CN104333282B - 直流电机式电动推杆的精确定位控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流电机式电动推杆的精确定位控制方法。本发明方法通过对电动推杆的直流电机进行闭环控制，实现精确定位控制。首先通过对两个霍尔传感器产生的脉冲信号进行鉴相计数，获取电机旋转圈数及旋转方向，根据电动推杆的螺杆螺距实时获得电动推杆的当前定位位置；采用离散式PID控制方法，将电动推杆的设定定位位置与当前定位位置的偏差值作为PID控制的输入值，PWM的脉冲宽度作为PID控制的输出值；根据脉冲宽度值的正负控制直流电机轴转动方向，根据脉冲宽度的绝对值大小控制直流电机轴转速。本发明实现了电动推杆的精确定位，使较低生产成本的直流电机式电动推杆具有步进电机式和伺服式电动推杆的精确定位功能。

Description

直流电机式电动推杆的精确定位控制方法

技术领域

本发明属于控制技术领域，涉及一种电动推杆的精确定位控制技术，特别是将这种定位控制方法应用于直流电机式电动推杆，以实现其精确定位的功能。

背景技术

电动推杆是一种线性驱动装置，利用丝杠螺母传动，将驱动电机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动。可用于各种简单或复杂的工艺流程中做为执行机械使用，以实现远距离控制、集中控制或自动控制。电动推杆广泛用于电动医疗床、电动沙发、电动展台升降杆、工业电动升降系统等。

电动推杆按驱动电机的类型可分为：直流电机式(12/24/36V)、交流电机式(220/380V)、步进电机式和伺服电机式等。交流电机式电动推杆存在噪音大、安全性低、功能单一等缺点。步进电机式、伺服电机式电动推杆定位精度高，但存在控制结构复杂、性价比不高等缺点。直流电机运行噪音低、使用安全性强、产品性价比高，直流电机式电动推杆能满足对产品的安全性及绿色环保的要求，因此目前电动推杆普遍采用直流电机作为动力源，但直流电机不便于精确定位控制，导致直流电机式电动推杆无法满足需要精确定位控制的产品应用需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的直流电机式电动推杆无法实现精确的定位控制，提供一种直流式电动推杆精确定位控制的方法。

本发明通过对电动推杆的直流电机进行闭环控制，实现精确定位控制，具体是：步骤(1)、在直流电机机芯端盖上对应电机轴圆周的两侧各安装一个霍尔传感器，当电机轴旋转一周时，两个霍尔传感器产生两个相位差90°的脉冲信号。

步骤(2)、直流电机轴转动时，对霍尔传感器产生的脉冲信号进行鉴相计数，以获取电机旋转圈数及旋转方向，根据电动推杆的螺杆螺距实时获得电动推杆的当前定位位置。

步骤(3)、采用离散式PID(比例积分微分)控制方法，将电动推杆的设定定位位置与当前定位位置的偏差值e(k)作为PID控制的输入值，PWM(脉冲宽度调制)的脉冲宽度u(k)作为PID控制的输出值；PID控制方法为：

其中Kp为比例系数、Ki为积分系数、和Kd为微分系数，k为采样序号，k＝1,2,3…；

所述的电动推杆的设定定位位置为待实现的电动推杆定位位置；

步骤(4)、根据u(k)值的正负控制直流电机轴转动方向：u(k)＞0时，输出一个高电平TTL信号，u(k)＜0时，输出一个低电平TTL信号，TTL信号经过电流驱动芯片后控制双开双掷的继电器，继电器控制供给电机的电流的方向，实现控制电机的旋转方向；u(k)＞0时，电机正转，u(k)＜0，电机反转；

根据脉冲宽度u(k)的绝对值控制直流电机轴转速；利用脉冲宽度u(k)的绝对值调制PWM脉冲波；PWM脉冲波经过放大后驱动场效应管，改变电机的驱动电流大小，从而实现电机速度的控制；偏差值e(k)的绝对值越大，其输出值脉冲宽度u(k)的绝对值越大，即控制电机加速运动；偏差值e(k)的绝对值越小，其输出值脉冲宽度u(k)的绝对值越小，即控制电机减速运动；e(k)＝0时，u(k)＝0，即控制电机停止。

本发明的有益效果是：通过对电动推杆的直流电机进行闭环控制，实现了电动推杆的精确定位，使较低生产成本的直流电机式电动推杆具有步进电机式和伺服式电动推杆的精确定位功能。

附图说明

图1是电动推杆的直流电机闭环控制结构图；

图2是对直流电机双霍尔传感信号的鉴相计数处理图；

图3是电动推杆的直流电机PID控制原理图。

具体实施方式

图1为电动推杆的直流电机闭环控制的结构组成。在整个闭环控制系统中，包括：电动推杆控制器1和电动推杆9。电动推杆控制器1包括主控模块2和外围电路模块，外围电路模块包括PWM信号放大器5、场效应管6、电流驱动芯片7和双开双掷的继电器8等，主控模块2包括PID模块3和A/D模块4等，电动推杆9包括直流电机10和霍尔传感器11等。PID模块3根据PID算法计算后，发出PWM脉冲，经PWM信号放大器5放大后驱动场效应管6，改变电动推杆9的直流电机10的驱动电流大小，从而实现直流电机10速度的控制；主控模块2输出一个TTL电平信号，该信号经过电流驱动芯片7后控制一个双开双掷的继电器8，控制供给电动推杆9内的直流电机10的电流的方向，从而控制直流电机10的旋转方向。在直流电机10机芯端盖上对应电机轴圆周的两侧各安装一个霍尔传感器11，当直流电机10旋转一周时，这两个霍尔传感器11会产生两个相位差90度的脉冲信号，传递给电动推杆控制器1，经主控模块2内的A/D模块4采集霍尔传感信号，通过鉴相计数，以获取电机旋转圈数及旋转方向，实时获得电动推杆的当前定位位置数据，该数据再由PID模块3处理，从而实现对电动推杆9的直流电机10的闭环精确定位控制。

