CN101355335B - 一种直流电动机数字动态力矩闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过动态力矩进行控制的直流电机数字闭环控制系统。目的提供一种结构简单、成本低、调试方便、调速性能好的直流电动机数字闭环控制系统。本发明包括直流电动机、数字传感器、参考速度数字信号发生器、数字动态力矩信号处理电路和数字逻辑接口和功放电路；数字传感器，用于向数字动态力矩信号处理电路传递包含实时力矩动态变化信息和速度信息的动态数字脉冲信号；参考速度数字信号发生器，向动态数字力矩信号处理电路输出参考数字速度脉冲信号；数字动态力矩信号处理电路，用于获得到动态力矩变量的矢量，输出控制功率变换器导通的脉宽信号；数字逻辑接口和功放电路，用于控制功率管输出相应的脉冲宽度驱动所述直流电动机。

Description

一种直流电动机数字动态力矩闭环控制系统

技术领域

本发明涉及一种直流电动机的控制系统，特别涉及一种通过动态力矩进行控制的直流电机数字闭环控制系统。

背景技术

根据直流电机的原理和结构可知，用电流负反馈的单闭环调速系统是不能满足系统快速性动态要求的，要实现系统性能快速和稳定的特性就必须控制转速和电流两个信号。在这两个信号中，转速是可以人为给定且在整个过程中都要控制，电流信号在稳定运行时由负载决定，无法人为给定，只有在转速与给定转速发生误差时，才对其进行控制，且这时的控制值也只是不让电流超过允许的最大值，这样就不能让它和转速负反馈同时加到一个调速器的输入端。所以现有技术中，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，采用转速、电流双闭环直流调速系统。典型的直流电机PWM双闭环调速系统，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实现串级联接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出控制开关器件。这样组成的双闭环系统，可以获得较好的静、动态品质，但是仍达不到高精度的调速要求。

目前，高精度的调速系统是采用锁相环控制原理的调速系统，锁相系统的根本部分在于该系统的最外环为相位控制环。由于鉴相器根据给定频率与反馈频率信号间的相位差进行控制，而相位是频率的积分，所以反馈通道具有积分环节，只要系统锁定，就可以保证具有很高的稳速精度。锁相系统在锁定时虽然可以获得很高的稳速精度，但是系统在启动时必然要处于失锁状态，系统捕捉有频率范围的限制。

上述两者调速系统的电路采用的是模拟电路或模拟数字电路，电路结构复杂，成本较高。由于电路中含有积分环节，系统的稳定性难免受到影响，特别是对于大惯量、突变负载(力矩)的系统，影响就更大了。所以，目前亟需一种结构简单，动静态调速性能好的直流电动机的闭环控制系统。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单、成本低、调试方便、调速性能好的直流电动机数字闭环控制系统。

实现上述发明目的的技术方案是：一种直流电动机数字动态力矩闭环控制系统，包括直流电动机，它还包括数字传感器、参考速度数字信号发生器、数字动态力矩信号处理电路和数字逻辑接口和功放电路；

所述数字传感器，它与所述直流电动机同轴，用于向数字动态力矩信号处理电路传递包含实时力矩动态变化信息和速度信息的动态数字脉冲信号；

所述参考速度数字信号发生器，用于设定所述直流电动机的标准数字速度脉冲信号，并将该脉冲信号作为参考数字速度脉冲信号向动态数字力矩信号处理电路输出；

所述数字动态力矩信号处理电路，用于将所述参考速度脉冲信号和所述动态数字脉冲信号作位置比较，得到动态力矩变量的矢量，再将该动态力矩变量与该数字动态力矩信号处理电路前次输出的脉冲宽度叠加后，输出控制功率变换器导通的脉宽信号；

