电路。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本公开实施例提供的基于无线数据传输的直线电机控制系统中，采用动子、定子间的无线数据传输方式与传统的使用线缆传输数据的方式相比，首先，动子在运动过程中不受线缆数量或线缆长度的限制，可以更方便的按照期望的方式运行，且成本更低；其次，有线通讯的局限性较大，在一些比较特殊复杂的应用场合下，对线缆的布线工程具有很高的要求，而无线数据传输方式则不受这些条件的限制，具有更广泛的适应性；再次，当直线电机的动子数增加时，只需将其接入无线数据通信网络即可，相比之下有更好的扩展性；最后，设备维护更容易实现，只需维护数据发送端和接收端模块，出现故障时能快速找出原因，恢复正常工作。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例提供的一种基于无线数据传输的直线电机控制系统的结构示意图；

图2为本公开实施例提供的另一种基于无线数据传输的直线电机控制系统的结构示意图；

图3为本公开实施例提供的基于无线数据传输的直线电机控制系统的工作原理示意图；

图4为本公开实施例提供的基于无线数据传输的直线电机控制系统的无线通信模块的通信流程示意图。

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。

本公开实施例提供的基于无线数据传输的直线电机控制系统，通过无线数据传输方式获取直线电机多个动子速度、位置反馈信号进行闭环控制，实现对多动子、多定子直线电机的高精度控制，适用于低功耗、高集成度、高可靠性的自动控制运输系统。其可满足当前控制系统中对动定子间数据传输的需求，该数据传输方式可推广应用到其它对数据传输有一定要求的电机控制系统。

本公开的实现原理是：由位置检测模块检测到的含有位置信息的脉冲信号输入至脉冲计数模块进行计数，通过无线发送至数字信号处理(digitalsignalprocessing，dsp)模块，dsp模块对该计数值进行位置、速度解算得到当前动子相对定子的位置值及此时的速度值，将其作为dsp模块内速度和位置的反馈信号，dsp模块获取上位机设定的期望速度和期望位置，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模块；dsp模块进行位置、速度以及电流三环控制，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，从而实现直线电机的低功耗及高精度控制。下面结合图1-图4对本公开实施例提供的基于无线数据传输的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无线数据传输的直线电机控制系统的结构示意图。参照图1，该控制系统包括：数字信号处理模块10(即dsp模块10)、上位机接口电路111、位置检测模块12、无线通信模块13、电流检测反馈模块14以及驱动模块15；位置检测模块12对电机(pmlsm)00的动子位置进行检测，得到包含位置信息的脉冲信号；无线通信模块13对脉冲信号进行计数后，通过无线传输方式将数据发送至数字信号处理模块10；电流检测反馈模块14获得的电流值作为电机00的电流反馈值，并发送至数字信号处理模块10；数字信号处理模块10通过上位机接口电路111从上位机获得期望速度和期望位置，并将该期望速度和期望位置作为电机00速度和位置闭环控制的参考值；还用于基于数据获取位置反馈值、速度反馈值；以及用于实现对电机00的位置、速度和电流的三环控制，产生电机驱动信号；驱动模块15用于基于电机驱动信号实现对电机00的控制。

其中，dsp模块10通过上位机接口电路111从上位机112获得期望速度和期望位置，并将该期望速度和期望位置作为电机位置、速度闭环控制算法中的参考值；由位置检测模块12输出的含有动子位置信息的脉冲信号，该脉冲信号经无线通信模块13进行脉冲计数后，无线发送至dsp模块10，dsp模块10通过位置、速度解算算法对该脉冲计数值进行解算，其输出作为速度和位置的反馈值；同时，电流检测反馈模块14检测电机的电流值，该电流检测反馈模块14产生过流保护信号实现过流保护，同时将检测到的电流值作为电流反馈值输入至dsp模块10，在dsp模块10内实现对电机的位置、速度、电流三种参数的闭环控制，同时，dsp模块基于上述闭环控制参数产生电机驱动信号，该电机驱动信号经驱动模块15生成电机所需的控制电流，从而实现对直线电机的控制。

