專利名稱：直流電機位置控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機控制方法，尤其是一種控制直流電機角位移的方法，該方法同樣適用于控制直流伺服電機或力矩電機的位置。
背景技術(shù)：
目前，公知的直流電機位置控制采用反饋控制的方法。在由直流電機執(zhí)行機構(gòu)、可逆功率驅(qū)動器、位置檢測傳感器、電壓比較放大器組成閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)中，將位置指令信號和位置檢測信號進行比較，產(chǎn)生誤差信號。然后再對誤差信號進行控制運算，其輸出信號作為可逆驅(qū)動器的控制信號，由可逆功率驅(qū)動器驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子向減少位置誤差的方向轉(zhuǎn)動，最終使位置誤差降低為零或某一允許范圍內(nèi)。專利申請?zhí)枮?00410005999.5名稱為《電機控制裝置及電機方法》的中國專利介紹了按照逆變器驅(qū)動電機非通電相的感應(yīng)電壓來估計轉(zhuǎn)子的位置，根據(jù)估計的結(jié)果，將脈寬調(diào)制的開關(guān)信號輸送到逆變器來控制電機的輸出電壓，從而控制轉(zhuǎn)動位置，該專利的電機位置控制采用電壓反饋控制的方法。
對于誤差的控制運算目前使用的是乘以常數(shù)，對其積分，微分或幾種運算的組合，即比例控制(P)，比例加積分控制(PI)，比例加積分加微分控制(PID)。前向控制回路中對誤差每增加一種運算，事實上對位置指令信號和位置檢測信號同時增加了控制運算。對位置指令信號的每一種運算就相當(dāng)于在整個控制系統(tǒng)的微分方程的右邊增加一個強迫項，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)“一仆多主”的現(xiàn)象。這樣，直流電機實際的位置輸出就不能精確復(fù)現(xiàn)位置指令信息。因此，一般的PID位置控制方法位置跟蹤精度差，對階躍輸入的指令信號其輸出位置動態(tài)相應(yīng)存在超調(diào)和振蕩現(xiàn)象。由于對于信號微分時取其變化率，實際信號中混雜各種噪聲和高頻干擾。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服了現(xiàn)有電機位置反饋控制方法存在的問題，改進和提高位置控制性能。本發(fā)明提供了一種新的控制方法，可以使直流電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)任何角度。位置指令不變時，保持轉(zhuǎn)子在某一固定角度不動；位置指令改變時，轉(zhuǎn)子角度也隨之改變。位置指令可以是角位移也可以是線性位移。即該控制方法不僅能提高直流電機的靜態(tài)跟蹤性能，而且能改善位置控制的動態(tài)響應(yīng)現(xiàn)象。同時，該控制方法還能使直流電機及所帶動的執(zhí)行機構(gòu)具有較強的負(fù)載能力和抗干擾能力。
本發(fā)明的技術(shù)方案是在控制系數(shù)前向通道中對誤差僅采用積分運算，在反饋回路中將被控變量位置信號進行微分后，又再次在前向通道中對其進行積分，仍得原來的信號。則可將反饋回路中對位置信號微分項取消，將反饋信號的一路接比較器，另一路直接送到積分器后面的相加點，即前饋回路對誤差只有積分運算，反饋回路中控制功能上實現(xiàn)了對被控變量的微分，而控制系統(tǒng)具體實施時，并不需要對被控變量進行微分或可以降低微分階次的偽微分反饋控制。
對直流電機位置反饋控制方法采用內(nèi)，外兩個反饋控制環(huán)嵌套結(jié)合方法，內(nèi)環(huán)實現(xiàn)角速度信號反饋，外環(huán)實現(xiàn)角位移信號反饋，內(nèi)、外兩個環(huán)各自都是偽微分反饋控制方法，采用這種位置反饋控制方法同時具有速度反饋和位置反饋。內(nèi)、外兩個環(huán)的偽微分反饋控制各有兩個控制參數(shù)可調(diào)，其中兩個是內(nèi)、外兩個環(huán)的積分器控制參數(shù)，另兩個是內(nèi)、外兩個環(huán)反饋控制參數(shù)。通過四個控制參數(shù)的整定，可使直流電機位置控制具有優(yōu)良的靜態(tài)性能和動態(tài)性能。
四個控制參數(shù)Ki1(外環(huán)積分控制參數(shù))、Ki2(內(nèi)環(huán)積分控制參數(shù))、Kd1(外環(huán)微分控制參數(shù))和Kd2(內(nèi)環(huán)微分控制參數(shù))，可根據(jù)下列給出的公式進行計算，作為其初始整定值，然后再根據(jù)實際情況作適當(dāng)調(diào)整。
Ki1=1.34MmaxJRml]]>Ki2=40.5MmaxRml]]>Kd1=2.31(MmaxJRml)0.5]]>Kd2=12.7(JMmaxRml)-B]]>式中J為被控對象的等效慣量；B為阻尼系數(shù)；Mmax為驅(qū)動器能夠輸出的最大電壓；Rml為線性范圍內(nèi)位置參考輸入。
