CN101951209A - 一种直流电机的高精度正反转控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种直流电机的高精度正反转控制系统，系统由PID控制和主动控制两部分组成，PID控制包括比较器、PID控制器、控制方式切换器、电机和光栅，主动控制包括控制方式切换器、电机和光栅。本发明采用的电机控制方法为：在电机平稳旋转时采用PID控制，在反转前转换为主动控制，使其以较高精度平稳反转，主动控制时间持续几个毫秒，反转后再转换为PID控制。本发明能够有效提高电机反转时的角位置精度，实现电机的平稳反转，并且方法简单，易于实现。

Description

一种直流电机的高精度正反转控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流电机的正反转控制系统及控制方法，实现电机的高精度、平稳反转。

背景技术

目前已发展出很多种电机的控制策略，包括PID控制、模糊控制、鲁棒控制和神经网络等，往往采用闭环控制。PID控制是一种最常用的控制方法，其结构简单并易于实现，但一般难以满足某些高精度系统的性能要求，而其它的现代控制方法虽然在某种程度上能够提高控制性能，但同时也增加了系统的复杂性而降低了可靠性。对于要求电机反转时的角位置误差小于30角秒的正反转控制系统，只采用PID控制是很难满足高精度要求的，而其它的现代控制方法虽然适用于多种控制系统，但算法一般较为复杂，对于减小反转瞬间的角度误差这个问题很难直接应用，所以需要一种既能有效提高反转时的精度又简单可靠的方法。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种直流电机的高精度正反转控制系统及控制方法，使正反旋转的直流电机反转时的角度误差小于30角秒，实现电机的高精度、平稳的反转。

本发明的技术解决方案：一种直流电机的高精度正反转控制系统包括：PID控制方式和主动控制方式两部分，其中PID控制方式由比较器、PID控制器、控制方式切换器、电机和光栅组成，光栅输出的实际转角输出经反馈后在比较器中和指令转角输入相减得到角度误差输入给PID控制器，根据PID控制算法由角度误差计算并输出控制电压，该控制电压经过控制方式切换器输入给电机，电机的实际转角由光栅输出；主动控制方式由反电压输入、控制方式切换器、电机和光栅组成，反向电压输入经过控制方式切换器到达电机，再由光栅输出实际转角；电机匀速旋转时控制方式切换器切换到PID控制方式，保证了平稳旋转的精度，在电机反转前控制方式切换器切换到主动控制方式，根据公式(1)对电机施加时间长度为1～10ms的反向电压U_T，并在仿真或者实际中调试U_T，电机反转后再切换为PID控制方式，并由近似计算公式(2)设置PID控制器中的积分器初值，电机又开始匀速旋转。

所述比较器、PID控制器和控制方式切换器均由计算机或者微处理器实现。

一种直流电机的高精度正反转控制方法，实现步骤如下：

(1)电机平稳旋转时采用PID控制方式，调整好PID控制器参数，使其满足平稳旋转时的精度要求并具有一定的抗干扰性；

(2)电机反转前转换为主动控制方式，对电机施加时间长度为1～10ms的反向电压U_T，并在仿真或者实际中调试U_T，使电机高精度、平稳反转，反向电压U_T的计算公式为：

$U_T=\frac{2{\mathrm{\ω}}_c\·J\·R}{\mathrm{\ΔT}\·C_m}---\left(1\right)$

(3)电机反转后再转换为PID控制，并根据摩擦情况和电机参数给PID控制器中的积分器赋初值，初值的计算公式为：

$\frac{M_f}{C_m}\·R+(\frac{B}{C_m}\·R+C_e)\·{\mathrm{\ω}}_c---\left(2\right)$

其中：R为电枢电阻；J为电机的转动惯量；ω_c为电机平稳旋转时的转速的大小；C_m为力矩系数；ΔT为主动控制的时间长度；M_f为静摩擦力矩；B为粘滞摩擦系数；C_e为反电势系数；

