CN105785908A - 一种直流电机角位移数字伺服控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电机角位移数字伺服控制系统，包括数字控制计算机、数/模转换模块、直流功率放大器、伺服对象、光电编码器和高速计数器模块；所述伺服对象由直流电机的输出端串接机械负载构成，所述数字控制计算机的输出端依次串接所述数/模转换模块、直流功率放大器后接所述直流电机的输入端，所述机械负载的输出端依次串接所述光电编码器和高速计数器模块后接所述数字控制计算机的输入端。本发明构造简单，节约成本，简化安装，而且系统响应快，具有极强的抗负载扰动能力。本发明还公开了一种直流电机角位移数字伺服控制方法。

Description

一种直流电机角位移数字伺服控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于机械精度控制技术领域，涉及一种直流电机角位移伺服控制，更具体地说，是涉及一种采用数字计算机实现的具有强抗负载扰动的直流电机角位移数字伺服控制系统及控制方法。

背景技术

闭环反馈控制是各种设备普遍采用的精确控制方法，为了实现闭环反馈控制，往往都是对输入、输出间的误差信号进行比例(P)、积分(I)、微分(D)等运算。目前，广泛使用的方法都是在前向通道中对误差进行PID运算，实施起来简单易行，但控制效果往往是响应不快，有超调，抗负载扰动能力差，只能满足一般应用场合。一个性能优良的闭环反馈控制方法除了要求快速响应性、无超调外，抗负载扰动也是一个重要的考量指标。被控量与目标值接近时的性能与设计要求的符合程度，几乎完全取决于系统的抗负载扰动能力。强抗负载扰动能力体现为在一定的负载扰动下，由负载扰动产生的响应幅值小，恢复时间短。大增益的积分控制可以提高系统的抗干扰能力，但增益的取值受到功率放大元件所能提供的最大驱动能力的限制。若将系统的控制结构分成若干含有积分的子系统，对每一子系统实施一定的运算，则前向通路中将有多个积分器，所有积分子系统的乘积是整个系统前向通路的增益，这要比单一积分系数大得多。虽然积分项越多，系统显得越复杂，但在数字计算机的参与下，通过软件的实施就避免了硬件的复杂性。

另外传统的PID控制往往没有考虑功率放大元件的线性输出能力问题，即使有所考虑，也为了减小或避免超调，人为降低使用功率放大元件的最大线性输出能力。系统的响应能力和抗负载扰动能力与功率放大元件的最大线性输出能力有极大的关系，这需要在控制参数的设计中有所体现。功率放大元件的线性输出能力体现在最大线性输出能力大，输出或抽取能量的速率大。最大线性输出能力大意味着系统响应快，输出或抽取能量的速率大意味着系统适应外界变化的能力强。通过这种思路设计出的直流电机角位移伺服系统才具有响应快且抗负载扰动能力强等优点。

由于各种机电设备负载扰动的不确定性、系统响应速度要求的提高，对直流电机角位移伺服系统性能提出了越来越高的要求。当今广泛使用的一般反馈控制方法已不能满足要求，采用新的直流电机角位移伺服控制方法是进一步提高直流电机角位移伺服系统性能所要解决的问题所在。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的问题和不足，提供一种具有强抗负载扰动的直流电机角位移数字伺服控制系统及控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种直流电机角位移数字伺服控制系统，包括数字控制计算机、数/模转换模块、直流功率放大器、伺服对象、光电编码器和高速计数器模块；其中所述伺服对象由直流电机的输出端串接机械负载构成，所述数字控制计算机的输出端依次串所述接数/模转换模块、直流功率放大器后接所述直流电机的输入端，所述机械负载的输出端依次串接所述光电编码器和高速计数器模块后接所述数字控制计算机的输入端。