本發(fā)明的一個優(yōu)選方案是在運算放大器組成直流電機位置控制的模擬電路控制系統(tǒng)內(nèi)，其內(nèi)環(huán)是偽微分反饋控制的速度環(huán)，外環(huán)是偽微分反饋控制的的位置環(huán)。具有四個控制參數(shù)可以調(diào)節(jié)，其中兩個是內(nèi)、外兩個環(huán)的積分器控制參數(shù)，另兩個是內(nèi)、外兩個環(huán)反饋控制參數(shù)。
本發(fā)明的另一個優(yōu)選方案是在數(shù)字計算機和輸入、輸出采集卡組成的數(shù)字電路控制系統(tǒng)內(nèi)，控制軟件包含兩個反饋控制程序流程，其中一個環(huán)對速度進行偽微分反饋控制運算，另一個環(huán)對位置進行偽微分反饋控制運算。控制運算時有四個參數(shù)可以設(shè)置。
本發(fā)明的有益效果是，可以控制直流電機的角位移，進而可以控制電機所帶動的生產(chǎn)機械的角位移或線位移。不僅位置控制靜態(tài)精度可以提高。而且動態(tài)響應(yīng)性能獲得改善。對階躍輸入的位置指令信號能使輸出位置快速平穩(wěn)地達到穩(wěn)態(tài)值，無超調(diào)和振蕩現(xiàn)象，同時該控制方法還具有較強地負(fù)載能力和抗外界干擾能力。


下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明進一步說明圖1是直流電機位置控制的原理圖。
圖2是直流電機位置控制的方塊3是直流電機位置控制第一個實施例的模擬電器元件控制電路4是直流電機位置控制第二個實施例的數(shù)字計算機控制編程流程圖。
圖1中，1.位置控制命令，2.外環(huán)比較器，3.外環(huán)微分反饋控制器，4.內(nèi)環(huán)比較器，5.內(nèi)環(huán)偽微分反饋控制器，6.驅(qū)動器，7.直流電機，8.速度檢測傳感器，9.位置檢測傳感器具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述圖1中，位置控命令1產(chǎn)生的位置指令信號和由位置檢測傳感器9檢測到的實際位置信號同時送到外環(huán)比較器2進行比較，產(chǎn)生的誤差信號經(jīng)外環(huán)偽微分反饋控制器3控制運算后作為內(nèi)環(huán)的控制命令。由于內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，這一控制器實際上就是內(nèi)環(huán)的速度指令信號，它和由速度檢測傳感器8檢測到的實際速度信號同時送到內(nèi)環(huán)比較器4進行比較，產(chǎn)生的誤差信號經(jīng)內(nèi)環(huán)偽微分反饋控制器5控制運算后作為驅(qū)動器6的控制命令，然后由驅(qū)動器驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動到所要求的位置。位置控制命令改變，電機位置也隨之改變，若所帶負(fù)載在一定限度內(nèi)變化或存在外界干擾，只要位置控制命令不變，電機位置仍能保持固定不動。
圖2是直流電機位置控制的方塊圖，每一方塊表示一個控制環(huán)節(jié)，各個控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)如圖方塊文字所示。內(nèi)，外兩個偽微分反饋控制器由積分環(huán)節(jié)，比例環(huán)節(jié)和相加環(huán)節(jié)組成。直流電機位置控制系統(tǒng)實施時，首先辨識被控制對象的數(shù)學(xué)模型及其參數(shù)，被控對象由電機，變速機構(gòu)及所帶機械負(fù)載組成。若被控對象的等效慣量為J，等效粘性摩擦系數(shù)為B，驅(qū)動器能夠輸出的最大電壓為Mmax，線性范圍內(nèi)位置參考輸入為Rml，則四個控制參數(shù)Ki1，Ki2，Kd1，和Kd2可根據(jù)給出的公式進行計算，作為其初始整定值，然后再根據(jù)實際情況作適當(dāng)調(diào)整。
圖3所示實施例采用運算放大器組成直流電機位置控制的模擬控制電路，外環(huán)比較器2實質(zhì)為減法器，由運算放大器A1及電阻R1-R4組成；外環(huán)偽微分反饋控制器3由積分器，加法器和反相器組成，其中積分器由運算放大器A2，電阻R5和電容C1組成，加法器由運算放大器A3及電阻R6-R11組成。反相器則由運算放大器A4及電阻R12-R13組成；運算放大器A5接成跟隨器形式，進行阻抗變換，提高傳感器的負(fù)載能力，輸入端接位置傳感器送來的反饋檢測信號，輸出接到外環(huán)比較器的負(fù)相端。內(nèi)環(huán)比較器4也為減法器，由運算放大器A及電阻R14-R17組成；外環(huán)偽微分反饋控制器5由積分器，加法器和反饋器組成，其中積分器由運算放大器A7，電阻R18和電容C2組成，加法器由運算放大器A8及電阻R19-R24組成，反相器則由運算放大器A9及電阻R25-R26組成；運算放大器A10接成跟隨器形式，進行阻抗變換，提高傳感器的負(fù)載能力，輸入端接速度傳感器送來的反饋檢測信號，輸出接到內(nèi)環(huán)比較器的負(fù)相端。
