CN100433535C - 直流电机位置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够控制直流电机位置的方法。在由控制器、驱动器、直流电机和检测传感器组成直流电机角位移反馈控制系统内，其中控制器的控制方法是由内，外两个闭环嵌套结合而成，每个闭环都采用伪微分反馈控制方法，内环实现直流电机角速度反馈，外环实现直流电机角位移反馈。通过对内、外的积分控制参数和内、外两个环反馈控制参数共四个控制参数的整定，不仅位置控制静态精度可以提高，而且动态响应性能获得改善，对阶跃输入的位置指令信号能使输出位置快速平稳地达到稳态值，无超调和振荡现象。该方法还适用于控制直流伺服电机或力矩电机的位置。该控制方法还具有较强的负载能力和抗外界干扰能力。

Description

直流电机位置控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机控制方法，尤其是一种控制直流电机角位移的方法，该方法同样适用于控制直流伺服电机或力矩电机的位置。

背景技术

目前，公知的直流电机位置控制采用反馈控制的方法。在由直流电机执行机构、可逆功率驱动器、位置检测传感器、电压比较放大器组成闭环的反馈控制系统中，将位置指令信号和位置检测信号进行比较，产生误差信号。然后再对误差信号进行控制运算，其输出信号作为可逆驱动器的控制信号，由可逆功率驱动器驱动电机转子向减少位置误差的方向转动，最终使位置误差降低为零或某一允许范围内。专利申请号为200410005999.5名称为《电机控制装置及电机方法》的中国专利介绍了按照逆变器驱动电机非通电相的感应电压来估计转子的位置，根据估计的结果，将脉宽调制的开关信号输送到逆变器来控制电机的输出电压，从而控制转动位置，该专利的电机位置控制采用电压反馈控制的方法。

对于误差的控制运算目前使用的是乘以常数，对其积分，微分或几种运算的组合，即比例控制(P)，比例加积分控制(PI)，比例加积分加微分控制(PID)。前向控制回路中对误差每增加一种运算，事实上对位置指令信号和位置检测信号同时增加了控制运算。对位置指令信号的每一种运算就相当于在整个控制系统的微分方程的右边增加一个强迫项，使控制系统出现“一仆多主”的现象。这样，直流电机实际的位置输出就不能精确复现位置指令信息。因此，一般的PID位置控制方法位置跟踪精度差，对阶跃输入的指令信号其输出位置动态相应存在超调和振荡现象。由于对于信号微分时取其变化率，实际信号中混杂各种噪声和高频干扰。

发明内容

为了克服了现有电机位置反馈控制方法存在的问题，改进和提高位置控制性能。本发明提供了一种新的控制方法，可以使直流电机转子旋转任何角度。位置指令不变时，保持转子在某一固定角度不动；位置指令改变时，转子角度也随之改变。位置指令可以是角位移也可以是线性位移。即该控制方法不仅能提高直流电机的静态跟踪性能，而且能改善位置控制的动态响应现象。同时，该控制方法还能使直流电机及所带动的执行机构具有较强的负载能力和抗干扰能力。

本发明的技术方案是：在控制系数前向通道中对误差仅采用积分运算，在反馈回路中将被控变量位置信号进行微分后，又再次在前向通道中对其进行积分，仍得原来的信号。则可将反馈回路中对位置信号微分项取消，将反馈信号的一路接比较器，另一路直接送到积分器后面的相加点，即前馈回路对误差只有积分运算，反馈回路中控制功能上实现了对被控变量的微分，而控制系统具体实施时，并不需要对被控变量进行微分或可以降低微分阶次的伪微分反馈控制。

对直流电机位置反馈控制方法采用内，外两个反馈控制环嵌套结合方法，内环实现角速度信号反馈，外环实现角位移信号反馈，内、外两个环各自都是伪微分反馈控制方法，采用这种位置反馈控制方法同时具有速度反馈和位置反馈。内、外两个环的伪微分反馈控制各有两个控制参数可调，其中两个是内、外两个环的积分器控制参数，另两个是内、外两个环反馈控制参数。通过四个控制参数的整定，可使直流电机位置控制具有优良的静态性能和动态性能。

四个控制参数Ki1(外环积分控制参数)、Ki2(内环积分控制参数)、Kd1(外环微分控制参数)和Kd2(内环微分控制参数)，可根据下列给出的公式进行计算，作为其初始整定值，然后再根据实际情况作适当调整。

$K_{i1}=1.34\frac{M_{\max }}{J{R}_{\mathrm{ml}}}$

$K_{i2}=40.5\frac{M_{\max }}{R_{\mathrm{ml}}}$

$K_{d1}=2.31{\left(\frac{M_{\max }}{J{R}_{\mathrm{ml}}}\right)}^{0.5}$

$K_{d2}=12.7\left(\frac{J{M}_{\max }}{R_{\mathrm{ml}}}\right)-B$

式中：J为被控对象的等效惯量；B为阻尼系数；M_max为驱动器能够输出的最大电压；R_ml为线性范围内位置参考输入。

本发明的一个优选方案是在运算放大器组成直流电机位置控制的模拟电路控制系统内，其内环是伪微分反馈控制的角速度环，外环是伪微分反馈控制的的角位移环。

本发明的另一个优选方案是在数字计算机和输入、输出采集卡组成的数字电路控制系统内，其内环是伪微分反馈控制的角速度环，外环是伪微分反馈控制的的角位移环。

本发明的有益效果是，可以控制直流电机的角位移，进而可以控制电机所带动的生产机械的角位移或线位移。不仅位置控制静态精度可以提高。而且动态响应性能获得改善。对阶跃输入的位置指令信号能使输出位置快速平稳地达到稳态值，无超调和振荡现象，同时该控制方法还具有较强地负载能力和抗外界干扰能力。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明