为了达到上述目的，本发明采用的另一技术方案是：

一种直流电机角位移数字伺服控制系统的控制方法，包括如下步骤：

(1)将数字控制计算机程序中设置的积分器进行初始化，积分器清零；

(2)在数字控制计算机中输入角位移数字量指令信号值；

(3)高速计数器模块采集由光电编码器传送过来的机械负载角位移数字量反馈信号并传输给数字控制计算机；

(4)数字控制计算机对输入角位移数字量指令信号和机械负载角位移数字量反馈信号取误差；

(5)数字控制计算机对误差信号进行一次累加积分，得到一次累加积分结果；

(6)数字控制计算机对一次累加积分结果乘以一次积分系数K_i1，得到一次乘法运算结果；

(7)数字控制计算机对光电编码器反馈信号乘以一次反馈系数K_f1，得到二次乘法运算结果；

(8)数字控制计算机对一次乘法运算结果和二次乘法运算结果进行减法运算，得到一次减法运算结果；

(9)数字控制计算机对一次减法运算结果进行累加积分，得到二次累加积分结果；

(10)数字控制计算机对二次累加积分结果乘以二次积分系数K_i2，得到三次乘法运算结果；

(11)数字控制计算机对光电编码器反馈信号乘以二次反馈系数K_f2，得到四次乘法运算结果；

(12)数字控制计算机对三次乘法运算结果和四次乘法运算结果进行减法运算，得到二次减法运算结果；

(13)数字控制计算机对光电编码器反馈信号进行差分运算，得到差分运算结果；

(14)数字控制计算机对差分运算结果乘以差分系数K_d，得到五次乘法运算结果；

(15)数字控制计算机对二次减法运算结果和五次乘法运算结果进行减法运算，得到三次减法运算结果；

(16)数/模转换模块将三次减法运算结果进行数/模转换，得到模拟量控制信号，同时返回到步骤(2)；

(17)数/模转换模块将模拟量控制信号输入到直流功率放大器进行信号放大后驱动直流电机以带动机械负载运动。

上述所述一次积分系数K_i1、二次积分系数K_i2、一次反馈系数K_f1、二次反馈系数K_f2、差分系数K_d分别根据下列公式进行计算，作为其初始整定值：

$K_{i1}=5.697{\left(\frac{M_{\max }}{{\mathrm{Jr}}_{0,ml}K}\right)}^{1.5}$

$K_{i2}=31.216{\left(\frac{{\mathrm{JM}}_{\max }}{r_{0,ml}K}\right)}^{0.5}$

$K_{f1}=7.629\frac{M_{max}}{{\mathrm{Jr}}_{0,ml}K}$

$K_{f2}=120.057\frac{M_{\max }}{r_{0,ml}K}$

$K_d=K_{i2}=31.216{\left(\frac{N_{max}}{r_{0,ml}K}\right)}^{0.5}$

式中：J为伺服对象的等效转动惯量；K为直流功率放大器的放大倍数，M_max为直流功率放大器在线性范围内能够输出的最大电压；r_0,ml为线性范围内输入角位移数字量指令信号的最大值。

本发明的优点和有益效果是：

(1)本发明的控制系统只使用一个光电编码器就实现了伺服对象角度移和角速度等状态变量的反馈，构造简单，节约成本，简化安装。

(2)本发明的控制方法其控制参数的调整有计算公式可循，只要通过参数辨识方法辨识出伺服对象的等效转动惯量，就可以依据公式很快地调试出控制参数，避免了参数调整的盲目性，节省时间。

(3)本发明的控制系统不仅静态无静差，响应快，而且特性极硬，具有极强的抗负载扰动能力，负载变化引起的电压变化只要不超过直流功率放大器的最大线性范围，对输出几乎不造成影响，静态和动态性能得到全面改善。

附图说明

图1是本发明实施例的直流电机角位移数字伺服控制系统的构成方框图；

图2是本发明实施例的直流电机角位移数字伺服控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明实施例的一种具有强抗负载扰动的直流电机角位移数字伺服控制系统的构成方框图。该控制系统由数字控制计算机110、数/模转换模块120、直流功率放大器130、伺服对象140、光电编码器150和高速计数器模块160组成；其中所述伺服对象140由直流电机141的输出端串接机械负载142构成，所述数字控制计算机110的输出端依次串接所述数/模转换模块120、直流功率放大器130后接所述直流电机141的输入端，所述机械负载142的输出端依次串接所述光电编码器150和高速计数器模块160后接所述数字控制计算机110的输入端。