在一实施例中，数字信号处理模块10包括数字信号处理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。

其中，dsp模块10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的控制算法在下文中详述；数字信号处理芯片可采用ti公司c2000系列芯片。

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。

在一实施例中，图2为本公开实施例提供的另一种基于无线数据传输的直线电机控制系统的结构示意图，图3为本公开实施例提供的基于无线数据传输的直线电机控制系统的工作原理示意图。基于图1，参照图2和图3，dsp模块10的数字信号处理芯片内置计算机程序，用于执行位置、速度解算算法101，执行位置、速度闭环控制算法102，执行电流闭环控制算法103以及执行pwm脉冲产生算法104。

其中，在dsp片内基于硬件编程实现的控制算法包括：位置、速度解算算法101、位置、速度闭环控制算法102、电流闭环控制算法103、pwm脉冲产生算法104，dsp模块10从无线通信模块13获得包含动子位置信息和速度信息的脉冲信号，并利用位置、速度解算算法101解算出该位置值和速度值，该值和从上位机接口电路111获得的期望位置和速度值作差生成位置、速度闭环控制算法102的输入信号，将位置、速度闭环控制算法102输出控制量作为电流参考值，由电流检测反馈模块14获得所述的电动机的电流值的反馈值，即电流检测反馈模块14在dsp模块10的控制下对该电流值进行采样和模数转换后反馈至电流闭环控制算法103，该电流参考值和反馈值作差经电流闭环控制算法103，得到电流输出值，然后再经由pwm脉冲产生算法104生成驱动电机所需的pwm脉冲，该pwm脉冲经由驱动模块15生成相应的控制电流，最终驱动电机00运行，从而可实现对直线电机的控制。

其中，位置、速度解算算法101通过使用脉冲计数模块输出的计数值进行位置、速度解算。示例性地，直线电机动子每移动2τ的距离，得到一个完整的呈正弦分布的反电势信号，要实现电机的控制，则需要将通过动子位置计算得到的电角度与电机反电势信号的相位很好地匹配上。移动2τ所产生的脉冲信号的计数值始终固定，以该计数值为脉冲计数模块的清零标志。在一个周期内，首先通过计数值和原始偏差得到原始角度，然后给其乘以转化系数得到机械角度，再通过机械角度和电机极对数计算得到相应的电角度，速度则可根据解算出来的电角度进行简单计算得到。

基于此，电机驱动信号包括pwm脉冲信号。

在一实施例中，位置检测模块12包括光栅脉冲检测电路121以及磁栅脉冲检测电路122；光栅脉冲检测电路121用于在多定子的电机中，确定动子位于哪个定子的作用范围内；磁栅脉冲检测电路122用于确定动子与与其作用的定子的相对位置信息。

其中，位置检测模块12可包括光栅脉冲检测电路121以及磁栅脉冲检测电路122；其中，光栅脉冲检测电路121主要用于在多定子的情况下，检测动子具体位于哪个定子的作用范围内。当位于定子两端的光栅读数头检测到脉冲信号时，说明动子开始驶入该定子，利用该脉冲信号可以判断动子具体在哪个定子上，并作为开始控制这段定子的开关信号，通过这种控制方式，可以在很大程度上减小整个系统的能耗。即，本公开实施例中，定子端部的光栅读数头得到的脉冲信号可以作为系统开始给定子加控制电流的开关信号，由此极大地降低了系统的能耗。

其中，磁栅脉冲检测电路122检测的脉冲信号则包含了动子和定子的相对位置信息，通过在dsp模块10内对该脉冲信号的计数值进行位置、速度解算，即可得到相应的位置及速度信息。

