CN106208847A - 基于直流电机的空化器驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于控制科学与控制工程领域，涉及一种基于直流电机的空化器驱动方法。本发明包括：自整角机发送机发送指令转角并将该转角转换成电信号输出，自整角接收机接收角度信号，产生与失调角呈正弦函数规律的电压信号；相敏解调电路把自整角机产生的与相位相关的交流信号变为直流信号；控制器接收相敏解调电路输出的直流信号及伺服电动机的转速及电流信号，采用PID控制规律运算输出直流电压信号等。本发明可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

Description

基于直流电机的空化器驱动方法

技术领域

本发明属于控制科学与控制工程领域，涉及一种基于直流电机的空化器驱动方法。

背景技术

超空泡航行体是一种水下航行体，在航行的过程中，航行体周围的液体气化形成超空泡将航行体包裹，使得航行体只有空化器、尾翼和航行体尾部与液体接触，因此，通过改变空化器和尾翼的偏转角，进而改变作用在空化器和尾翼上的流体动力，最终，改变超空泡航行体的航行姿态。

为超空泡航行体设计姿态控制系统必须包括空化器及尾翼驱动系统，即空化器和尾翼可以作为执行元件，执行控制器发出的命令，并且带动负载转过相应的角度。

目前对于超空泡航行体姿态保持及姿态控制，主要采取的手段是在航行体的前部安装固定偏转角的空化器，或同时在航行体的后部安装平衡十字尾翼，以保持航行体的直航运动。对于超空泡航行体姿态控制系统的研究主要停留在理论分析及计算上，较少开展实际控制系统及相应驱动系统的设计和应用研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于直流电机的空化器驱动方法。

本发明的目的是这样实现的：

包括如下步骤：自整角机发送机发送指令转角并将该转角转换成电信号输出，自整角接收机接收角度信号，产生与失调角呈正弦函数规律的电压信号；相敏解调电路把自整角机产生的与相位相关的交流信号变为直流信号；控制器接收相敏解调电路输出的直流信号及伺服电动机的转速及电流信号，采用PID控制规律运算输出直流电压信号；脉宽调制电路把恒定变化的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，改变平均输出电压的大小，以调节电机转速；脉宽调制器输出的信号通过功率放大元件将电压信号进行放大，使电机按着期望的方向和速度运行；

当控制式自整角发送机励磁之后，脉振的励磁磁场在发送机定子整步绕组中产生感应电势；在两机整步绕组构成的回路中有电流流过，在发送机和自整角机变压器的整步绕组所在的空间里将建立起合成磁场，且发送机定子合成磁场与其励磁磁场方向相反，而自整角变压器定子合成磁场与发送机定子合成磁场相对对接基准相的方向相反；

若发送机转子的位置角为θ₁，自整角变压器转子的位置角θ₂，自整角变压器定子合成磁密与转子输出绕组轴线夹角为Δθ(Δθ＝θ₁-θ₂)，在输出绕组中产生的变压器电势的有效值为

E_sc＝E_scm cosΔθ

式中，E_scm为失调角为零时，输出绕组感应电势的有效值,Δθ为失调角；

把自整角机变压器的转子由协调位置转动90°，此位置为协调位置；将两机偏离这个初始协调位置的角度作为两机转子的位置角，并仍用θ₁和θ₂表示，自整角变压器中的与输出绕组轴线夹角为90°+θ₂-θ₁＝90°-Δθ，输出绕组中感应电势E_sc为E_sc＝E_scmsinΔθ；

将被测参量角度送入控制器中，在控制器中，信号与给定值进行比较，比较出的差值信号经过PID运算后送入直流电机，直流电机带动空化器转动；

比例积分微分控制器把给定值与实际值相减，得到的控制偏差e(t)，作为控制器的输入，控制器按偏差的比例加积分加微分形成控制量，对执行机构进行控制，其控制规律为：

$u\left(t\right)=k_p\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(t\right)dt+T_D\frac{de\left(t\right)}{dt}\]+u_0$