電阻R1-R4，R12-R13，R14-R17，及R25-R26均可取100KΩ或10KΩ等值的精密電阻。電阻R5，電容C1以及電位器P1的取值由控制參數(shù)Kil決定，電阻R6-R11以及電位器P3的取值由控制參數(shù)Ki2決定，電阻R6-R11以及電位器P2的取值由控制參數(shù)Kd11決定，電阻R19-R24以及電位器P4的取值由控制參數(shù)Kd12決定。電位器P1，P2，P3和P4采用10圈精密電位器圖4所示的另一實施例采用計算機組成數(shù)字控制系統(tǒng)，這是直流電機位置控制的程序流程圖。計算機控制配備數(shù)據(jù)采集卡，應(yīng)具有模擬量輸入，模擬量輸出，數(shù)字量輸入，數(shù)字量輸出，高速計數(shù)輸入這五項功能。位置控制命令1由計算機鍵盤輸入，外環(huán)比較器2，外環(huán)偽微分反饋控制器3，內(nèi)環(huán)比較器4，內(nèi)環(huán)偽微分反饋控制器5，由計算機編程實現(xiàn)。速度檢測傳感8，和位置檢測傳感器9采用光電編碼器，直接讀取數(shù)字脈沖計數(shù)信號，然后計算獲得速度信號和位置信號。
權(quán)利要求
1.一種直流電機位置控制方法，其特征是對直流電機位置反饋控制方法采用內(nèi)、外兩個反饋控制環(huán)嵌套結(jié)合方法，內(nèi)環(huán)實現(xiàn)角速度信號反饋，外環(huán)實現(xiàn)角位移信號反饋，內(nèi)、外兩個環(huán)各自都是偽微分反饋控制方法，內(nèi)、外兩個環(huán)的偽微分反饋控制各有兩個控制參數(shù)可調(diào)，一個是積分控制參數(shù)，其中兩個是內(nèi)、外兩個環(huán)的積分器控制參數(shù)，另兩個是內(nèi)、外兩個環(huán)反饋控制參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機位置控制系統(tǒng)，其特征是四個控制參數(shù)Ki1，Ki2，Kd1，和Kd2根據(jù)下列給出的公式進行計算，作為其初始整定值，然后再根據(jù)實際情況作適當(dāng)調(diào)整Ki1=1.34MmaxJRml]]>Ki2=40.5MmaxRml]]>Kd1=2.31(MmaxJRml)0.5]]>Kd2=12.7(JMmaxRml)-B]]>式中Ki1為外環(huán)積分控制參數(shù)；Ki2為內(nèi)環(huán)積分控制參數(shù)；Kd1為外環(huán)微分控制參數(shù)；Kd2為內(nèi)環(huán)微分控制參數(shù)；J為被控對象的等效慣量；B為阻尼系數(shù)；Mmax為驅(qū)動器能夠輸出的最大電壓；Rml為線性范圍內(nèi)位置參考輸入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機位置控制系統(tǒng)，其特征是在運算放大器組成直流電機位置控制的模擬電路控制系統(tǒng)內(nèi)，其內(nèi)環(huán)是偽微分反饋控制的速度環(huán)，外環(huán)是偽微分反饋控制的的位置環(huán)；具有四個控制參數(shù)可以調(diào)節(jié)，其中兩個是內(nèi)、外兩個環(huán)的積分器控制參數(shù)，另兩個是內(nèi)、外兩個環(huán)反饋控制參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機位置控制系統(tǒng)，其特征是在數(shù)字計算機和輸入、輸出采集卡組成的數(shù)字電路控制系統(tǒng)內(nèi)，控制軟件包含兩個反饋控制程序流程，其中一個環(huán)對速度進行偽微分反饋控制運算，另一個環(huán)對位置進行偽微分反饋控制運算，控制運算時有四個參數(shù)可以設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠控制直流電機位置的方法。在由控制器、驅(qū)動器、直流電機和檢測傳感器組成直流電機角位移反饋控制系統(tǒng)內(nèi)，其中控制器的控制方法是由內(nèi)，外兩個閉環(huán)嵌套結(jié)合而成，每個閉環(huán)都采用偽微分反饋控制方法，內(nèi)環(huán)實現(xiàn)直流電機角速度反饋，外環(huán)實現(xiàn)直流電機角位移反饋。通過對內(nèi)、外的積分控制參數(shù)和內(nèi)、外兩個環(huán)反饋控制參數(shù)共四個控制參數(shù)的整定，不僅位置控制靜態(tài)精度可以提高，而且動態(tài)響應(yīng)性能獲得改善，對階躍輸入的位置指令信號能使輸出位置快速平穩(wěn)地達到穩(wěn)態(tài)值，無超調(diào)和振蕩現(xiàn)象。該方法還適用于控制直流伺服電機或力矩電機的位置。該控制方法還具有較強的負(fù)載能力和抗外界干擾能力。
文檔編號H02P7/00GK1773837SQ20051009507
公開日2006年5月17日 申請日期2005年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月28日
發(fā)明者曾文火 申請人:江蘇科技大學(xué)