CN105356792A - 一种基于pid的多电机同步控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PID的多电机同步控制系统，包括主电机组和多个从电机组，所述主电机组包括主电机、由主电机驱动的主负载以及主负载轨道，所述从电机组包括从电机、由从电机驱动的从负载以及从负载轨道，所述主电机组还包括主方位检测模块和主速度检测模块以及安装在主负载上的主控制器，所述从电机组还包括从方位检测模块和从速度检测模块以及安装在从负载上的从控制器。本发明采用PID算法，能够精确调节电机的性能参数，使得多个电机组中驱动的负载实现自行同步。

Description

一种基于PID的多电机同步控制系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种基于PID的多电机同步控制系统。

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，目前的同步控制系统，一般利用机械结构使得负载在不同长度的轨道上实现同步，或通过一般的控制器外加大量的传感器实现同步。

这两种同步方式存在的缺陷是：前者误差较大，且机械结构磨损较为严重，长期运行会使同步系统的误差增大；后者由于缺少一种精确的算法实现准确的同步，并且由于传感器过多，控制器的布线过于密集，使得同步控制系统的控制对象的数量受到一定程度上的限制。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明旨在提供一种基于PID的多电机同步控制系统。

技术方案：一种基于PID的多电机同步控制系统，包括主电机组和多个从电机组，所述主电机组包括主电机、由主电机驱动的主负载以及主负载轨道，所述从电机组包括从电机、由从电机驱动的从负载以及从负载轨道，所述主电机组还包括主方位检测模块和主速度检测模块以及安装在主负载上的主控制器，所述从电机组还包括从方位检测模块和从速度检测模块以及安装在从负载上的从控制器，其中，

主方位检测模块：检测主负载的方向信息和位置信息；

主速度检测模块：检测主负载的速度信息；

从方位检测模块：检测从负载的方向信息和位置信息；

从速度检测模块：检测从负载的速度信息；

工作时，主负载在主电机的驱动下开始运动，主方位检测模块与主速度检测模块将检测到的信息反馈至主控制器，由主控制器将信息发送给从控制器，从控制器采用PID算法处理后，控制从电机驱动从负载同步运动。

进一步的，所述主方位检测模块包括主霍尔元件和一对主金属块，主霍尔元件安装在主负载上，一对主金属块分别安装在主负载轨道的两端；所述从方位检测模块包括从霍尔元件和一对从金属块，从霍尔元件安装在从负载上，一对从金属块分别安装在从负载轨道的两端。

进一步的，所述主速度检测模块包括主光栅带和主红外对管，主光栅带设置在主负载轨道的表面，主光栅带的长度与主负载在主负载轨道上经过的长度一致，所述主红外对管安装在主负载上；所述从速度检测模块包括从光栅带和从红外对管，所述从光栅带设置在从负载轨道的表面，所述从光栅带的长度与从负载在从负载轨道上经过的长度一致，所述从红外对管安装在从负载上。

进一步的，所述主控制器中集成有主控制模块和无线通信发送模块，所述从控制器中集成有无线通信接收模块、从控制模块以及数模转换模块，其中，

主控制模块：接收主方位检测模块和主速度检测模块所检测的负载运动信息并处理；

无线通信发送模块：发送主控制模块处理后的信息；

无线通信接收模块：接收无线通信发送模块发送的信息；

从控制模块：使用PID算法将无线通信接收模块接受的信息与从方位检测模块和从速度检测模块所检测的负载运动信息进行比对，得到驱动从电机同步运动的数字信号；

数模转换模块：将从控制器得到的数字信号转换为驱动电机的模拟信号实现对从电机的控制。

有益效果：本发明采用PID算法，能够精确调节电机的性能参数，使得多个电机组中驱动的负载实现自行同步。并且通过数据的无线交互，及简化了系统的布线结构，又能够实现系统的分立，大大增加了同步系统中可控电机的数量。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于PID的多电机同步控制系统，包括主电机组和多个从电机组，如图2所示，所述主电机组包括主电机、由主电机驱动的主负载1、主负载轨道2、主方位检测模块、主速度检测模块以及安装在主负载1上的主控制器，并且主方位检测模块、主速度检测模块与主控制器均集成于主负载1内部，其中，

主方位检测模块：检测主负载1的方向信息和位置信息；主方位检测模块包括主霍尔元件和一对主金属块5，主霍尔元件安装在主负载1上，一对主金属块5分别安装在主负载轨道2的两端；

主速度检测模块：检测主负载1的速度信息；主速度检测模块包括主光栅带7和主红外对管，主光栅带7设置在主负载轨道2的表面，主光栅带7的长度与主负载1在主负载轨道2上经过的长度一致，所述主红外对管安装在主负载1上。