若摩擦力矩和反电势系数很小，以致(2)式对应的等效力矩小于0.03N·m，也可直接将积分器清零。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)普通的PID控制方法会使电机反转时的角度和角速度出现超调，该超调降低了反转瞬间的精度，而本发明反转时采用主动控制方式可有效减小这种超调，使得电机反转瞬间的角位置误差小于30角秒，角速度的超调也很小，提高了系统的精度，实现了电机的平稳反转；

(2)在由主动控制方式转换为PID控制方式时要求角位置误差很小，否则控制方式转换后会出现较大超调，本发明给出了反向电压的近似计算方法，可以有效保证控制方式转换时有较小的角位置误差；

(3)PID控制器中的积分器具有记忆功能，所以要在主动控制方式转换为PID控制方式时对积分器赋合适的初值，本发明中给出的赋初值的计算方法可以保证控制方式转换时的平稳过渡；

(4)本发明是在PID控制的基础上再引入主动控制，因为主动控制的时间很短，所以基本上不会影响系统的抗干扰性，同时操作简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明控制系统的原理框图；

图2为本发明控制系统的工作过程流程图；

图3为本发明方法的模型的结构方框图；

图4为实施本发明后的实际效果，其中上图为反转瞬间的角度误差图，下图为对应时刻的电机转速。

具体实施方式

如图1所示，本发明由PID控制和主动控制两部分组成，其中PID控制由比较器、PID控制器3、控制方式切换器5、电机6和光栅组7成，指令转角输入1和反馈的实际转角输出8在比较器2中相减得到角度误差输入给PID控制器3，PID控制器3根据误差输出控制电压经过控制方式切换器5输入给电机6，电机的实际转角由光栅7输出；主动控制由控制方式切换器5、电机6和光栅7组成，反向电压输入4经过控制方式切换器5到达电机6，再由光栅7输出实际转角。在电机匀速旋转时控制方式切换器5切换到PID控制方式，而在反转前控制方式切换器5切换到主动控制方式，主动控制的时间长度为1～10毫秒，电机6反转后再切换为PID控制方式。

由于对电机的角位置精度要求较高，所以PID控制方式采用有位置反馈的单闭环结构，反馈量为光栅7计数脉冲转换成的电机转角，其精度可以达到1～2角秒。采用20kHz的PWM波对电机6进行旋转控制，微处理器计算出需要施加给电机6的平均电压转换成的占空比，再由外围电路实现PWM波的输出。

下面结合图2详细叙述实施本发明的系统工作过程。

当系统开始运行后，对于正转过程指令转角θ_in在每个采样周期中递增，而反转过程则递减。为了保证平稳旋转时的精度并具有足够的抗干扰性，在电机匀速旋转时采用PID控制方式，当指令转角θ_in在正转过程中满足θ_in＞θ₁或在反转过程中满足θ_in＜θ₂(其中θ₁略小于360度，θ₂略大于0度)，即认为电机开始反转，控制方式切换为主动控制方式，否则继续维持PID控制方式。在主动控制方式中，在电机6两端施加几伏到二十几伏的电压，并且主动控制计时器开始计时，当时间长度大于阈值时间(一般为1～10ms)时再切换回PID控制，并设置积分器的初值，电机又开始匀速转动。

图1中的比较器、PID控制器和控制方式切换器均由计算机或者微处理器实现。微处理器根据电机的理想转速和采样周期计算出指令转角，即第n时刻的指令转角为：

其中ω_l为理想转速，Δt为采样周期。指令转角减去输入的电机实际转角后得到角度误差，这就实现了比较器的功能。根据图2的系统工作过程，微处理器由指令转角判断要采取的控制方式，若是PID控制则由PID控制算法给出控制电压；若是主动控制则根据以下控制方法中的说明给出控制电压。