所述数字逻辑接口和功放电路，用于接收数字动态力矩信号处理电路输出的脉宽信号并进行调制，控制功率管输出相应的脉冲宽度驱动所述直流电动机。

本发明的原理是：本发明中的数字传感器实质上是一个与电机同轴、转动一周能发出多个等分脉冲频率信号(提供位置—时间信号和位移信号)的数字位置传感器，它传递出包含反映动态力矩变化量—等分量的空间位置变化信息的等分脉冲频率信号。由传感器传出的这些等分脉冲信号在数字动态力矩信号处理电路中与参考速度数字信号发生器设定的参考脉冲信号在同一时间上作位置上的比较，当电机轮轴上的动态力矩增量为零时，由传感器发出的等分脉冲信号与参考脉冲信号之间的相对位置不变，即相比较的两个脉冲之间的脉冲宽度不变；当外力施加使动态力矩增量不为零时，由传感器发出的等分脉冲信号与参考脉冲信号之间的相对位置产生变化，在此瞬间，由等分脉冲信号与参考脉冲信号之间的脉冲宽度必然产生一个变化量，这个变化量就等值地反应了动态综合力矩的变化矢量(增量或减量)。数字动态力矩信号处理电路将动态综合力矩矢量和数字动态力矩信号处理电路前次输出的控制功率管的脉宽信号反相叠加，输出一个减去或加上动态综合力矩矢量宽度的控制功率管的脉宽信号。显然，在动态综合力矩矢量(增量或减量)产生的瞬间，功率管的导通量作出了相应的(减量或增量)的变化，电动机得到的电能减少或增加了。由于惯量及电感的作用，在动态综合力矩矢量变化的瞬间，电机的电流不变，速度不变，电机输入能量的减少或增加，这必然使输入电机的电压的减少或增加，也必然导致电机输出力矩的减少或增加。而这个电动力矩的减少或增加量正好与外力矩的增加或减少量相抵消。这样，直流电动机的闭环控制又瞬间处于稳定状态。

综上所述，本发明的直流电机数字闭环控制系统采用数字力矩/电压闭环控制，由安装在电机中轴或其它相关部位的数字位置传感器检测到的实时驱动力矩动态变化，然后数字动态力矩信号处理电路将实时动态力矩变化信号与参考速度信号综合得到综合力矩增量信号，综合力矩增量信号与电机的前次输出力矩输出信号反相叠加，叠加后的脉冲信号给功率变换器去控制电机的输出力矩，形成一个数字动态力矩闭环电路。此时电机的输出力矩与电机的速度、外加力矩相关，如果外加力矩增加，综合力矩增量增大，电机的输出力矩就减小。

作为本发明的进一步改进，本发明还包括保护电路，保护电路包括超速抑制电路、超低速信号发生器和超低速保护电路；超速抑制电路，接收所述数字传感器发出的实时速度脉冲信号和参考速度信号发出的参考速度脉冲信号，将实时速度脉冲信号与预设速度脉冲信号进行比较，当实时速度高于预设速度时，不断发出一个短暂的脉宽关门信号给所述数字逻辑接口电路；超低速信号发生器，预设超低速度脉冲信号；超低速保护电路，接收所述数字传感器发出的实时速度脉冲信号和超低速信号发生器发出的超低速度脉冲信号，将实时速度脉冲信号与超低速脉冲信号进行比较，当实时速度低于超低速度时，发出脉冲关门信号给所述数字逻辑接口和功放电路，使功率管不导通，实时速度增加超过超低速度时，发出脉冲开门信号给所述数字逻辑接口和功放电路。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用数字动态力矩变化量作为闭环系统的反馈信号，系统不仅能识别作用动态力矩的变化大小，而且还能同时识别作用力距的方向，使直流电机数字闭环控制系统作出相应的判断，自动调整电动力矩。

2、本发明采用数字动态力矩变化量作为闭环系统的反馈信号，当作用于系统上的综合力矩产生变化时，控制器能瞬时控制电动助力系统达到新的平衡状态。

3、本发明采用数字动态力矩变化量作为闭环系统的反馈信号，实现在保持速度不变的前提下，双动力输出的互动和平衡，使外力和电力能够互助。该闭环控制系统可以应用于电力和其它动力同时使用的双动力驱动装置。

