CN100347946C - 直流电机的伺服驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流电机伺服驱动器，该驱动器具有设置在电机输出端的用于检测电机转速和电枢电流的反馈单元；和存贮有预先设定的电机转速和转矩及位置的期望值的主控单元；以及由主控单元的输出信号控制的并施加在电机输入端的执行单元。该种控制方式可提高系统的响应速度，且可实现位置和速度及转矩全方位控制，使被控电机能输出所期望的速度和转矩及位置值，该种电机非常适合于控制如电梯等需要低转速大转矩的场合，而且还可以节约电能。

Description

直流电机的伺服驱动器

本发明涉及一种用于控制电机转速及转矩的伺服控制装置，特别是涉及一种用于直流电机的伺服驱动器。

背景技术：

直流电机至少应该包括可产生磁场的主磁极和产生电磁转矩和感应电势的电枢这二部分。由于直流电机具有方便调速，启动和制动方便，及能承受冲击负荷等优良特性，故被广泛地应用于工业自动化、机器人、数控机床等诸多领域。但，由于电机的电磁转矩与电枢电流和励磁电流的大小成正比例关系，而直流电机要想获得低速和大转矩的输出，现有技术的解决方案只是采用增大电机的励磁电流和/或电枢电流方式。然而，励磁电流和电枢电流的增加必须导致电能消耗的增大，同时也带来转速的提高。而对于有些被拖动设备需要大转矩和低转速的场合，如使用传统方式控制电机只能通过减速器等设备来实现间接拖动，这种方式能进一步增大拖动成本。

在现有技术中，一种解决方案是采用调整电流的方式来解决转速和转矩问题，较先进的方案是采用比例积分微分控制器(PID)来控制电枢电流。该种控制方案是想通过对电机输入恒定的电流，以使电机的转速逐渐增加，而当其转速增加到设定的期望值以后，再通过速度调节器将输入的电压变负值，并使速度调节器开始退饱和，以使电流的输入变小，从而来控制电枢或电机转速。但，在该种控制方式中，只要电枢电流比负载所需要的电流大，电机仍然会继续加速，直至电枢电流与负载所需电流达到基本平衡电机才能停止加速，所以，该种控制方式即使电流能被控制在期望值以内，其转动速度也须再经过一段调节过程，且其调节时间相对较长，超调量较大。到目前为止，直流电机系统输出特性还是一个亟待解决的问题

发明内容：

本发明的任务是提供一种用于驱动直流电机的伺服驱动器，该驱动器可对电机的位置、速度和转矩实现智能控制。

本发明所提出的直流电机的伺服驱动器具有设置在电机输出端的用于检测电机转速和电枢电流的反馈单元；和主控单元，该主控单元内存贮有预先设定的电机转速和转矩及位置的期望值，用于接收所述反馈单元的检测数据并与所述期望值进行比较以对电机发出控制指令的比较单元；以及由主控单元的输出信号控制的并施加在电机输入端的执行单元，所述主控单元内设置有模糊控制单元和自整定控制单元，当主控单元接收速度输出值的反馈信号后并通过比较单元与期望速度输出值比较，如两者相差预定数值通过模糊控制单元调整，而其相差较小的预定数值通过自整定控制器调整。所述自整定控制器由比例积分微分控制单元组成。

所述反馈单元包括用于检测电枢电流的电流反馈组件和用于检测电机转速的速度反馈组件。

所述电流反馈组件可由具有自身带有放大和模数转换功能的电流传感器构成，或者由取样电阻和将该取样电阻取出的电流信号放大的放大器，及对经放大后的电流模拟信号转换成数字信号的模数转换器构成。所述速度反馈组件由用以周期地对所述电机输出转速进行采样的编码器和与该编码器输出端相接的可将数据输入到所述主控单元内数据预处理模块构成。

所述执行单元具有功率驱动单元和通过该功率驱动单元驱动的并施加在电机上的用于操纵电机转速的逆变电路。

所述主控单元由现场可编程逻辑模块或单片机构成，且该可编程逻辑模块上设置有可与键盘、显示器、通讯相接的接口。

所述主控单元内还设置有电流控制环，且该电流控制环采用比例和积分控制单元控制。

本发明所提出的用于直流电机的伺服驱动器通过反馈单元实时地采集电机输出的速度信号，如果该信号与设定的期望值相差较大时采用模糊控制单元控制，而相差较小时采用比例和积分控制单元控制该种控制方式可提高系统的响应速度；同时，该种伺服驱动器可实现位置和速度及转矩全方位控制，使被控电机能输出所期望的速度和转矩及位置值，该种电机非常适合于控制如电梯等需要低转速大转矩的场合，不仅可减少变速箱等部件，而且还可以节约电能；此外，该种驱动方式采用现有的功能模块就可实现，所以，该驱动器并不会增加多少成本。

