一种无霍尔传感器的磁悬浮直线电机及电机控制方法与流程

本发明属于磁悬浮电机领域，尤其涉及一种无霍尔传感器的磁悬浮直线电机，还涉及一种无霍尔传感器的磁悬浮直线电机。

背景技术：

直线电机也称线性电机、线性马达、直线马达、推杆马达，最常用的直线电机类型是平板式、u型槽式和管式，是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。线圈的典型组成是三相，由霍尔元件实现无刷换相。

在现有的磁悬浮直线电机中，霍尔传感器或者霍尔元件是必不可少的检测元件，缺少了霍尔传感器或者霍尔元件基本上不能实现对直线电机的控制。但是霍尔元件是依靠切割磁感线产生感应电动势的原理发挥作用，其在直线电机中最基本的功能是检测到动子的是否运动经过其检测范围，检测动子的位置、速度和方向等参数时往往需要多个霍尔元件配合。在实际的生产中，是定子和霍尔元件间隔设置才能实现基本控制要求，这造成一台电机中需要使用许多霍尔元件，使直线电机的制造成本居高不下，难以实现广泛的市场推广。

技术实现要素：

基于现有技术存在上述问题，本发明提供一种无霍尔传感器的磁悬浮直线电机及配合该电机的控制方法，其包括型材框架、动子、定子和控制器，所述的定子包括三个或者三的整数倍数个电感线圈绕组、三个检测电路和三个驱动电路，所述的检测电路检测对应的电感线圈绕组中产生感应电动势或者感应电流，并将检测数据传输到控制器；所述的驱动电路接收控制器的指令连通对应的电感线圈绕组，形成电磁铁，利用电感线圈绕组配合检测电路实现霍尔传感器的功能，当需要驱动动子时电感线圈绕组为驱动线圈，当不需要驱动时，电感线圈绕组为霍尔传感器，利用电感线圈绕组实现两种功能从而替代霍尔传感器，降低了电机的生产和维护成本。

本发明通过以下详细技术方案达到目的：

一种无霍尔传感器的磁悬浮直线电机，其包括型材框架、动子、定子和控制器，所述的定子固定安装在型材框架内部上方，所述的动子滑动安装在型材框架下方，所述的控制器包括有计时器且电性连接到定子；所述的动子包括滑块和若干整齐排列的永磁磁片，永磁磁片沿行程方向整齐固定排列在滑块顶部且相邻两块永磁磁片的磁极方向相反；所述的定子包括三个或者三的整数倍数个电感线圈绕组、三个检测电路和三个驱动电路，所述电感线圈绕组沿行程方向整齐地排列在型材框架上部，三个连续的电感线圈绕组为一个驱动单元，每个驱动单元的第一个电感线圈绕组串联连接并定义为a相，每个驱动单元的第二个电感线圈绕组串联连接并定义为b相，每个驱动单元的第三个电感线圈绕组串联连接并定义为c相，每相再分别连接一个检测电路和驱动电路，检测电路和驱动电路再分别连接到控制器；所述的检测电路检测对应的电感线圈绕组中产生感应电动势或者感应电流，并将检测数据传输到控制器；所述的驱动电路接收控制器的指令连通对应的电感线圈绕组，形成电磁铁。

其中，所述的直线电机的驱动波形为方波驱动，一个驱动单元对应电机动子的一对极，即每个电感线圈绕组对应2/3π电角度；一个驱动单元中，其中两个电感线圈绕组连通电源作为驱动绕组，另一个电感线圈绕组不连通电源并配合检测电路作为检测绕组，检测绕组能够实现霍尔传感器的功能，充当霍尔传感器，使直线电机无需再另外安装霍尔传感器，降低了生产和维护成本，驱动绕组和检测绕组根据控制器的控制能相互转换；当磁极的极面划过检测绕组时，检测电路检测感应电动势或者感应电流并输出信号，用以控制驱动电路输出驱动波形。