4、本发明系统由于已做到不受系统(大)惯量及突变负载不利的影响，具有能在瞬间就能恢复系统稳定的特点，因而该闭环控制系统也特别适用于要求高的、高精度、高稳定性的“速度平台系统”和雷达控制系统等。

5、本发明的力矩/电压闭环控制回路中，全部采用数字电路，没有积分环节，控制更加快速和稳定，成本更低。

附图说明

图1是本发明的实施例1闭环控制系统结构框图

图2是本发明实施例2闭环控制系统结构框图。

具体实施方式

本发明采用动态力矩变化量作为数字闭环系统的反馈信号，实现对电机输出力矩的控制，并进一步采用速度变化量作为数字闭环系统的反馈信号，实现对电控系统的保护。

下面结合附图和实施例作进一步的阐述。

实施例1

参考图1，图1为本发明一种直流电机数字闭环控制系统框图，直流电机数字闭环控制系统包括数字传感器1、参考速度数字信号发生器23、数字动态力矩信号处理电路21、数字逻辑接口和功放电路22和直流电机3。

数字传感器1，它与电机3同轴，用于向数字动态力矩信号处理电路21传递包含实时力矩和速度信息的动态数字脉冲信号；

参考速度数字信号发生器23，用于设定所述直流电动机的标准速度数字脉冲信号，并将该脉冲信号作为参考速度脉冲信号向数字动态力矩信号处理电路21输出；

数字动态力矩信号处理电路21，用于将所述参考速度脉冲信号和所述动态数字脉冲信号作位置比较，得到动态力矩变量的矢量，再将该动态力矩矢量与该数字动态力矩信号处理电路前次输出的脉宽信号叠加后，作为控制功率变换器导通的脉宽信号输出；

数字逻辑接口和功放电路22，用于接收数字动态力矩信号处理电路21输出的脉宽信号并进行调制，控制功率管输出相应的脉冲宽度驱动所述直流电动机。

本实施例中的电动助力控制系统是这样运行的：当电机轮轴上的动态力矩增量ΔM_动为零时，由数字传感器1发出的等分脉冲信号与参考脉冲信号发生器21产生的参考脉冲信号之间的相对位置不变，即相比较的两个脉冲之间的脉冲宽度不变，数字动态力矩信号处理电路21也输出一个不变的脉宽信号，通过逻辑接口电路22控制功率管输出相应的脉冲宽度，提供电能给直流电动机3，维持其原稳态运行；当外力施加使动态力矩增量不为零时，例如，外力矩加大，外力矩加大的瞬时，由于系统的惯量的作用，电机运行速度未变，由传感器1发出的未变的速度信号和空间位置变化了ΔM_动的等分脉冲信号，在数字动态力矩信号处理电路21中将空间位置变化了ΔM_动的等分脉冲信号和参考速度数字信号发生器23产生的参考运行速度数字信号进行比较和综合，得到由等分脉冲信号和参考脉冲信号之间的脉冲宽度在这一瞬间的大小和方向变化量，将这个变化量再叠加、综合在原稳态时数字动态力矩信号处理电路21输出的脉冲宽度上，得到一个比前次输出脉冲宽度减小的脉冲宽度作为控制功率管的导通信号。显然，在外力矩增加的瞬间，功率管的导通量减小了，电动机得到的电能减少。由于惯量及电感的作用，在动态综合力矩矢量变化的瞬间，电机的电流不变，速度不变，电机输入能量的减少，这必然使输入电机的电压的减少或增加，也必然导致电机输出力矩的减少或增加。而这个电动力矩的减少正好与外力矩的增加量相抵消。这样，直流电机数字闭环控制系统又瞬间处于稳定状态。