所述从电机组包括从电机、由从电机驱动的从负载3、从负载轨道4、从方位检测模块和从速度检测模块以及安装在从负载3上的从控制器，并且从方位检测模块、从速度检测模块与从控制器均集成于从负载3内部，其中，

从方位检测模块：检测从负载3的方向信息和位置信息，从方位检测模块包括从霍尔元件和一对从金属块6，从霍尔元件安装在从负载3上，一对从金属块6分别安装在从负载轨道4的两端；

从速度检测模块：检测从负载3的速度信息；从速度检测模块包括从光栅带8和从红外对管，所述从光栅带8设置在从负载轨道4的表面，所述从光栅带8的长度与从负载3在从负载轨道4上经过的长度一致，所述从红外对管安装在从负载3上。

主控制器中集成有主控制模块和无线通信发送模块，主控制模块用于接收主方位检测模块和主速度检测模块所检测的负载运动信息并处理；无线通信发送模块用于发送主控制模块处理后的信息。

从控制器中集成有无线通信接收模块、从控制模块以及数模转换模块，其中，

无线通信接收模块：接收无线通信发送模块发送的信息；

从控制模块：使用PID算法将无线通信接收模块接受的信息与从方位检测模块和从速度检测模块所检测的负载运动信息进行比对，得到驱动从电机同步运动的数字信号；

数模转换模块：将从控制器得到的数字信号转换为驱动电机的模拟信号实现对从电机的控制，数模转换模块与从电机相连。

工作时，主负载1在主电机的驱动下开始运动，通过主红外对管和主光栅带7检测得到主负载1的运行速度。每当主负载1接近轨道两端的主金属块5时，主霍尔元件都会给主控制器发送一个信号，给出主负载1的位置信息。主控制器得到主方位检测模块和主速度检测模块反馈的信息，通过无线通信发送模块，将主负载1的速度和位置信息发送给从控制器，这样每个从控制器通过两组数据的对比，并利用PID算法，再将数字信号转换为模拟信号即可驱动不同轨道上的从负载3与主负载1的相位同步。

由于电机在运行过程中速度是不断变化的，要实现系统的同步，就要使得负载从轨道的同一位置出发，同时到达轨道的另一位置。由于速度不能突变，所以当负载从轨道一端运行到另一端的时间T(规定T为10秒)确定后，负载的速度在时间T内的积分就是轨道的长度,令S1为主负载轨道2的长度、v1(t)为主负载1的速度，则有令S2为从负载轨道4的长度、v2(t)为从负载3的速度，则有因此，要实现负载的同步就要使得在相同的时间段内两个速度对时间的积分比，即(其中k＝S1/S2,为常数，是主从轨道长度之比，t为0—T的任意时刻)而控制器使用的是一种离散的采样控制，所以要将模拟系统中的积分运算转化为数值运算，已知规定T＝10秒，而主从控制器每10毫秒采样一次速度检测器的信息，在10秒钟内共采样1000次，则将转化为所以，本同步控制系统采样这样的控制方式：

首先主控制模块发送一串数字驱动信号，通过数模转换模块使数字信号转换为模拟信号，模拟信号驱动主电机，使得得主负载1以低速运转到轨道左端，当主霍尔元件位于主金属块5上方时，主控制模块发送停止信号，使得主负载1在轨道左端等待从负载3，同时主霍尔元件、主金属块5构成的方位检测模块反馈主负载1的位置信息给主控制模块，主控制模块通过无线通讯模块，将主负载1的位置信息发送给从控制器中的无线通讯模块，从控制器内部的无线通讯模块接收主负载1的方位信息后，从控制模块发出一串数字驱动信号，通过数模转换模块使数字信号转换为模拟信号，模拟信号驱动从电机，使得从负载3也以低速运转到轨道左端。当从负载3上的的主霍尔元件位于主金属块5上方时，同时主霍尔元件、主金属块5构成的方位检测模块反馈从负载3的位置信息给从控制模块，从控制模块通过无线通讯模块，将从负载3的方位信息发送给主控制器。当主从负载3同时位于到轨道的左端时，赋予主电机速度v1赋予从电机速度v2(在编写程序时通过程序将v1、v2转化为数字量，再通过数模转换模块输该模拟量)

下面利用PID算法实现

下面令

其中n为采样次数，C(n)表明经过n次采样后主负载1运行的实际路程与从负载3运行的实际路程之比，为实际输出值；

令R(n)相当于系统的给定输入；

E(n)＝R(n)-C(n),E(n)为系统偏差；

Kp为比例系数；

Ki为积分系数；

Kd为微分系数。

(Kp,Ki,Kd由实验测的，且均为常数)