其中，所述的定子的中点位于整个动子行程区域的中点处，定子长度加上动子的长度大于整个动子行程的长度，此时无论动子移动到轨道的任何位置，其始终有一部分与定子重合，定子和动子的重合即可组成一个直线电机为动子提供运动的动力，没有必要在整个动子的行程中布满定子。在满足到动子推力要求的前提下，可以尽可能缩短动子的长度以降低成本；所述的检测电路包括相位检测电路和电流检测电路，三相的相位检测电路并联连接，分别检测每相的相位和电流数据。

一种无霍尔传感器的磁悬浮直线电机控制方法，其通过将不连通电源的电感线圈绕组作为检测电感线圈绕组，利用电路中的相位检测电路和电流检测电路对电感线圈绕组的电磁波相位和感应电流进行采样检测，通过检测数据确定动子的运动状态，再根据运动状态输出驱动波形并控制动子运动。

上述控制方法方法以三组连续的电感线圈绕组作为一个驱动单元，每个驱动单元中沿动子运动方向数起的第一个电感线圈绕组串联连接并定义为a相，所有第二个电感线圈绕组也串联连接并定义为b相，所有第三个电感线圈绕组也串联连接并定义为c相，其详细包括以下步骤：

步骤s10：电机定子进行开环换相并检测动子位置，即控制器先接通a相电感线圈绕组和b相电感线圈绕组的电源，使a相电感线圈绕组和b相电感线圈绕组成为驱动电感线圈绕组；c相电感线圈绕组不接通电源且通过检测电路采样检测c相电感线圈绕组的感应电流大小，使c相电感线圈绕组成为检测电感线圈绕组；a相电感线圈绕组和b相电感线圈绕组接通电源，控制器同时记录a相电感线圈绕组和b相电感线圈绕组接通时间节点并开始计时，a相电感线圈绕组和b相电感线圈绕组接通一段时间内，若c相电感线圈绕组检测不到感应电流，控制器控制强行换相，即控制强行断开其中一相电感线圈绕组电源并接通另一相电感线圈绕组的电源，重复上述过程直至其中一个检测电路检测到感应电流；由于检测绕组的原理是通过检测霍尔效应产生的感应电动势而实现检测功能，所以只有动子在运动时切割磁感线生产感应电动势才会被检测到，静止时是无法被检测到，所以在启动阶段需要进行强制换相，以六种波形中的其中一种波形输出作为启动，再自动轮换变更方波驱动的六种输出波形，直至输出到能驱动动子的波形后，动子运动切割磁感线，即可被检测到并进入正常直线电机的方波驱动流程。

步骤s20：步骤s10检测到感应电流后，由对应的驱动单元开始对动子的运动进行驱动，接通a相电感线圈绕组和b相电感线圈绕组的电源并驱动动子向前运动，控制器在a相电感线圈绕组和b相电感线圈绕组接通的时候开始计时，c相电感线圈绕组持续检测其产生的感应电流大小，当c相电感线圈绕组的感应电流变为0时结束计时，由a相电感线圈绕组和b相电感线圈绕组接通到c相电感线圈绕组的感应电流大小变为0所度过的时间定义为t；c相电感线圈绕组的感应电流变为0时结束计时并重新开始计时，当再度过时间t时进入步骤s30换相，由于动子是多块磁力方向相反的磁铁间隔排列而成，相互之间的磁感线会受到影响，部分动子区域的磁感线会叠加增强，部分区域的磁感线会相互抵消减弱，所以不同磁通量通过线圈绕组会产生不同大小的感应电动势，所以检测绕组产生的电动势会随着动子的运动而变化；

