CN102904496A - 双电机同步控制系统及其同步控制的方法 - Google Patents

Abstract

一种双电机同步控制系统，包括：两个电机串级控制部以及一同步控制器。其中，电机串级控制部，用于设定电机的参数信息以及控制模式，并根据参数信息以及控制模式驱动电机运转，根据控制模式输出电机的实际转速或者实际位置，同步控制器，用于接收电机的实际转速或者实际位置，并根据设定转速或设定位置对电机的运动进行补偿。本发明中的双电机同步控制系统降低控制成本，提高运动精度。

Description

双电机同步控制系统及其同步控制的方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种双电机同步控制系统及其同步控制的方法。

背景技术

随着运动控制技术的发展，电机同步控制技术在各个技术领域中得到了越来越多的应用。随之而来的对电机同步控制技术的要求也越来越高，除了要求在一些常规系统中能够进行高精度的控制效果，还要在一些特殊需求中能够得到很好的应用。比如：医用CT的一种工作方式是螺旋扫描，在这种方式下，要求CT机旋转机架做匀速转动，载有患者的运动床做匀速水平运动，两者具有一定的位置对应关系以达到均匀投影采样的目的。旋转机架承载着系统的各个模块，与运动床的驱动电机负载相差悬殊，大惯量调速响应缓慢，但容易维持运行状态，并且，两电机(旋转机架电机和运动床电机)在同步控制过程中所受到的负载扰动形式不同，一个为周期性大负载扰动，一个为恒值小扰动，这就使得两个电机在同步过程中会出现幅值和相角不一致，影响同步效果。

现有的医用CT产品中，传动链驱动方式增加了机架内部件数量，步进电机固有的丢步问题又降低了运动的精度，而且所使用的运动控制卡不仅成本较高而且功能单一，对于不同电机型号的控制不具有广泛的兼容性，对于一些特殊应用不能很好地实现，局限性很大。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种双电机同步控制系统及双电机同步控制的方法，降低控制成本，提高运动精度。

本发明提供的双电机同步控制系统包括两个电机串级控制部以及一同步控制器。其中，所述电机串级控制部包括：电机，用于带动负载运动；电机控制模块，用于设定所述电机的参数信息以及控制模式；电机驱动模块，用于接收所述电机控制模块的参数信息以及控制模式，并将所述参数信息配置给所述电机，根据所述控制模式驱动电机运转；传感器模块，用于感应所述电机的运动，并根据电机控制模式输出所述电机的实际转速或者实际位置；所述同步控制器，包括：数据采集模块，用于根据电机控制模式采集所述传感器模块输出的实际转速或者实际位置，形成模拟信号量；A/D数据转换模块，用于将所述模拟信号量转换为数字信息；补偿器模块，用于对所述数字信息进行补偿，并输出补偿数字信息；D/A数据转换模块，用于将所述补偿数字信息转换为补偿模拟信息，并将所述补偿模拟信息反馈给所述电机串级控制部，对所述电机的运动进行修正。

本发明提供的双电机同步控制的方法，包括：设定电机的控制参数以及控制模式；根据所述控制参数以及控制模式驱动电机运转；感应所述电机的运动，并根据电机控制模式输出所述电机的实际转速或者实际位置，并形成模拟信号量；将所述模拟信号量转换为数字信息；对所述数字信息进行补偿，并输出补偿数字信息，将所述补偿数字信息转换为补偿模拟信息；将所述补偿模拟信息反馈给电机串级控制部，对所述电机的运动进行修正。

本发明所提供的双电机同步控制系统及双电机同步控制的方法通过补偿器模块对实际转速与实际位置进行补偿，以实现对电机的运动修正，降低控制成本，提高运动精度。

附图说明

图1为本发明一实施方式中双电机同步控制系统的结构图；

图2为本发明一实施方式中双电机同步控制的方法的流程图；

图3为图2中速度控制模式下步骤S108的具体步骤图；

图4为图2中位置控制模式下步骤S108的具体步骤图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1，图1所示为本发明一实施方式中双电机同步控制系统的结构图。