图2为对直流电机双霍尔传感信号的鉴相计数处理图。直流电机的位置反馈元件采用霍尔传感器，采用双霍尔反馈的方式，其产生的位置信号为相位差90°的正交信号。主控模块采用中断的方式由A/D模块对传感信号进行采集，并进行正交信号的鉴相计数，其原理为：主控模块对每一路霍尔反馈信号进行中断信号采集，中断信号触发采用上升/下降边沿触发方式，即无论是上升沿还是下降沿都会触发中断；在中断触发后主控模块读取双霍尔信号的两个端口进行端口扫描，并将其与上一次中断的端口值进行比较，判断直流电机的运动方向，进行脉冲数的累加或减少。直流电机正向运动时，其双霍尔信号的端口值变换顺序为：00->10->11->01，电机的当前定位位置值累加；当直流电机反向运动时，其双霍尔信号的端口值变换顺序为：00->01->11->10，电机的当前定位位置值减小。

图3为电动推杆的直流电机PID控制原理图。直流电机的闭环精确定位控制算法采用的是离散PID控制算法。为了实现对直流电机的闭环精确定位控制，对直流电机设定两个参数：设定定位位置sv与当前定位位置pv。当直流电机需要运动时，用户通过手控器对设定位置值sv进行调整。pv值为直流电机实际运动的采样值，是直流电机的实际位置。所以，第k次采样时刻的输入偏差值为：

e(k)＝sv-pv

将偏差值e(k)作为PID控制的输入值，PWM(脉冲宽度调制)的脉冲宽度u(k)作为PID控制的输出值，描述为：

其中Kp为比例系数、Ki为积分系数、和Kd为微分系数，k为采样序号，k＝1,2,3…。

根据u(k)值的正负控制直流电机轴转动方向：u(k)＞0时，输出一个高电平TTL信号，u(k)＜0时，输出一个低电平TTL信号，TTL信号经过电流驱动芯片后控制双开双掷的继电器，继电器控制供给电机的电流的方向，实现控制电机的旋转方向；u(k)＞0时，电机正转，u(k)＜0，电机反转；

根据脉冲宽度u(k)的绝对值控制直流电机轴转速；利用脉冲宽度u(k)的绝对值调制PWM脉冲波；PWM脉冲波经过放大后驱动场效应管，改变电机的驱动电流大小，从而实现电机速度的控制；偏差值e(k)的绝对值越大，其输出值脉冲宽度u(k)的绝对值越大，即控制电机加速运动；偏差值e(k)的绝对值越小，其输出值脉冲宽度u(k)的绝对值越小，即控制电机减速运动；e(k)＝0时，u(k)＝0，即控制电机停止,从而实现直流电机的闭环精确定位运动控制。

Claims (1)

1.直流电机式电动推杆的精确定位控制方法，其特征在于：该方法通过对电动推杆的直流电机进行闭环控制，实现精确定位控制，具体是：

步骤(1)、在直流电机机芯端盖上对应电机轴圆周的两侧各安装一个霍尔传感器，当电机轴旋转一周时，两个霍尔传感器产生两个相位差90°的脉冲信号；

步骤(2)、直流电机轴转动时，对霍尔传感器产生的脉冲信号进行鉴相计数，以获取电机旋转圈数及旋转方向，根据电动推杆的螺杆螺距实时获得电动推杆的当前定位位置；

步骤(3)、采用离散式PID控制方法，将电动推杆的设定定位位置与当前定位位置的偏差值e(k)作为PID控制的输入值，PWM的脉冲宽度u(k)作为PID控制的输出值；PID控制方法为：

$u\left(k\right)=Kp\×e\left(k\right)+Ki\×\underset{j=0}{\overset{k}{\Σ}}e\left(j\right)+Kd\×\[e\left(k\right)-e(k-1)\]$

其中Kp为比例系数、Ki为积分系数、和Kd为微分系数，k为采样序号，k＝1,2,3…；

所述的电动推杆的设定定位位置为待实现的电动推杆定位位置；

步骤(4)、根据u(k)值的正负控制直流电机轴转动方向：u(k)＞0时，输出一个高电平TTL信号，u(k)＜0时，输出一个低电平TTL信号，TTL信号经过电流驱动芯片后控制双开双掷的继电器，继电器控制供给电机的电流的方向，实现控制电机的旋转方向；u(k)＞0时，电机正转，u(k)＜0，电机反转；

根据脉冲宽度u(k)的绝对值控制直流电机轴转速：利用脉冲宽度u(k)的绝对值调制PWM脉冲波；PWM脉冲波经过放大后驱动场效应管，改变电机的驱动电流大小，从而实现电机速度的控制；偏差值e(k)的绝对值越大，PID控制的输出值脉冲宽度u(k)的绝对值越大，即控制电机加速运动；偏差值e(k)的绝对值越小，PID控制的输出值脉冲宽度u(k)的绝对值越小，即控制电机减速运动；e(k)＝0时，u(k)＝0，即控制电机停止。