步骤s30：a相电感线圈绕组的状态不变仍然为驱动电感线圈绕组；控制器控制b相电感线圈绕组的电源断开并通过检测电路对b相电感线圈绕组的感应电流进行采样检测，使b相电感线圈绕组作为检测电感线圈绕组；c相电感线圈绕组连通电源作为新的驱动电感线圈绕组；控制器在a相电感线圈绕组和c相电感线圈绕组接通的时候重新开始计时，b相电感线圈绕组持续检测其产生的感应电流大小，当b相电感线圈绕组的感应电流变为0时结束计时，由a相电感线圈绕组和c相电感线圈绕组接通到b相电感线圈绕组的感应电流大小变为0所度过的时间定义为t并刷新原来的t值；b相电感线圈绕组的感应电流变为0时结束计时并重新开始计时，当再度过时间t时进入步骤s40换相；

步骤s40：a相电感线圈绕组的电源断开作为新的检测电感线圈绕组，b相电感线圈绕组以和步骤s20的电流方向相反的方向接通电源替代a相电感线圈绕组作为新的驱动电感线圈绕组，c相电感线圈绕组的状态不变仍然作为驱动电感线圈绕组，记录采集b相电感线圈绕组和c相电感线圈绕组接通到a相电感线圈绕组的感应电流变为0所度过的时间，并刷新t值，再次经过时间t后进入步骤s50换相；

步骤s50：c相电感线圈绕组的电源断开作为新的检测电感线圈绕组，a相电感线圈绕组以和步骤s20的电流方向相反的方向接通电源替代c相电感线圈绕组作为新的驱动电感线圈绕组，b相电感线圈绕组的状态不变仍然作为驱动电感线圈绕组，记录采集b相电感线圈绕组和a相电感线圈绕组接通到c相电感线圈绕组的感应电流变为0所度过的时间，并刷新t值，再次经过时间t后进入步骤s60换相；

步骤s60：b相电感线圈绕组的电源断开作为新的检测电感线圈绕组，c相电感线圈绕组以和步骤s30的电流方向相反的方向接通电源替代b相电感线圈绕组作为新的驱动电感线圈绕组，a相电感线圈绕组的状态不变仍然作为驱动电感线圈绕组，记录采集c相电感线圈绕组和a相电感线圈绕组接通到b相电感线圈绕组的感应电流变为0所度过的时间，并刷新t值，再次经过时间t后进入步骤s70换相；

步骤s70：a相电感线圈绕组的电源断开作为新的检测电感线圈绕组，b相电感线圈绕组以和步骤s20的电流方向相同的方向接通电源替代a相电感线圈绕组作为新的驱动电感线圈绕组，c相电感线圈绕组的状态不变仍然作为驱动电感线圈绕组，记录采集c相电感线圈绕组和b相电感线圈绕组接通到a相电感线圈绕组的感应电流变为0所度过的时间，并刷新t值，再次经过时间t后重复步骤s20-步骤s70换相，直至动子运动到预定的位置，步骤s20-步骤s70分别输出方波驱动的六种输出波形，对应圆形电机的一个旋转周期，所以步骤s20-步骤s70是一个重复的过程。

其中，所述的步骤s70包括步骤s71，当动子到达指定位置时，控制器控制停止换相并保持各相电感线圈绕组的通电状态不变，直至动子停止运动后，断开所有电感线圈绕组的电源，动子到达指定位置后断开电源可以节省电能，也可以方便手动推动挂在动子上的门窗或者其他物品，如果一直处于通电状态，既浪费电能，也因为线圈绕组通电产出吸力，使物品无法被手动推动。

其中，所述的一种无霍尔传感器的磁悬浮直线电机控制方法还包括步骤s80计算速度，每次计时得出t值时，控制器以一个电感线圈绕组沿行程方向的长度d计算路程，路程s=d*3/6，以t值作为时间计算出动子的平均速度v=s/2t；所述的步骤s80从步骤s20起持续执行直至动子到达指定位置。

其中，所述的步骤s80还包括步骤s81计算行走路程，换相次数定义为a，动子走过的总路程s=ad*3/6；将电机视作坐标轴，电机其中一端视为坐标轴0点，动子起始位置加上路程s即为到达的位置。

