CN101174807A - 速度和位置间可在线切换的直流电机控制系统及切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种速度和位置间可在线切换的直流电机控制系统及切换方法。该速度和位置间可在线切换的直流电机控制系统及切换方法由内环、外环和切换环组成，其中单独由内环对直流电机进行速度控制，内环和外环嵌套结合对直流电机进行位置控制，切换环确保直流电机速度控制在线切换成位置控制时能够平稳过渡。该发明的速度和位置间可在线切换的直流电机控制系统及切换方法，不仅能对直流电机进行速度控制，而且也能对直流电机进行位置控制。此外，速度控制和位置控制还可在线相互平稳切换，在线切换不会对运行中所要控制的位置产生任何冲击。因此，根据生产实际运行需要，可以随时对直流电机两种不同的被控变量进行控制。

Description

速度和位置间可在线切换的直流电机控制系统及切换方法
技术领域
本发明属于一种直流电机控制系统，特别涉及一种既可控制直流电机速度也可控制直流电机位置的控制系统及两者之间可以在线平稳切换的方法。
背景技术
目前，公知的直流电机速度控制或位置控制需要两套不同的控制系统，两套控制系统在线时是不能相互切换的。同一台直流电机，如果初始运行在速度控制状态，想要转换成位置控制状态，则首先应该停车，将电机和它所带的负载从速度控制系统转接到位置控制系统，再重新启动，然后进行位置控制。如果初始运行在位置控制状态，也要经过上述过程的停车和重新启动，才能转换成速度控制状态。
如果采用现有的切换开关对两套不同的控制系统进行在线强行切换，则对所要控制的位置会产生强烈冲击，最终控制系统根本无法正常工作。
发明内容
技术问题  为了克服现有直流电机速度控制或位置控制需要两套不同的控制系统，而且两套控制系统无法在线相互切换这一问题，本发明提供一种速度和位置间可在线切换的直流电机控制系统及切换方法，该控制系统，不仅能对直流电机进行速度控制，而且也能对直流电机进行位置控制。此外，速度控制和位置控制还可在线相互切换，在线切换不会对运行中所要控制的位置产生任何冲击。因此，根据生产实际运行需要，可以随时对直流电机两种不同的被控变量进行控制。
技术方案  为解决上述技术问题，本发明的控制系统包括内环、外环和切换环三个闭合环，所述内环包含内环比较器、内环控制器、驱动器、直流电机和速度检测传感器，所述这些部件信号顺时针方向按序环形连接，内环比较器还通过一个内环切换开关连接到速度指令信号发生器；所述外环包含外环比较器、外环切换开关、外环控制器、内环切换开关、内环比较器、内环控制器、驱动器、直流电机和位置检测传感器，所述这些部件信号顺时针方向按序环形连接，外环比较器还连接到位置指令信号发生器；所述切换环包含切换比较器、外环切换开关、外环控制器和内环切换开关，所述这些部件信号逆时针方向按序环形连接，切换比较器还连接到速度指令信号发生器。所述内环控制器和外环控制器均由积分环节、积分系数环节、反馈系数环节和比较环节组成。其中，积分环节和积分系数环节顺序串联连接后输送到比较环节输入端，而反馈系数环节输送到比较环节的另一输入端。
单独由内环对直流电机进行速度控制，内环和外环嵌套结合对直流电机进行位置控制，切换环确保直流电机速度控制在线切换成位置控制时能够平稳过渡。
位置控制时内环和外环同时工作，原来用作速度控制的内环成为位置控制的一部分。当直流电机速度控制在线切换成位置控制时，如果不采取有效措施，内环的输入指令信号会突然改变，位置控制的输出将会发生突然冲击，造成整个控制系统不能正常工作。因此，所述控制系统中的切换环在直流电机速度控制时闭环进行工作，使内环切换开关的速度档和位置档信号随时保持相等，确保内环输入指令信号在切换时保持不变，使直流电机速度控制在线切换成位置控制时能够平稳过渡。当直流电机位置控制切换成速度控制时，速度控制只有内环进行工作，内环输入指令信号完全取决于速度指令信号，速度控制的输出不存在突然冲击的问题，位置控制时无需切换环工作。