图1是直流电机位置控制的原理图。

图2是直流电机位置控制的方块图

图3是直流电机位置控制第一个实施例的模拟电器元件控制电路图

图4是直流电机位置控制第二个实施例的数字计算机控制编程流程图。

图1中，1.位置控制命令，2.外环比较器，3.外环微分反馈控制器，4.内环比较器，5.内环伪微分反馈控制器，6.驱动器，7.直流电机，8.速度检测传感器，9.位置检测传感器

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

图1中，位置控命令1产生的位置指令信号和由位置检测传感器9检测到的实际位置信号同时送到外环比较器2进行比较，产生的误差信号经外环伪微分反馈控制器3控制运算后作为内环的控制命令。由于内环是速度环，这一控制器实际上就是内环的速度指令信号，它和由速度检测传感器8检测到的实际速度信号同时送到内环比较器4进行比较，产生的误差信号经内环伪微分反馈控制器5控制运算后作为驱动器6的控制命令，然后由驱动器驱动电机转动到所要求的位置。位置控制命令改变，电机位置也随之改变，若所带负载在一定限度内变化或存在外界干扰，只要位置控制命令不变，电机位置仍能保持固定不动。

图2是直流电机位置控制的方块图，每一方块表示一个控制环节，各个控制环节的传递函数如图方块文字所示。内，外两个伪微分反馈控制器由积分环节，比例环节和相加环节组成。直流电机位置控制系统实施时，首先辨识被控制对象的数学模型及其参数，被控对象由电机，变速机构及所带机械负载组成。若被控对象的等效惯量为J，等效粘性摩擦系数为B，驱动器能够输出的最大电压为M_max，线性范围内位置参考输入为R_ml，则四个控制参数K_i1，K_i2，K_d1，和K_d2可根据给出的公式进行计算，作为其初始整定值，然后再根据实际情况作适当调整。

图3所示实施例采用运算放大器组成直流电机位置控制的模拟控制电路，外环比较器2实质为减法器，由运算放大器A1及电阻R1-R4组成；外环伪微分反馈控制器3由积分器，加法器和反相器组成，其中积分器由运算放大器A2，电阻R5和电容C1组成，加法器由运算放大器A3及电阻R6-R11组成。反相器则由运算放大器A4及电阻R12-R13组成；运算放大器A5接成跟随器形式，进行阻抗变换，提高传感器的负载能力，输入端接位置传感器送来的反馈检测信号，输出接到外环比较器的负相端。内环比较器4也为减法器，由运算放大器A及电阻R14-R17组成；外环伪微分反馈控制器5由积分器，加法器和反馈器组成，其中积分器由运算放大器A7，电阻R18和电容C2组成，加法器由运算放大器A8及电阻R19-R24组成，反相器则由运算放大器A9及电阻R25-R26组成；运算放大器A10接成跟随器形式，进行阻抗变换，提高传感器的负载能力，输入端接速度传感器送来的反馈检测信号，输出接到内环比较器的负相端。

电阻R1-R4，R12-R13，R14-R17，及R25-R26均可取100KΩ或10KΩ等值的精密电阻。电阻R5，电容C1以及电位器P1的取值由控制参数K_il决定，电阻R6-R11以及电位器P3的取值由控制参数K_i2决定，电阻R6-R11以及电位器P2的取值由控制参数K_d11决定，电阻R19-R24以及电位器P4的取值由控制参数K_d12决定。电位器P1，P2，P3和P4采用10圈精密电位器

图4所示的另一实施例采用计算机组成数字控制系统，这是直流电机位置控制的程序流程图。计算机控制配备数据采集卡，应具有模拟量输入，模拟量输出，数字量输入，数字量输出，高速计数输入这五项功能。位置控制命令1由计算机键盘输入，外环比较器2，外环伪微分反馈控制器3，内环比较器4，内环伪微分反馈控制器5，由计算机编程实现。速度检测传感8，和位置检测传感器9采用光电编码器，直接读取数字脉冲计数信号，然后计算获得速度信号和位置信号。

Claims (2)

1.一种直流电机位置控制方法，其特征是：对直流电机位置反馈控制方法采用内、外两个反馈控制环嵌套结合方法，内环实现角速度信号反馈，外环实现角位移信号反馈，内、外两个环各自都是伪微分反馈控制方法，内、外两个环的伪微分反馈控制各有两个控制参数可调，其中两个是内、外两个环的积分器控制参数，另两个是内、外两个环反馈控制参数。

2.根据权利要求1所述的直流电机位置控制方法，其特征是：四个控制参数K_i1，K_i2，K_d1，和K_d2根据下列给出的公式进行计算，作为其初始整定值，然后再根据实际情况作适当调整：

$K_{i1}=1.34\frac{M_{\max }}{J{R}_{\mathrm{ml}}}$

$K_{i2}=40.5\frac{M_{\max }}{R_{\mathrm{ml}}}$

$K_{d1}=2.31{\left(\frac{M_{\max }}{J{R}_{\mathrm{ml}}}\right)}^{0.5}$

$K_{d2}=12.7\left(\frac{{\mathrm{JM}}_{\max }}{R_{\mathrm{ml}}}\right)-B$

式中：K_i1为外环积分控制参数；K_i2为内环积分控制参数；K_d1为外环微分控制参数；K_d2为内环微分控制参数；J为被控对象的等效惯量；B为阻尼系数；M_max为驱动器能够输出的最大电压；R_ml为线性范围内位置参考输入。

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