其中，所述的步骤s80还包括步骤s82动子位置修正，在电源正常的情况下，当检测电路突然检测不到感应电流即为动子到达电机尽头或遇到障碍物，控制器重新根据动子的移动方向重新定义电机动子位置参数为最大值、0点或者位置参数最小值点，为了避免动子运动轨道终点时对轨道两端尽头进行撞击，在电机首次通电使用时，电机首先会进入一个自动学习的过程，即以低速驱动动子在轨道上行走，直至检测到动子走到轨道一端尽头时记录一次行程端点，再反方向驱动动子到另一端尽头，再记录另一端的行程端点，利用步骤s81的方法即计算出总行程，结合行程两端的端点利用编码器即可生成一个对应控制直线坐标系。在正常使用中动子运动时，控制器可以利用控制直线坐标系结合预先记录的起点和步骤s81的方法估算出动子的位置，实现霍尔传感器的检测动子位置的功能，当到达行程尽头时，控制器可以控制动子降速和停止，避免对轨道终点进行撞击。但当在电机动子被手动推动过后，动子实际位置和控制器估算位置出现偏差，此时动子运动到轨道尽头时会发生碰撞且控制器记录中动子还处在非终点处，此时即会执行步骤s82对记录位置进行修正，避免下次的运动碰撞，也弥补了没有霍尔传感器，不能精准定位的缺陷，在实际使用中配合其他智能控制器使用时，基本无需手动推动动子，所以低成本的优势远远大于动子偶尔碰撞的缺陷产出的不良影响。

其中，所述的步骤s10中a相电感线圈绕组和b相电感线圈绕组接通电源后的一段时间为开环换相时间，所述的开环换相的时间间隔为0.2-2秒，开环换相的时间可以根据实际需求进行调整。

附图说明

图1，一种无霍尔传感器的磁悬浮直线电机的连接示意图。

图2，一种无霍尔传感器的磁悬浮直线电机的动子和定子结构示意图。

图3，实施例中一种无霍尔传感器的磁悬浮直线电机驱动电路图。

图4，实施例中一种无霍尔传感器的磁悬浮直线电机电流检测电路图。

图5，实施例中一种无霍尔传感器的磁悬浮直线电机三相相位检测电路图。

图6，一种无霍尔传感器的磁悬浮直线电机的一个驱动周期的驱动波形的感应电动势图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的描述。

如图1所以的一种无霍尔传感器的磁悬浮直线电机，其包括型材框架、动子、定子和控制器，所述的定子固定安装在型材框架内部上方，所述的动子滑动安装在型材框架下方，所述的控制器包括有计时器且电性连接到定子；所述的动子包括滑块和若干整齐排列的永磁磁片1，永磁磁片1沿行程方向整齐固定排列在滑块顶部且相邻两块永磁磁片1的磁极方向相反；所述的定子包括三个或者三的整数倍数个电感线圈绕组2、三个如图3所示的检测电路和三个如图2所示的驱动电路，所述电感线圈绕组2沿行程方向整齐地排列在型材框架上部，三个连续的电感线圈绕组2为一个驱动单元，每个驱动单元的第一个电感线圈绕组2串联连接并定义为a相，每个驱动单元的第二个电感线圈绕组2串联连接并定义为b相，每个驱动单元的第三个电感线圈绕组2串联连接并定义为c相，每相再分别连接一个检测电路和驱动电路，检测电路和驱动电路再分别连接到控制器；所述的检测电路检测对应的电感线圈绕组2中产生感应电流，并将检测数据传输到控制器；所述的驱动电路接收控制器的指令连通对应的电感线圈绕组2，形成电磁铁。

作为优选实施例，所述的直线电机的驱动波形为方波驱动，一个驱动单元对应电机动子的一对极，即每个电感线圈绕组2对应2/3π电角度；一个驱动单元中，其中两个电感线圈绕组2连通电源作为驱动绕组，另一个电感线圈绕组2不连通电源并配合检测电路作为检测绕组，驱动绕组和检测绕组根据控制器的控制能相互转换；当磁极的极面划过检测绕组时，检测电路检测感应电流并输出信号，用以控制驱动电路输出驱动波形。