因此，本发明中的切换环为直流电机速度控制和位置控制提供一种在线切换方法。它包括下列步骤：将内环切换开关和外环切换开关在线同步切换到速度档时，单独由内环对直流电机的速度进行控制，与此同时，切换环闭环进行工作；将内环切换开关和外环切换开关在线同步切换到位置档时，内环和外环嵌套结合对直流电机的位置进行控制，此时切换环开环不工作。
有益效果  本发明的有益效果是：
1、同一套控制系统既可以对直流电机进行速度控制，也可对直流电机进行位置控制，进而可以分别控制直流电机所带机械负载的转速或位置。
2、直流电机速度控制和位置控制在线切换时能够平稳过渡，即电机运行时可根据生产实际需要随时更换被控机械变量，在线切换时不会对输出位置造成冲击。
附图说明
图1是可在速度和位置间在线切换的直流电机控制系统及切换方法原理框图。
图2是可在速度和位置间在线切换的直流电机控制系统及切换方法结构方块图。
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的具体实施方案，图1是可在速度和位置间在线切换的直流电机控制系统及切换方法原理框图。
图1中，直流电机进行速度控制时，将内环切换开关7和外环切换开关5同步切换到速度档。速度指令信号发生器2产生的速度指令信号经内环切换开关7的速度档送至内环比较器8，与速度检测传感器12送来的反馈信号进行比较，产生的误差信号输出至内环控制器9，经内环控制器控制运算后作为驱动器10的输入控制信号，然后驱动器根据控制信号的大小驱动电机11达到所要控制的速度。直流电机进行速度控制时首先形成一个闭环即内环。
与此同时，速度指令信号发生器2产生的速度指令信号另一路送到切换比较器1，与外环控制器6输出信号进行比较，产生的误差信号又送到外环控制器6，使外环控制器6的输出任何时刻都与速度指令信号相等。由于外环控制器6输出信号送到内环切换开关7的位置档。这样，内环切换开关7的速度档和位置档信号随时保持相等，使内环输入指令信号在切换时保持不变，避免速度控制切换成位置控制时因内环输入指令信号突变对位置输出产生强烈冲击。这样，直流电机速度控制时就形成另一个闭环即切换环。因此，直流电机进行速度控制的整个工作过程实际形成两个闭环即内环和切换环。
图1中，直流电机进行位置控制时，将内环切换开关7和外环切换开关5同步转换到位置档。位置指令信号发生器3产生的位置指令信号与位置检测传感器13送来的位置反馈信号进行比较，产生的误差信号经外环切换开关5的位置档送到外环控制器6，控制运算后的输出信号作为内环的速度指令信号，经内环切换开关7的位置档送至内环比较器8，与速度检测传感器12送来反馈信号进行比较，产生的误差信号经内环控制器9控制运算后作为驱动器10的控制信号，然后由驱动器根据控制信号驱动电机11转动到所要求的位置。因此，直流电机进行位置控制的整个工作过程形成两个闭环系统即内环和外环。
图2是直流电机速度和位置控制系统及切换方法结构方块图，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中文字所示，控制环节可由公知的模拟电路或数字计算机的程序实现。由积分环节214、积分系数环节215、反馈系数环节216和比较环节217组成图1中的内环控制器9；由积分环节207、积分系数环节208、反馈系数环节209和比较环节210组成图1中的外环控制器6，控制流程详细说明如下。
参见图2说明直流电机速度控制流程。首先将内环切换开关211和外环切换开关206同步切换到速度档，速度指令信号201经内环切换开关211速度档送到内环比较环节212，速度反馈信号213也送到内环比较环节212，两者比较后产生的误差信号送到积分环节214，这里实现了速度反馈。误差信号经积分环节214积分运算后送到积分系数环节215，然后再送到比较环节216。此时速度反馈信号213经反馈系数环节也送到比较环节216，两者进行比较产生控制信号送到驱动器218。控制信号经驱动器218功率放大后驱动速度被控对象环节219，对直流电机进行速度控制。