式中k_p为比例系数，u₀为控制量基准，e(t)为偏差信号，等于给定值与输出值之差，u(t)为控制器的输出信号，T_I为积分时间，T_D为微分时间。

本发明的有益效果在于：

本发明可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

附图说明

图1基于直流电机的空化器驱动系统组成框图。

图2基于直流电机的空化器驱动系统中控制器中PID算法流程图。

具体实施方式

设计一种基于直流电机的空化器驱动方法，利用直流电动机具有的体积小、调速特性良好、较大的启动转矩、相对功率大、快速响应、易于控制、控制装置可靠性高、调速时的能量损耗小等优点，以直流力矩电动机作为执行元件，带动空化器发生转动，使空化器转角发生变化；以自整角机和测速发电机作为测量元件，测量空化器转角位移及角速度并转换成电压信号；自整角机同时作为比较元件，把测量元件检测的空化器的实际角度与设定转角进行比较，求出它们的偏差；以功率放大器作为系统的放大元件，将比较元件输出的偏差信号进行放大，用来驱动执行元件带动被控对象。设计的一种基于直流电机的空化器驱动系统，综合运用自动控制系统的相关知识，设计方法思路清晰、结构完整、易于工程实现。

在本发明中自整角发送机输出的为机械角位移信号,自整角变压器接收该角位移信号并于基准角进行比较,自整角变压器将角度的偏差进行运算,输出为交流电压信号,该交流电压信号输入到相敏解调器中进行调制,相敏解调器输出为直流电压信号,该直流电压信号输入到PID控制器中，经过PID控制器进行运算，输出为直流电压信号，直流电压信号经过脉宽调制器进行调制，输出为直流电压信号，该直流电压信号经过功率放大器进行放大，输出为能够驱动电机转动的直流电压信号，直流电动机接收直流驱动信号带动空化器一起转动，最后空化器输出为机械角位移信号，该角位移信号经过反馈由自整角机测量，与前向通路构成回路，另外空化器的转动速度由直流测速机测量，能够起到微分阻尼的作用，两个反馈环节与前向通路一起形成了双闭环控制系统，实现了空化器的驱动。

一、基于直流电机的空化器驱动方法，主要包括控制式自整角机、相敏解调电路、控制器、脉宽调制器、直流功率放大器、直流电机、空化器。其中自整角机发送机发送指令转角并将该转角转换成电信号输出，自整角接收机接收角度信号，产生与失调角呈正弦函数规律的电压信号；相敏解调电路把自整角机产生的与相位相关的交流信号变为直流信号；控制器接收相敏解调电路输出的直流信号及伺服电动机的转速及电流信号，采用PID控制规律运算输出直流电压信号；脉宽调制器(脉宽调制电路)把恒定变化的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。脉宽调制器输出的信号不能直接驱动执行元件---电动机，因为它不能提供足够大的功率，脉宽调制器输出的信号必须通过功率放大元件将电压信号进行放大，才能使电机按着期望的方向和速度运行。直流电机包括直流力矩电机和直流测速电机，直流力矩电动机是一种低转速、大转矩的直流电动机，可在堵转下长期工作，它可以直接带动低速负载和大转矩负载，具有转速和力矩波动小，机械特性和调节特性线性度好的优点，将电能转化成机械能。直流测速发电机在系统中作为阻尼元件产生电压信号以提高系统的稳定性和精度。空化器安装在超空泡航行体的头部，通过直流力矩电动机转动带动空化器转动，改变空化器的转角，从而改变空化器与流体接触的有效面积，进而改变作用在空化器上的流体动力，最终改变超空泡航行体的动力学特性，使得超空泡航行体改变航行姿态。

a自整角机的工作原理及作用

当控制式自整角发送机励磁之后，脉振的励磁磁场在发送机定子整步绕组中产生感应电势。于是，在两机整步绕组构成的回路中有电流流过，在发送机和自整角机变压器的整步绕组所在的空间里将建立起合成磁场，且发送机定子合成磁场与其励磁磁场方向相反，而自整角变压器定子合成磁场与发送机定子合成磁场相对对接基准相的方向相反。