在本实施方式中，双电机同步控制系统包括：两个电机串级控制部10以及一个同步控制器20。

在本实施方式中，电机串级控制部10包括电机100、电机控制模块102、电机驱动模块104以及传感器模块106。

在本实施方式中，电机100用于带动负载运动。

所述电机控制模块102用于设定电机100的参数信息以及控制模式。在本实施方式中，电机100的参数信息包括：电机100的设定转速以及所述电机100的设定位置，电机100的控制模式包括：速度控制模式以及位置控制模式。

在本实施方式中，电机控制模块102包括速度环PI控制模块与位置环PI控制模块。其中，速度环PI控制模块设置电机100的设定转速，位置环PI控制模块设置电机100的设定位置。

电机驱动模块104用于接收所述电机控制模块102的参数信息以及控制模式，并将所述参数信息配置给所述电机100，根据所述控制模式驱动电机100运转。

所述传感器模块106用于感应所述电机100的运动，并根据电机控制模式输出所述电机100的实际转速或者实际位置。

在本实施方中，同步控制器20包括：数据采集模块200、A/D数据转换模块202、补偿器模块204以及D/A数据转换模块206。

在本实施方式中，数据采集模块200用于根据电机控制模式采集所述传感器模块106输出的实际转速或者实际位置，形成模拟信号量。

在本实施方式中，当电机控制模式为速度控制模式，则所述数据采集模块200采集所述传感器模块106输出的实际转速，当电机控制模式为位置控制模式，则所述数据采集模块200采集所述传感器模块106输出的实际位置。

A/D数据转换模块202用于将所述模拟信号量转换为数字信息。

补偿器模块204对所述数字信息进行补偿，并输出补偿数字信息。

在本实施方式中，所述补偿器模块204包括相角补偿与幅值补偿，其中，相角补偿，用于对所述数字信息的相角滞后进行补偿；幅值补偿，用于对所述数字信息的幅值损失进行补偿。

在本实施方式中，所述补偿器模块204在速度控制模式下对电机100的实际转速以及设定转速求转速差值，并根据所述转速差值获取所述补偿数字信息。

在本实施方式中，所述补偿器模块204在位置控制模式下对电机100的实际位置以及设定位置求位置差值，并根据所述位置差值获取所述补偿数字信息。

在本实施方式中，补偿器模块204是利用基于改进后的频率复合校正方法，通过逐次迭代，保证了一电机对另一电机的周期性干扰信号进行快速准确的跟踪，以提高系统的同步性。

在本实施方式中，为了保证一电机能够跟踪到另一电机的周期性负载，补偿器模块204的设计须考虑的对象为另一电机输出对另一电机输入的传递函数G₂₂，一电机输出对一电机负载周期扰动的传递函数G₁₃，以及另一电机输出对另一电机输出以及负载扰动的传递函数G₂₃。

补偿器模块204分析一电机的所述数字信息中的幅值与相角损失，并补偿传递函数G₂₂带来的幅值和相角损失，通过改进后改的频率复合校正方法得到补偿器模块204的传递函数G_f1，将一电机视为另一电机的干扰，补偿传递函数G₂₃带来的幅值和相角损失，所设计的补偿器模块204的传递函数为G_f2，因此同步控制系统的补偿器模块204的传递函数即为G_f＝G_f1·G_f2。

例如，以另一电机为对象，由其经过串级控制后的开环传递函数G₂₂绘制伯德(bode)图，读出周期性干扰的频率为w时的系统相角和幅值损失分别为α和k，选取：

a＝(1+sinα)/(1-sinα)

为系统的分度系数，令：

$b=\frac{1}{\mathrm{\ω}\sqrt{a}}$

进行变量代换后，取：

$G=\frac{\mathrm{abs}+1}{\mathrm{abs}+a}$

验证G的相角为α，再取：

$G_{f1}=\mathrm{kG}=k\frac{\mathrm{abs}+1}{\mathrm{abs}+a}$

这样就在不影响系统稳定性的情况下保证了经过串级控制后损失的相角和幅值能够得到补偿。需要注意的是当系统本身的相角损失较大时，一级校正不能满足补偿需求，应选择合适的分度系数，进行多级补偿。