当外力力矩减少或电机阻力增大时，系统也会因同样的工作原理，瞬间调整增大电动力矩，使直流电机数字闭环控制系统达到新的稳定。

实施例2

参考图2，图2直流电机数字闭环控制系统结构框图，在前例的结构上加入保护电路5，保护电路5包括超速数字抑制电路51、超低速数字信号发生器52和超低速数字保护电路53；超速抑制电路51，接收数字传感器1发出的实时速度脉冲信号和参考速度信号发生器23发出的参考速度脉冲信号，将实时速度脉冲信号与预设速度脉冲信号进行比较，当实时速度高于预设速度时，通过其中的单稳电路不断发出一个短暂的脉宽关门信号给所述数字逻辑接口电路22，从而抑制超速现象，使电机回到正常的运行速度上；超低速数字信号发生器52，预设超低速度数字脉冲信号；超低速数字保护电路53，接收数字传感器1发出的实时速度脉冲信号和超低数字速信号发生器52发出的超低速度脉冲信号，将实时速度脉冲信号与超低速脉冲信号进行比较，当实时速度低于超低速度时，发出脉冲关门信号给所述数字逻辑接口和功放电路22，使功率管不导通，从而保护电动机的于启动、超低速状态下不会出现过大的冲击电流，实时速度增加超过超低速度时，发出脉冲开门信号给数字逻辑接口和功放电路22。

Claims (6)

1.一种直流电动机数字动态力矩闭环控制系统，包括直流电动机，其特征是，它还包括数字传感器、参考速度数字信号发生器、数字动态力矩信号处理电路和数字逻辑接口和功放电路；

所述数字传感器，它与所述直流电动机同轴，用于向数字动态力矩信号处理电路传递包含实时力矩动态变化信息和速度信息的动态数字脉冲信号；

所述参考速度数字信号发生器，用于设定所述直流电动机的标准数字速度脉冲信号，并将该标准数字速度脉冲信号作为参考数字速度脉冲信号向数字动态力矩信号处理电路输出；

所述数字动态力矩信号处理电路，用于将所述参考数字速度脉冲信号和所述动态数字脉冲信号作位置比较，得到动态力矩变量的矢量，再将该动态力矩变量的矢量与该数字动态力矩信号处理电路前次输出的脉冲宽度叠加后，输出控制功率变换器导通的脉宽信号；

所述数字逻辑接口和功放电路，用于接收数字动态力矩信号处理电路输出的脉宽信号并进行调制，控制功率管输出相应的脉冲宽度驱动所述直流电动机。

2.根据权利要求1所述的闭环控制系统，其特征是，所述数字传感器为位置传感器。

3.根据权利要求1所述的闭环控制系统，其特征是，所述闭环控制系统中还设有超低速保护电路，用于电动机的超低速保护。

4.根据权利要求1所述的闭环控制系统，其特征是，所述闭环控制系统中还设有超速数字抑制电路，用于接收数字传感器发出的实时速度脉冲信号和参考速度数字信号发生器发出的参考数字速度脉冲信号，将实时速度脉冲信号与预设速度脉冲信号进行比较，当实时速度高于预设速度时，不断发出一个短暂的脉宽关门信号给所述数字逻辑接口和功放电路。

5.根据权利要求3所述的闭环控制系统，其特征是，所述超低速保护电路包括超低速数字信号发生器和超低速数字保护电路；超低速数字信号发生器，预设超低速度数字脉冲信号；超低速数字保护电路，接收所述数字传感器发出的实时速度脉冲信号和超低速数字信号发生器发出的超低速度数字脉冲信号，将实时速度脉冲信号与超低速度数字脉冲信号进行比较，当实时速度低于超低速度时，发出脉冲关门信号给所述数字逻辑接口和功放电路，使功率管不导通，实时速度增加超过超低速度时，发出脉冲开门信号给所述数字逻辑接口和功放电路。

6.根据权利要求4所述的闭环控制系统，其特征是，所述超速数字抑制电路中设有单稳电路，由该单稳电路不断发出一个短暂的脉宽关门信号给所述数字逻辑接口和功放电路。 

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