作为优选实施例，所述的定子的中点位于整个动子行程区域的中点处，定子长度加上动子的长度大于整个动子行程的长度；所述的检测电路包括相位检测电路和电流检测电路，三相的相位检测电路并联连接。

上述无霍尔传感器的磁悬浮直线电机使用的控制方法，其首先通过将不连通电源的电感线圈绕组2作为检测电感线圈绕组2，利用电路中的相位检测电路和电流检测电路对电感线圈绕组2的电磁波相位和感应电流进行采样检测，通过检测数据确定动子的运动状态，再根据运动状态输出驱动波形并控制动子运动。

作为优选实施例，该方法以三组连续的电感线圈绕组2作为一个驱动单元，每个驱动单元中沿动子运动方向数起的第一个电感线圈绕组2串联连接并定义为a相，所有第二个电感线圈绕组2也串联连接并定义为b相，所有第三个电感线圈绕组2也串联连接并定义为c相，其详细包括以下步骤：

步骤s10：电机定子进行开环换相并检测动子位置，即控制器先接通a相电感线圈绕组2和b相电感线圈绕组2的电源，使a相电感线圈绕组2和b相电感线圈绕组2成为驱动电感线圈绕组2；c相电感线圈绕组2不接通电源且通过检测电路采样检测c相电感线圈绕组2的感应电流大小，使c相电感线圈绕组2成为检测电感线圈绕组2；a相电感线圈绕组2和b相电感线圈绕组2接通电源，控制器同时记录a相电感线圈绕组2和b相电感线圈绕组2接通时间节点并开始计时，a相电感线圈绕组2和b相电感线圈绕组2接通0.5s内，若c相电感线圈绕组2检测不到感应电流，控制器控制强行换相，即控制强行断开其中一相电感线圈绕组2电源并接通另一相电感线圈绕组2的电源，重复上述过程直至其中一个检测电路检测到感应电流；

步骤s20：步骤s10检测到感应电流后，由对应的驱动单元开始对动子的运动进行驱动，接通a相电感线圈绕组2和b相电感线圈绕组2的电源并驱动动子向前运动，控制器在a相电感线圈绕组2和b相电感线圈绕组2接通的时候开始计时，c相电感线圈绕组2持续检测其产生的感应电流大小，当c相电感线圈绕组2的感应电流变为0时结束计时，由a相电感线圈绕组2和b相电感线圈绕组2接通到c相电感线圈绕组2的感应电流大小变为0所度过的时间定义为t；c相电感线圈绕组2的感应电流变为0时结束计时并重新开始计时，当再度过时间t时进入步骤s30换相；

步骤s30：a相电感线圈绕组2的状态不变仍然为驱动电感线圈绕组2；控制器控制b相电感线圈绕组2的电源断开并通过检测电路对b相电感线圈绕组2的感应电流进行采样检测，使b相电感线圈绕组2作为检测电感线圈绕组2；c相电感线圈绕组2连通电源作为新的驱动电感线圈绕组2；控制器在a相电感线圈绕组2和c相电感线圈绕组2接通的时候重新开始计时，b相电感线圈绕组2持续检测其产生的感应电流大小，当b相电感线圈绕组2的感应电流变为0时结束计时，由a相电感线圈绕组2和c相电感线圈绕组2接通到b相电感线圈绕组2的感应电流大小变为0所度过的时间定义为t并刷新原来的t值；b相电感线圈绕组2的感应电流变为0时结束计时并重新开始计时，当再度过时间t时进入步骤s40换相；