D/A数据转换模块206用于将所述补偿数字信息转换为补偿模拟信息，并将所述补偿模拟信息反馈给所述电机串级控制部10，对所述电机100的运动进行修正。

请参阅图2，图2所示为本发明一实施方式中双电机同步控制的方法的流程图。

在本实施方式中，双电机控制方式包括：交叉耦合控制以及主从同步控制。

在步骤S100，电机控制模块102设定电机100的控制参数以及控制模式。在本实施方式中，电机100的参数信息包括：电机100的设定转速以及所述电机100的设定位置，电机100的控制模式包括：速度控制模式以及位置控制模式。

在步骤S102，电机驱动模块104根据所述控制参数以及控制模式驱动电机100运转。

在步骤S104传感器模块106感应所述电机100的运动，并根据电机100控制模式输出所述电机100的实际转速或者实际位置，并形成模拟信号量。在本实施方式中，电机100的控制模式为速度控制模式时，传感器模块106输出电机100的实际转速，电机100的控制模式为位置控制模式时，传感器模块106输出电机100的实际位置。

在步骤S106，A/D数据转换模块202将所述模拟信号量转换为数字信息。

在步骤S108，补偿器模块204对所述数字信息进行补偿，并输出补偿数字信息。

在本实施方式中，若双电机的控制方式为主从同步控制，且在速度控制模式下，则补偿器模块204上对两电机100输出信号进行补偿，保证两电机输出信号同步。同步控制的具体过程为，先将采集到的一电机实际转速与一电机输入设定转速做差，得到一电机受负载扰动的输出信号，再根据另一电机的传递函数，估计一电机的扰动输出信号经过另一电机时的幅值和相角损失，通过频率复合校正方法得到补偿器模块204的传递函数，对一电机的扰动输出信号分别进行幅值和相角补偿；再将采集到的另一电机实际转速与另一电机输入的设定转速做差，该差值与经过补偿后的一电机扰动输出信号相加后得到另一电机的速度补偿信号。

在本实施方式中，若双电机的控制方式为交叉耦合控制，且在速度控制模式下，则补偿器模块204上对两电机输出信号进行补偿，保证两电机输出信号同步。将采集到的一电机实际转速与一电机输入设定转速做差，得到一电机受负载扰动的输出信号，再根据另一电机的传递函数估计一电机的扰动信号经过另一电机时的幅值和相角损失，通过改进后的频率复合校正方法得到另一电机补偿器模块204的传递函数，对一电机输出信号分别进行幅值和相角补偿；同时将采集到的另一电机实际转速与另一电机输入设定转速做差，得到另一电机受负载扰动的输出信号，再根据一电机传递函数得到信号经过一电机时的幅值和相角损失，通过改进后的频率复合校正方法得到一电机补偿器模块204的传递函数，对另一电机输出信号分别进行幅值和相角补偿。

在步骤S110，D/A数据转换模块206将所述补偿数字信息转换为补偿模拟信息。

在步骤S112，D/A数据转换模块206将所述补偿模拟信息反馈给所述电机串级控制部10，对所述电机100的运动进行修正。在本实施方式中，所述补偿模拟信息通过电机控制模块102以及电机驱动模块104来实现对电机100的运动进行修正。

请参阅图3，图3所示为图2中速度控制模式下步骤S108的具体步骤图。

在步骤S1081，补偿器模块204在速度控制模式下获取所述电机100的实际转速。

在步骤S1082，补偿器模块204对实际转速与设定转速求差以获取转速差值；以及

在步骤S1083，补偿器模块204根据所述转速差值进行补偿，以获取补偿数字信息。

请参阅图4，图4所示为图2中位置控制模式下步骤S108的具体步骤图。

在步骤S1084，补偿器模块204在位置控制模式下获取所述电机的实际位置。

在步骤S1085，补偿器模块204对实际转速与设定转速求差以获取位置差值；以及

在步骤S1086，补偿器模块204根据所述位置差值进行补偿，以获取补偿数字信息。

本发明所提供的双电机同步控制系统及双电机同步控制的方法通过补偿器模块204对实际转速与实际位置进行补偿，以实现对电机的运动修正，降低控制成本，提高运动精度。

虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。

Claims (12)