下面结合图3详细叙述本发明的控制方法。

实施本发明的模型的结构方框图由PID控制器模型202、控制方式切换器模型204、电机模型206和光栅模型213构成，这些部件顺时针方向按序连接。其中PID控制器模型202的传递函数为：

$G_1\left(s\right)=P+\frac{I}{s}+\mathrm{Ds}$

其中P、I、D分别为比例、微分和积分控制器参数，

和s分别是积分器和微分器模型，电机模型206中的参数说明如下：205为控制电机的电压，记为U；216为电机的角速度，记为ω；207中的L为电枢电感，R为电枢电阻；217为电机的电流，记为I；208中的C_m为力矩系数；209为输入给电机的控制力矩M；210中的J为电机的转动惯量，B为粘滞摩擦系数；211为静摩擦力矩模型，采用库伦摩擦模型，其值记为M_f；212中的C_e为反电势系数。电机模型的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}U=L\stackrel{\·}{I}+\mathrm{RI}+C_e\mathrm{\ω}\\ M=J\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}+\mathrm{B\ω}\\ I=(M+M_f)/C_m\end{array}\right.$

光栅模型213的传递函数为：

$G_2\left(s\right)=\frac{1}{s}$

指令转角输入201与反馈的实际转角输出215之差作为PID控制器模型202的输入，它的输出连接控制方式切换器模型204的PID控制端(1端)，反向电压输入203接入控制方式切换器模型204的主动控制端(2端)。

本发明的控制方法的步骤详细说明如下：

电机平稳旋转时采用PID控制，首先进行PID参数整定。可采用一般的PID参数整定方法，这里介绍一下工业上常用的稳定边界法。PID控制器的输出为

$U_C=K_p\·(e+\frac{1}{T_i}\·\∫\mathrm{edt}+T_d\·\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}})---\left(3\right)$

其中e为角度误差，K_p为比例增益，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数，这里令P＝K_p，

D＝K_p·T_d。系统闭环，令I＝0，D＝0，给电机模型206输入一单位阶跃电压，逐渐增大P，直至电机模型206的输出出现等幅振荡，记下此时的比例增益P_u和振荡周期T_u，则T_i＝0.5T_u，T_d＝0.125T_u，P＝0.6P_u。该参数整定方法只用在仿真中，实际中参照仿真的结果。

若在计算机中实现上述PID控制算法就要对(3)式进行离散化，即把积分改为求和形式，微分改为差分形式，得到实际应用中的PID控制算法为：

$U_{\mathrm{Cn}}=K_p\·(e_n+\frac{1}{T_i}\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i\mathrm{\Δt}+T_d\·\frac{e_n-e_{n-1}}{\mathrm{\Δt}})---\left(4\right)$

其中U_Cn是第n时刻PID控制器的输出，e_n是第n时刻的角度误差，Δt为采样周期。

电机反转前转换为主动控制，对电机施加1～10ms的反向电压，其大小记为U_T。由图3可知，若不考虑摩擦和反电动势，忽略电枢电感，则输入电压U和控制力矩M之间的关系近似为

$M=\frac{U}{R}{C}_m---\left(5\right)$

在电机即将反转时加反向力矩M_T，所加时间为ΔT，电机平稳旋转时的转速大小为ω_c，根据刚体转动动力学原理，则有

M_TΔT＝2ω_cJ        (6)

由(5)式和(6)式可得到反向电压U_T的近似计算公式

$U_T=\frac{2{\mathrm{\ω}}_c\·J\·R}{\mathrm{\ΔT}\·C_m}---\left(7\right)$

在仿真和实际中再微调U_T直至控制方式由主动控制切换到PID控制的时刻电机转速尽量接近反转后平稳旋转时的速度。

最后进行由主动控制转为PID控制时的PID控制器的设置。PID控制器中的积分器具有记忆功能，在电机平稳旋转时，积分器的输出用于抵消阻力。在电机反转后根据阻力情况直接设置积分器中的值，使之快速过渡到平稳旋转时的稳态值。由图3可知电机平稳旋转时的阻力由静摩擦力矩、粘滞摩擦力矩和反电动势等效力矩三部分构成，其中后两项与电机的转速成正比，所以积分器稳态值的计算公式为