如图2所示，是本发明实施例的一种具有强抗负载扰动的直流电机角位移数字伺服控制方法的流程图，所述控制方法步骤如下：

(1)步骤11、将数字控制计算机对其程序中设置的积分器进行初始化，积分器清零，即INT1＝0，INT2＝0；

(2)步骤12、在数字控制计算机中输入角位移数字量指令信号值θR；

(3)步骤13、高速计数器模块采集由光电编码器传送过来的机械负载角位移输出数字量反馈信号θF并传输给数字控制计算机；

(4)步骤14、数字控制计算机对输入角位移数字量指令信号θR和机械负载角位移数字量反馈信号θF取误差ER＝θR-θF；

(5)步骤15、数字控制计算机对误差信号ER进行一次累加积分得到一次累加积分结果INT1＝INT1+ER；

(6)步骤16、数字控制计算机对一次累加积分结果INT1乘以一次积分系Ki1数得到一次乘法运算结果M1＝INT1×Ki1；

(7)步骤17、数字控制计算机对光电编码器反馈信号θF乘以一次反馈系数Kf1得到二次乘法运算结果M2＝θF×Kf1；

(8)步骤18、数字控制计算机对一次乘法运算结果M1和二次乘法运算结果M2进行减法运算得到一次减法运算结果S1＝M1-M2；

(9)步骤19、数字控制计算机对一次减法运算结果S1进行累加积分得到二次累加积分结果INT2＝INT2+S1；

(10)步骤20、数字控制计算机对二次累加积分结果INT2乘以二次积分系数Ki2得到三次乘法运算结果M3＝INT2×Ki2；

(11)步骤21、数字控制计算机对光电编码器反馈信号θF乘以二次反馈系数Kf2得到四次乘法运算结果M4＝θF×Kf2；

(12)步骤22、数字控制计算机对三次乘法运算结果M3和四次乘法运算结果M4进行减法运算得到二次减法运算结果S2＝M3-M4；

(13)步骤23、数字控制计算机对光电编码器反馈信号θF进行差分运算D＝ΔθF/ΔT；

(14)步骤24、数字控制计算机对差分运算结果D乘以差分系数Kd得到五次乘法运算结果M5＝D×Kd；

(15)步骤25、数字控制计算机对二次减法运算结果S2和五次乘法运算结果M5进行减法运算得到三次减法运算结果S3＝S2-M5；

(16)步骤26、数/模转换模块将三次减法运算结果S3进行数/模转换得到模拟量控制信号，同时返回到步骤(2)；

(17)步骤27、数/模转换模块将模拟量控制信号输入到直流功率放大器进行信号放大后

驱动直流电机以带动机械负载运动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种直流电机角位移数字伺服控制系统，包括数字控制计算机、数/模转换模块、直流功率放大器、伺服对象、光电编码器和高速计数器模块；其特征在于，所述伺服对象由直流电机的输出端串接机械负载构成，所述数字控制计算机的输出端依次串接所述数/模转换模块、直流功率放大器后接所述直流电机的输入端，所述机械负载的输出端依次串接所述光电编码器和高速计数器模块后接所述数字控制计算机的输入端。

2.一种如权利要求1所述的直流电机角位移数字伺服控制系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将数字控制计算机程序中设置的积分器进行初始化，积分器清零；