若发送机转子的位置角为θ₁，自整角变压器转子的位置角θ₂，自整角变压器定子合成磁密与转子输出绕组轴线夹角为Δθ(Δθ＝θ₁-θ₂)，因而，在输出绕组中产生的变压器电势的有效值为

E_sc＝E_scm cosΔθ

式中，E_scm为失调角为零时，输出绕组感应电势的有效值,Δθ为失调角。

为了克服余弦函数关系的缺点，在实际使用中，先把自整角机变压器的转子由协调位置转动90°，此位置为协调位置。将两机偏离这个初始协调位置的角度作为两机转子的位置角，并仍用θ₁和θ₂表示。自整角变压器中的与输出绕组轴线夹角为90°+θ₂-θ₁＝90°-Δθ，故输出绕组中感应电势E_sc为E_sc＝E_scm sinΔθ。当失调角很小时，E_sc≈E_scmΔθ，当自整角变压器输出绕组接上高输入阻抗的放大器时，输出绕组两端的输出电压与绕组中电势近似相等。

控制式自整角机的主要技术指标有电器误差、零位电压、比电压和速度误差，为了提高系统的精度选用美国DDC公司生产的高精度的自整角机产品。

b.相敏解调电路的设计

解调器是调制式直流放大电路中的一个重要组成部分。它把已放大了的交流电压还原为直流电压，其大小和极性与交流电压的幅度和相位要对应。本系统中，自整角机的输出信号是交流信号，而直流力矩电动机接收的信号为直流信号，因此，必须通过相敏解调电路，把交流信号变为直流信号。解调器中的相敏整流解调器可以分为半波相敏感整流器和全波相敏整流解调器，本系统中由于要控制直流力矩电动机的正反转，因此，采用全波相敏整流解调器。

解调器由放大器芯片和多路模拟开关芯片搭建而成。

c.控制器工作原理及作用

控制器采用PID控制器，即由比例(P)、积分(I)、微分(D)三种控制规律组成的控制器。其控制方法是将被测参量角度送入控制器中，在控制器中，此信号与给定值进行比较，比较出的差值信号经过PID运算后送入直流电机，直流电机带动空化器转动，从而达到自动调节的目的。

比例积分微分控制器其工作原理是把给定值与实际值相减，得到的控制偏差e(t)，作为控制器的输入，控制器按偏差的比例加积分加微分形成控制量，对执行机构进行控制，其控制规律为

$u\left(t\right)=k_p\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(t\right)dt+T_D\frac{de\left(t\right)}{dt}\]+u_0$

式中k_p为比例系数，u₀为控制量基准，也就是e＝0时的控制作用，e(t)为偏差信号，等于给定值与输出值之差，u(t)为控制器的输出信号，T_I为积分时间，T_D为微分时间。

比例调节对于偏差是即时反应，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用，使被控参数朝着减小偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数的大小。积分调节只要偏差不为零，它将通过累积作用影响控制量u，以求减小偏差，直至偏差为零，控制作用不再变化，系统达到稳定。因此积分环节的加入可以消除系统静差。积分调节作用的加入可以消除静差，但付出的代价是降低了响应速度。为了加快控制过程，需要在偏差出现或变化的瞬间，不但对偏差作出即时反应，而且还要对偏差量的变化做出反应，即按偏差变化的趋向进行控制，将偏差消灭在萌芽状态，因此需要加入微分环节。

比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，加大比例系数会引起系统的不稳定。积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地累积，输出控制量以消除误差，因而只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差。积分作用太强会使系统超调量加大，甚至使系统出现震荡。微分作用可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

d.脉宽调制器(PWM)