$\frac{M_f}{C_m}\·R+(\frac{B}{C_m}\·R+C_e)\·{\mathrm{\ω}}_c---\left(8\right)$

在仿真或实际中，可以根据(8)式设置控制方式转换后的积分器初值，若摩擦力矩和反电势系数很小，以致(8)式对应的等效力矩小于0.03N·m，也可直接将积分器清零。

图4给出了实施本发明后的实际效果。该电机为国产J80LYX01F1永磁直流力矩电机，转动惯量约为0.001kg·m²，电枢电阻为3.5Ω，电枢电感为2.6mH，力矩系数为0.08N·m/A，主动控制时间为1ms，电机平稳旋转时的转速为11.25°/s，由(7)式估算的反向电压的大小为17.2V，实际中是在电机反转前1ms加了大小为18V的反向电压，转为PID控制时将积分器清零。从图4可以看出，反转时的最大角度误差为15角秒，满足精度要求，反转的调节时间约为60ms，转速的超调很小，反转过程非常平稳。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (3)

1.一种直流电机的高精度正反转控制系统，其特征在于包括：PID控制方式和主动控制方式两部分，其中PID控制方式由比较器(2)、PID控制器(3)、控制方式切换器(5)、电机(6)和光栅(7)组成，光栅(7)输出的实际转角输出(8)经反馈后在比较器(2)中和指令转角输入(1)相减得到角度误差输入给PID控制器(3)，根据PID控制算法由角度误差计算并输出控制电压，该控制电压经过控制方式切换器(5)输入给电机(6)，电机(6)的实际转角由光栅(7)输出；主动控制方式由反电压输入(4)、控制方式切换器(5)、电机(6)和光栅(7)组成，反向电压输入(4)经过控制方式切换器(5)到达电机(6)，再由光栅(7)输出实际转角；电机匀速旋转时控制方式切换器(5)切换到PID控制方式，保证了平稳旋转的精度，在电机反转前控制方式切换器(5)切换到主动控制方式，根据公式(1)对电机施加时间长度为1～10ms的反向电压U_T，并在仿真或者实际中调试U_T，电机(6)反转后再切换为PID控制方式，并由近似计算公式(2)设置PID控制器中的积分器初值，电机又开始匀速旋转。

2.根据权利要求1所述的电机正反转控制系统，其特征在于：所述比较器(2)、PID控制器(3)和控制方式切换器(5)均由计算机或者微处理器实现。

3.一种直流电机的高精度正反转控制方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)电机平稳旋转时采用PID控制方式，调整好PID控制器参数，使其满足平稳旋转时的精度要求并具有一定的抗干扰性；

(2)电机反转前转换为主动控制方式，对电机施加时间长度为1～10ms的反向电压U_T，并在仿真或者实际中调试U_T，使电机高精度、平稳反转，反向电压U_T的计算公式为：

$U_T=\frac{2{\mathrm{\ω}}_c\·J\·R}{\mathrm{\ΔT}\·C_m}---\left(1\right)$

(3)电机反转后再转换为PID控制，并根据摩擦情况和电机参数给PID控制器中的积分器赋初值，初值的计算公式为：

$\frac{M_f}{C_m}\·R+(\frac{B}{C_m}\·R+C_e)\·{\mathrm{\ω}}_c---\left(2\right)$

其中：R为电枢电阻；J为电机的转动惯量；ω_c为电机平稳旋转时的转速的大小；C_m为力矩系数；ΔT为主动控制的时间长度；M_f为静摩擦力矩；B为粘滞摩擦系数；C_e为反电势系数；

若摩擦力矩和反电势系数很小，以致使(2)式对应的等效力矩小于0.03N·m，也可直接将积分器清零。

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