则数字PID控制器的表达式为

$U\left(n\right)=Kp\×E\left(n\right)+ki\underset{j=0}{\overset{k}{\Σ}}E\left(j\right)+Kd\×\[E\left(n\right)-E(n-1)\]---\left(1\right)$

由(1)式可得k-1时刻PID调节的表达式

$U(n-1)=Kp\×E(n-1)+ki\underset{j=0}{\overset{k-1}{\Σ}}E\left(j\right)+Kd\×\[E(n-1)-E(n-2)\]---\left(2\right)$

将式(1)减去式(2)可得

U(n)＝U(n-1)+Kp×[E(n)-E(n-1)]+ki×E(n)+Kd×[E(n)-2E(n-1)+E(n-2)]为表达方便可讲上面式子展开，得到下面的表达式

U(n)＝U(n-1)+a0×E(n)+a1×E(n-1)+a2×E(n-2)

其中U(n)表示第经过PID调节后的路程比

a0＝Kp+Ki+Kd

a1＝-Kp-2Kd

a2＝Kd

得到U(n)后，令反解出v2(n)(v2(n)为到下个采样点之前从电动机运转的速度)，在程序中将该速度转换为数字量并通数模转换模块输出给从电机，实现对该从负载3的速度调节。当时间为T时使得主、从负载3同时到达各自轨道的右端。当主、从负载3上的霍尔元件处于各自轨道上的金属块上方时，主、从控制器各自的方位检测模块发送方位信息给主从控制器，此时主、从控制器重新对速度开始检测，根据上示原理重新运行。

Claims (4)

1.一种基于PID的多电机同步控制系统，包括主电机组和多个从电机组，所述主电机组包括主电机、由主电机驱动的主负载(1)以及主负载轨道(2)，所述从电机组包括从电机、由从电机驱动的从负载(3)以及从负载轨道(4)，其特征在于，所述主电机组还包括主方位检测模块和主速度检测模块以及安装在主负载(1)上的主控制器，所述从电机组还包括从方位检测模块和从速度检测模块以及安装在从负载(3)上的从控制器，其中，

主方位检测模块：检测主负载(1)的方向信息和位置信息；

主速度检测模块：检测主负载(1)的速度信息；

从方位检测模块：检测从负载(3)的方向信息和位置信息；

从速度检测模块：检测从负载(3)的速度信息；

工作时，主负载(1)在主电机的驱动下开始运动，主方位检测模块与主速度检测模块将检测到的信息反馈至主控制器，由主控制器将信息发送给从控制器，从控制器采用PID算法处理后，控制从电机驱动从负载(3)同步运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于PID的多电机同步控制系统，其特征在于，所述主方位检测模块包括主霍尔元件和一对主金属块(5)，主霍尔元件安装在主负载(1)上，一对主金属块(5)分别安装在主负载轨道(2)的两端；所述从方位检测模块包括从霍尔元件和一对从金属块(6)，从霍尔元件安装在从负载(3)上，一对从金属块(6)分别安装在从负载轨道(4)的两端。

3.根据权利要求1所述的一种基于PID的多电机同步控制系统，其特征在于，所述主速度检测模块包括主光栅带(7)和主红外对管，主光栅带设置在主负载轨道(2)的表面，主光栅带(7)的长度与主负载(1)在主负载轨道(2)上经过的长度一致，所述主红外对管安装在主负载(1)上；所述从速度检测模块包括从光栅带和从红外对管，所述从光栅带(8)设置在从负载轨道(4)的表面，所述从光栅带(8)的长度与从负载(3)在从负载轨道(4)上经过的长度一致，所述从红外对管安装在从负载(3)上。

4.根据权利要求1所述的一种基于PID的多电机同步控制系统，其特征在于，所述主控制器中集成有主控制模块和无线通信发送模块，所述从控制器中集成有无线通信接收模块、从控制模块以及数模转换模块，其中，

主控制模块：接收主方位检测模块和主速度检测模块所检测的负载运动信息并处理；

无线通信发送模块：发送主控制模块处理后的信息；

无线通信接收模块：接收无线通信发送模块发送的信息；

从控制模块：使用PID算法将无线通信接收模块接受的信息与从方位检测模块和从速度检测模块所检测的负载运动信息进行比对，得到驱动从电机同步运动的数字信号；

数模转换模块：将从控制器得到的数字信号转换为驱动电机的模拟信号实现对从电机的控制。