附图说明：

附图1是本发明所提出的伺服驱动器一个实施例的原理框图；

附图2是本发明所提出的伺服驱动器接口框图；

附图3是图1中主控单元的伺服控制原理示意图；

附图4是图3中速度环的控制方案图；

附图5是图4中模糊控制单元的控制原理示意图；

附图6是自整定比例积分微分控制单元的控制原理示意图。

具体实施方式：

参见图1和图2，这两个图给出本发明所提出的直流电机伺服驱动器一个实施例的控制原理框图。该实施例中的伺服驱动器包括整流模块Z、滤波电容C、反馈单元和主控单元FPGA。反馈单元包括电流反馈组件Df和速度反馈组件Cf。

电流反馈组件Df由与电机D的电枢电流相连接的取样电阻Df1和将该取样电阻Df1取出的电流信号放大的放大器Df2，再将经放大后的电流模拟信号转换成数字信号的模数转换器A/D构成。电流反馈组件Df也可以由具有自身带有放大和模数转换功能的电流传感器构成。速度反馈组件Cf包括安装在电机输出端的编码器Cf1和用于接收该编码器Cf1输出信号的数据预处理模块CPLD。该编码器Cf1用以周期地对所述电机D输出转速进行采样，而数据预处理模块CPLD是由可编程逻辑模块构成，也可成为主控单元FPGA的一部分。执行单元ZC由功率驱动单元ZC1和施加在电机上的用于操纵电机转速的逆变电路ZC2构成，功率驱动单元ZC1可采用现有的功率模块，它可将FPLA输出信号放大以作为逆变电路ZC2的输入电源。逆变电路ZC2可为电机D提供两个方向转动的电能。

主控单元FPLA可由现场可编程逻辑模块或单片机构成，它具有速度设定、转矩设定、位置设定、通讯模块、键盘输入和显示模块等多个接口，其中，在主控单元FPLA的1和2脚分别是速度设定和转矩设定接口，且在两者之间安装有A/D转换器，其3、4、5脚为位置设定接口，6脚为报警输出接口，7脚为正反向禁止接口，8脚为通讯接口，9脚为数字I/O接口，10脚为模拟I/O接口。

交流电经整流模块Z和滤波电容C整流滤波后将直流电输入到电机D的输入端，由主控单元FPLA向功率驱动单元ZC1发出指令信号，并通过反馈单元实时检测电机D的转速和位置及转矩信号，再将该反馈信号输入到主控单元FPLA内与其内预先设定的期望值进行比较，且由主控单元FPLA将比较后的结果进行处理后再输出给执行单元ZC。

参见图3，该图给出主控单元FPLA的伺服控制原理示意图。从图3中可以看出，该伺服驱动器依次设置有位置环、速度环和电流环这三个控制环，其中，电流反馈信号与位置环的输入端连接，速度反馈信号与速度环的输入端连接。

参见图4，该图给出速度环的一个实施例的控制方案。速度环包括比较单元SS模糊控制单元及自整定控制单元，当主控单元FPLA接收速度的反馈信号后通过比较单元SS与期望速度输出值比较，如两者的差值e与预定的期望值相差较大时，通过模糊控制单元调整，而其相差较小时通过自整定控制器即PID调整。

Claims (8)

1.一种直流电机伺服驱动器，其特征在于具有：

设置在电机输出端的用于检测电机转速和电枢电流的反馈单元；和主控单元，该主控单元内存贮有预先设定的电机转速和转矩及位置的期望值，用于接收所述反馈单元的检测数据并与所述期望值进行比较以对电机发出控制指令的比较单元；以及由主控单元的输出信号控制的并施加在电机输入端的执行单元，所述主控单元内设置有模糊控制单元和自整定控制单元，当主控单元接收速度输出值的反馈信号后并通过比较单元与期望速度输出值比较，如两者相差预定数值通过模糊控制单元调整，而其相差较小的预定数值通过自整定控制器调整。

2.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于：所述反馈单元包括用于检测电枢电流的电流反馈组件和用于检测电机转速的速度反馈组件。

3.根据权利要求2所述的伺服驱动器，其特征在于：所述电流反馈组件由具有自身带有放大和模数转换功能的电流传感器构成，或者由取样电阻和将该取样电阻取出的电流信号放大的放大器，及对经放大后的电流模拟信号转换成数字信号的模数转换器构成。

4.根据权利要求2所述的伺服驱动器，其特征在于：所述速度反馈组件由用以周期地对所述电机输出转速进行采样的编码器和与该编码器输出端相接的可将数据输入到所述主控单元内数据预处理模块构成。

5.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于：所述执行单元具有功率驱动单元和通过该功率驱动单元驱动的并施加在电机上的用于操纵电机转速的逆变电路。

6.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于：所述自整定控制器由比例积分微分控制单元组成。

7.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于：所述主控单元由

现场可编程逻辑模块或单片机构成，且该可编程逻辑模块上设置有可与键盘、显示器、通讯相接的接口。

8.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于：所述主控单元内还设置有电流控制环，且该电流控制环采用比例和积分控制单元控制。

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