在一实施例中，电流检测反馈模块14还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。

结合图2和图3，示例性地说明本公开实施例的控制原理，如下：上位机112根据需求给出直线电机动子的期望位置和期望速度，该期望位置和期望速度为电机位置、速度闭环控制算法中的位置、速度参考值。位置检测模块12检测含有位置信息的脉冲信号，经无线通信模块13对该脉冲信号进行计数并无线发送至dsp模块10，利用位置、速度解算算法确定动子相对定子的位置及速度，并将其输入至dsp模块10，作为当前电机动子的位置值及速度值。期望速度值和实际速度值、期望位置值和实际位置值作为dsp模块10中位置、速度闭环控制算法的输入信号；通过位置、速度闭环控制算法判断当前电机需要加速、减速还是保持当前运行状态不变，并生成相应的电流参考值。dsp模块10将采得的电机的电流信号作为电流反馈值，该反馈值和电流参考值经电流闭环控制算法后生成所需的电流输出值，该电流输出值输出至pwm脉冲产生算法，产生驱动控制电动机所需的pwm脉冲，即pwm1至pwm6，再经驱动模块后驱动电机按期望运行。该速度、位置、电流三闭环控制算法使得电机的控制精度大大提高。

在一实施例中，电流检测反馈模块14包括电流传感器、过流保护信号产生电路以及电流传感器接口电路；驱动模块15包括高速光耦隔离电路、驱动电路以及三相逆变桥电路。

在一实施例中，图4为本公开实施例提供的基于无线数据传输的直线电机控制系统的无线通信模块13的通信流程示意图。在图1的基础上，参照图2和图4，无线通信模块13包括无线数据接收模块131、无线数据发送模块132以及脉冲计数模块133；脉冲计数模块133对位置检测模块12输出的脉冲信号进行计数，并将得到的数据通过无线数据发送模块132无线发送至无线数据接收模块131。

其中，无线通信模块13中的脉冲计数模块133从位置检测模块12获得包含直线电机动子位置信息和速度信息的脉冲信号，对该脉冲信号进行计数并无线发送至dsp模块10内，通过位置、速度解算算法101得到位置及速度的反馈值，该值和从上位机112获得的期望位置和速度值作差生成位置、速度闭环控制算法102的输入信号，将位置、速度闭环控制算法102输出控制量作为电流参考值，由电流检测反馈模块14获得所述电动机的电流值的反馈值，该电流参考值和反馈值作差经电流闭环控制算法103，得到电流输出值，然后再经由pwm脉冲产生算法104生成驱动电机所需的pwm脉冲，该pwm脉冲经由驱动模块15生成相应的控制电流，最终驱动电机00的动子按期望运行。

在一实施例中，无线通信模块13采用ti公司cc3220系列芯片。

示例性地，图4给出了本公开的无线通信模块13中数据无线传输流程图。在该模块中，位置检测模块检测得到动子在行驶过程中的含有位置信息的脉冲信号，通过动子在驶入定子时光栅脉冲检测电路得到的脉冲信号确定动子处于哪个定子上，以此为开关信号判断该定子是否通入相应的控制电流，磁栅脉冲检测电路主要检测动子与定子的相对位置，并得到含有该动子位置信息的脉冲信号，然后通过脉冲计数模块对脉冲进行计数，最后，将该计数值无线发送给dsp模块。

无线通信模块13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。首先，在tcp客户端和tcp服务端分别创建自己的套接字，tcp服务端需要绑定端口以便之后在该端口上监听tcp客户端的连接请求，而tcp客户端的端口绑定不是必需的，系统可以自动分配未被使用的端口供其使用。tcp服务端在绑定好端口后被设置在监听状态下，当监听到来自tcp客户端的tcp连接请求后通过各项相关参数确定是否响应该连接请求，当各参数都正确无误的情况下，tcp服务端将接受来自tcp客户端的连接请求，建立tcp连接。在建立好tcp连接后，双方即可实现数据交换的功能，本无线通信模块中，tcp客户端发送数据，tcp服务端接收数据。当数据传输完成后，tcp客户端向tcp服务端发送断开连接请求，tcp服务端在接受tcp客户端的断开连接请求后，将关闭套接字，退出无线数据传输。对于多动子、多定子的直线电机控制系统而言，只需创建多组相对应的无线数据传输通道并将数据接收端接入控制系统即可。

该无线通信模块13(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，无线通信模块13还可采用其他类型的芯片，本公开实施例对此不限定。

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。