(2)在数字控制计算机中输入角位移数字量指令信号值；

(3)高速计数器模块采集由光电编码器传送过来的机械负载角位移数字量反馈信号并传输给数字控制计算机；

(4)数字控制计算机对输入角位移数字量指令信号和机械负载角位移数字量反馈信号取误差；

(5)数字控制计算机对误差信号进行一次累加积分，得到一次累加积分结果；

(6)数字控制计算机对一次累加积分结果乘以一次积分系数K_i1，得到一次乘法运算结果；

(7)数字控制计算机对光电编码器反馈信号乘以一次反馈系数K_f1，得到二次乘法运算结果；

(8)数字控制计算机对一次乘法运算结果和二次乘法运算结果进行减法运算，得到一次减法运算结果；

(9)数字控制计算机对一次减法运算结果进行累加积分，得到二次累加积分结果；

(10)数字控制计算机对二次累加积分结果乘以二次积分系数K_i2，得到三次乘法运算结果；

(11)数字控制计算机对光电编码器反馈信号乘以二次反馈系数K_f2，得到四次乘法运算结果；

(12)数字控制计算机对三次乘法运算结果和四次乘法运算结果进行减法运算，得到二次减法运算结果；

(13)数字控制计算机对光电编码器反馈信号进行差分运算，得到差分运算结果；

(14)数字控制计算机对差分运算结果乘以差分系数K_d，得到五次乘法运算结果；

(15)数字控制计算机对二次减法运算结果和五次乘法运算结果进行减法运算，得到三次减法运算结果；

(16)数/模转换模块将三次减法运算结果进行数/模转换，得到模拟量控制信号，同时返回到步骤(2)；

(17)数/模转换模块将模拟量控制信号输入到直流功率放大器进行信号放大后驱动直流电机以带动机械负载运动。

3.根据权利要求2所述的直流电机角位移数字伺服控制系统的控制方法，其特征在于，步骤(6)所述一次积分系数K_i1利用下式计算得到，作为其初始整定值：

$K_{i1}=5.697{\left(\frac{M_{max}}{{\mathrm{Jr}}_{0,ml}K}\right)}^{1.5}$

式中：J为伺服对象的等效转动惯量；K为直流功率放大器的放大倍数，M_max为直流功率放大器在线性范围内能够输出的最大电压；r_0,ml为线性范围内输入角位移数字量指令信号的最大值。

4.根据权利要求2所述的直流电机角位移数字伺服控制系统的控制方法，其特征在于，步骤(10)所述二次积分系数K_i2利用下式计算得到，作为其初始整定值：

$K_{i2}=31.216{\left(\frac{{\mathrm{JM}}_{max}}{r_{0,ml}K}\right)}^{0.5}$

式中：J为伺服对象的等效转动惯量；K为直流功率放大器的放大倍数，M_max为直流功率放大器在线性范围内能够输出的最大电压；r_0,ml为线性范围内输入角位移数字量指令信号的最大值。

5.根据权利要求2所述的直流电机角位移数字伺服控制系统的控制方法，其特征在于，步骤(7)所述一次反馈系数K_f1利用下式计算得到，作为其初始整定值：

$K_{f1}=7.629\frac{M_{max}}{{\mathrm{Jr}}_{0,ml}K}$

式中：J为伺服对象的等效转动惯量；K为直流功率放大器的放大倍数，M_max为直流功率放大器在线性范围内能够输出的最大电压；r_0,ml为线性范围内输入角位移数字量指令信号的最大值。

6.根据权利要求2所述的直流电机角位移数字伺服控制系统的控制方法，其特征在于，步骤(11)所述二次反馈系数K_f2利用下式计算得到，作为其初始整定值：

$K_{f2}=120.057\frac{M_{\max }}{r_{0,ml}K}$

式中：J为伺服对象的等效转动惯量；K为直流功率放大器的放大倍数，M_max为直流功率放大器在线性范围内能够输出的最大电压；r_0,ml为线性范围内输入角位移数字量指令信号的最大值。

7.根据权利要求2所述的直流电机角位移数字伺服控制系统的控制方法，其特征在于，步骤(14)所述差分系数K_d利用下式计算得到，作为其初始整定值：

$K_d=K_{i2}=31.216{\left(\frac{{\mathrm{JM}}_{max}}{r_{0,ml}K}\right)}^{0.5}$

式中：J为伺服对象的等效转动惯量；K为直流功率放大器的放大倍数，M_max为直流功率放大器在线性范围内能够输出的最大电压；r_0,ml为线性范围内输入角位移数字量指令信号的最大值。