步骤s40：a相电感线圈绕组2的电源断开作为新的检测电感线圈绕组2，b相电感线圈绕组2以和步骤s20的电流方向相反的方向接通电源替代a相电感线圈绕组2作为新的驱动电感线圈绕组2，c相电感线圈绕组2的状态不变仍然作为驱动电感线圈绕组2，记录采集b相电感线圈绕组2和c相电感线圈绕组2接通到a相电感线圈绕组2的感应电流变为0所度过的时间，并刷新t值，再次经过时间t后进入步骤s50换相；

步骤s50：c相电感线圈绕组2的电源断开作为新的检测电感线圈绕组2，a相电感线圈绕组2以和步骤s20的电流方向相反的方向接通电源替代c相电感线圈绕组2作为新的驱动电感线圈绕组2，b相电感线圈绕组2的状态不变仍然作为驱动电感线圈绕组2，记录采集b相电感线圈绕组2和a相电感线圈绕组2接通到c相电感线圈绕组2的感应电流变为0所度过的时间，并刷新t值，再次经过时间t后进入步骤s60换相；

步骤s60：b相电感线圈绕组2的电源断开作为新的检测电感线圈绕组2，c相电感线圈绕组2以和步骤s30的电流方向相反的方向接通电源替代b相电感线圈绕组2作为新的驱动电感线圈绕组2，a相电感线圈绕组2的状态不变仍然作为驱动电感线圈绕组2，记录采集c相电感线圈绕组2和a相电感线圈绕组2接通到b相电感线圈绕组2的感应电流变为0所度过的时间，并刷新t值，再次经过时间t后进入步骤s70换相；

步骤s70：a相电感线圈绕组2的电源断开作为新的检测电感线圈绕组2，b相电感线圈绕组2以和步骤s20的电流方向相同的方向接通电源替代a相电感线圈绕组2作为新的驱动电感线圈绕组2，c相电感线圈绕组2的状态不变仍然作为驱动电感线圈绕组2，记录采集c相电感线圈绕组2和b相电感线圈绕组2接通到a相电感线圈绕组2的感应电流变为0所度过的时间，并刷新t值，再次经过时间t后重复步骤s20-步骤s70换相，直至动子运动到预定的位置。

作为优选实施例，所述的步骤s70包括步骤s71，当动子到达指定位置时，控制器控制停止换相并保持各相电感线圈绕组2的通电状态不变，直至动子停止运动后，断开所有电感线圈绕组2的电源。

作为优选实施例，该方法还包括步骤s80计算速度，每次计时得出t值时，控制器以一个电感线圈绕组2沿行程方向的长度d计算路程，路程s=d*3/6，以t值作为时间计算出动子的平均速度v=s/2t；所述的步骤s80从步骤s20起持续执行直至动子到达指定位置。

作为优选实施例，所述的步骤s80还包括步骤s81计算行走路程，换相次数定义为a，动子走过的总路程s=ad*3/6；将电机视作坐标轴，电机其中一端视为坐标轴0点，动子起始位置加上路程s即为到达的位置。

作为优选实施例，所述的步骤s80还包括步骤s82动子位置修正，在电源正常的情况下，当检测电路突然检测不到感应电流即为动子到达电机尽头或遇到障碍物，控制器重新根据动子的移动方向重新定义电机动子位置参数为最大值、0点或者行程参数最小值点，当动子运动方向是向坐标系的位置参数增大方向运动时发生终点碰撞，将控制器中的动子位置参数修正为最大值；当动子运动方向是向坐标系的位置参数减少方向运动时发生终点碰撞，将控制器中的动子位置参数修正为0点或者位置参数最小值点。

采用上述的直线电机，在制作安装的时候可以省去安装霍尔传感器，控制系统通过算法利用现有的结构补充霍尔传感器的功能，使直线电机在没有安装霍尔传感器的情况下实现自动运行、控制速度和行程、遇阻停止和自动修正等半智能化的功能，大大节省生产和维护成本，由于结构的简化，同时也降低了零件的损坏概率，降低了自动化磁悬浮门窗的成本和售价，从而有利于推进家居自动化和智能化。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。