1.一种双电机同步控制系统，包括两个电机串级控制部和一个同步控制器，其中：

所述电机串级控制部，包括：

电机，用于带动负载运动；

电机控制模块，用于设定所述电机的参数信息以及控制模式；

电机驱动模块，用于接收所述电机控制模块的参数信息以及控制模式，并将所述参数信息配置给所述电机，根据所述控制模式驱动电机运转；

传感器模块，用于感应所述电机的运动，并根据电机控制模式输出所述电机的实际转速或者实际位置；

所述同步控制器，包括：

数据采集模块，用于根据电机控制模式采集所述传感器模块输出的实际转速或者实际位置，形成模拟信号量；

A/D数据转换模块，用于将所述模拟信号量转换为数字信息；

补偿器模块，用于对所述数字信息进行补偿，并输出补偿数字信息；

D/A数据转换模块，用于将所述补偿数字信息转换为补偿模拟信息，并将所述补偿模拟信息反馈给所述电机串级控制部，对所述电机的运动进行修正。

2.如权利要求1所述的双电机同步控制系统，其特征在于，所述补偿器模块包括：相角补偿，用于对所述数字信息的相角滞后进行补偿；

幅值补偿，用于对所述数字信息的幅值损失进行补偿。

3.如权利要求1所述的双电机同步控制系统，其特征在于，所述电机控制模式包括速度控制模式与位置控制模式。

4.如权利要求3所述的双电机同步控制系统，其特征在于，所述电机的参数信息包括所述电机的设定转速以及所述电机的设定位置。

5.如权利要求4所述的双电机同步控制系统，其特征在于，所述补偿器模块在速度控制模式下对两个所述电机的实际转速以及设定转速分别求转速差值，并根据所述转速差值获取所述补偿数字信息。

6.如权利要求4所述的双电机同步控制系统，其特征在于，所述补偿器模块在位置控制模式下对两个所述电机的实际位置以及设定位置分别求位置差值，并根据所述位置差值获取所述补偿数字信息。

7.一种双电机同步控制的方法，包括：

设定所述电机的控制参数以及控制模式；

根据所述控制参数以及控制模式驱动电机运转；

感应所述电机的运动，并根据电机控制模式输出所述电机的实际转速或者实际位置，并形成模拟信号量；

将所述模拟信号量转换为数字信息；

对所述数字信息进行补偿，并输出补偿数字信息，将所述补偿数字信息转换为补偿模拟信息；

将所述补偿模拟信息反馈给两个所述电机串级控制部，对两个所述电机的运动进行修正。

8.如权利要求7所述的双电机同步控制的方法，其特征在于，利用柏德图对所述数字信息进行补偿时包括相角补偿与幅值补偿。

9.如权利要求7所述的双电机同步控制的方法，其特征在于，所述电机控制模式包括速度控制模式与位置控制模式。

10.如权利要求9所述的双电机同步控制的方法，其特征在于，所述电机的参数信息包括所述电机的设定转速以及所述电机的设定位置。

11.如权利要求10所述的双电机同步控制的方法，其特征在于，

所述对所述数字信息进行补偿，并输出补偿数字信息，将所述补偿数字信息转换为补偿模拟信息的步骤包括：

在速度控制模式下获取所述电机的实际转速；

对实际转速与设定转速求差以获取转速差值；以及

根据所述转速差值进行补偿，以获取补偿数字信息。

12.如权利要求10所述的双电机同步控制的方法，其特征在于，

所述对所述数字信息进行补偿，并输出补偿数字信息，将所述补偿数字信息转换为补偿模拟信息的步骤包括：

在位置控制模式下获取所述电机的实际位置；

对实际位置与设定位置求差以获取位置差值；以及

根据所述位置差值进行补偿，以获取补偿数字信息。

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