直流电机进行速度控制时，只要调整控制系统的两个控制参数Ki2和Kd2，就能使控制系统获得满意的性能。
另一方面，当直流电机进行速度控制时，速度指令信号201同时送到比较环节205，内环切换开关211位置档的信号也送到比较环节205，两者比较后产生的误差信号经外环切换开关206的速度档送到积分环节207，经积分运算后送到积分系数环节208，最后输出送到内环切换开关211位置档，又形成一个闭环即切换环，使内环切换开关211位置档的信号始终跟随速度指令信号201变化，保证速度控制切换成位置控制时内环输入指令信号保持不变。
对直流电机进行位置控制时由内环和外环嵌套组成，参见图2说明控制流程。首先将内环切换开关211和外环切换开关206同步转换到位置档，位置指令信号202与位置反馈信号203一道送到比较环节204，两者比较后产生的误差信号经外环切换开关206位置档送到积分环节207，经积分运算后送到积分系数环节208，然后再送到比较环节210。此时位置反馈信号203经反馈系数环节209也送到比较环节210，两者进行比较产生控制信号经内环切换开关211位置档送到内环输入端。余下的工作流程与直流电机进行速度控制时内环工作流程相同，不再赘述。最终产生的控制信号经驱动器功率放大后驱动位置被控对象环节220，对直流电机进行位置控制。
直流电机进行位置控制时，不仅实现了位置反馈，而且也实现了速度反馈，位置控制时需要调整控制系统的四个控制参数Ki1、Ki2、Kd1和Kd2，才能使控制系统获得满意的性能。

Claims (4)

1.一种速度和位置间可在线切换的直流电机的控制系统，该控制系统包括一个内环和一个外环，其中内环包含内环比较器(8)、内环控制器(9)、驱动器(10)、直流电机(11)和速度检测传感器(12)，所述这些部件顺时针方向按序环形连接；外环包含外环比较器(4)、外环控制器(6)、内环比较器(8)、内环控制器(9)、驱动器(10)、直流电机(11)和位置检测传感器(12)，所述这些部件顺时针方向按序环形连接，外环比较器还连接到位置指令信号发生器(3)，其特征在于：所述控制系统还包括一个切换环，该切换环包含切换比较器(1)、外环切换开关(5)、外环控制器(6)和内环切换开关(7)，所述这些部件逆时针方向按序环形连接，其中切换比较器(1)和内环切换开关(7)还连接到速度指令信号发生器(2)，单独由内环对直流电机进行速度控制，内环和外环嵌套结合对直流电机位置进行控制，切换环确保直流电机速度控制在线切换成位置控制时能够平稳过渡。
2.如权利要求1所述的直流电机控制系统，其特征是，所述内环切换开关(7)串接在外环控制器(6)与内环比较器(8)之间，所述外环切换开关(5)串接在外环比较器(4)与外环控制器(6)之间。
3.如权利要求1所述的直流电机控制系统，其特征是，所述的外环控制器(6)和内环控制器(9)均包括积分环节、积分系数环节、反馈系数环节和比较环节，其中，积分环节和积分系数环节顺序串联连接后输送到比较环节输入端，而反馈系数环节输送到比较环节的另一输入端。
4.一种直流电机速度和位置间可在线切换的方法，其特征是，该方法包含下列步骤：
(1)内环切换开关和外环切换开关在线同步切换到速度档时，单独由内环对直流电机的速度进行控制，此时切换环闭环进行工作；
(2)内环切换开关和外环切换开关在线同步切换到位置档时，内环和外环嵌套结合可对直流电机的位置进行控制，此时切换环开环不工作。
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