脉宽调制器(PWM)利用全控型电力电子器件的导通和关断功能，把直流电压变换成一系列的等高不等宽的电压脉冲序列，通过改变脉冲序列的宽度(即占空比)，实现对输出电压大小和频率的控制。PWM信号生成电路一般包含斜坡发生器(锯齿波或三角波发生器)和电压比较器两部分，斜坡发生器的基本频率受控于时基振荡器，它与来自电压调节器输出信号一起加至电压比较器的输入端进行比较，比较器输出即为PWM信号。

PWM控制电路以往常采用分立元件及单片集成块实现，随着电子技术的进步，近年来发展了各种集成式PWM控制器，它们包含了控制电路的所有功能，只需外接少量元件就可工作，大幅度减少元器件的数量、连线和焊点，使变换电路的可靠性明显提高，本发明采用的是TexasInstruments公司的TL494集成芯片，它增加了死区时间控制等功能。

PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定变化的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。

二、基于直流电机的空化器驱动方法，由控制式自整角机、相敏解调电路、控制器、脉宽调制器、直流功率放大器、直流电机、空化器组成闭环控制系统，实现空化器转角的实时监测与闭环控制。空化器的转角指令通过自整角发送机给定，自整角变压器测量空化器的实际转角位置并与给定值进行比较，输出与两者差值成正弦关系的电压信号，该交流电压信号经过相敏解调器调制成与输入交流信号成一定关系的直流电压信号，该电压信号经过PID控制器输出控制电压信号，该电压信号经过PWM变换器将信号调制成脉宽可调制的周期信号，而后经过功率放大器将该信号放大驱动直流电动机带动空化器转动。当空化器转角小于给定的角度时，自整角发送机和自整角变压器之间的角度差将变大，自整角变压器输出的交流信号的幅值也随之增大，该信号经过相敏解调器及PID控制器运算输出的直流电压信号也增大，这样经过PWM变换器及功率放大器后，加在直流电动机上的电压信号增大，进而带动空化器转动，使得空化器的转角与给定值一致；当空化器的转角大于给定值的情况，直流电动机将带动空化器反向转动，减小与给定值之间的差值。直流测速发电机在该系统中起到阻尼的作用。

本发明的组成框图如图1所示，基于直流电机的空化器驱动系统由自整角机对，相敏解调器、PID控制器、脉宽调制器、功率放大器、直流电动机、空化器、直流测速机组成。空化器的转角由自整角发送机测量得到，自整角变压器输出交流电压信号，该交流电压信号与系统给定值与空化器的实际输出的差值成一定的函数关系，相敏解调器接收交流电压信号并将其解调为直流电压信号，该直流电压信号与直流测速机测得的空化器的转速(电压信号)一起输入给PID控制器，在PID控制器模块内部实现模数转换及控制算法的运算，输出控制电压信号，PID控制器的功能通过单片机编程来实现，输出控制电压信号经多脉宽调制器调制成脉宽可调制的周期信号，该周期信号经过功率放大器进行放大后输入到直流电动机，驱使直流电动机带动空化器转动。基于直流电机的空化器驱动方法中的PID控制器PID控制算法流程图如图2所示。

Claims (1)

1.基于直流电机的空化器驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：自整角机发送机发送指令转角并将该转角转换成电信号输出，自整角接收机接收角度信号，产生与失调角呈正弦函数规律的电压信号；相敏解调电路把自整角机产生的与相位相关的交流信号变为直流信号；控制器接收相敏解调电路输出的直流信号及伺服电动机的转速及电流信号，采用PID控制规律运算输出直流电压信号；脉宽调制电路把恒定变化的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，改变平均输出电压的大小，以调节电机转速；脉宽调制器输出的信号通过功率放大元件将电压信号进行放大，使电机按着期望的方向和速度运行；

当控制式自整角发送机励磁之后，脉振的励磁磁场在发送机定子整步绕组中产生感应电势；在两机整步绕组构成的回路中有电流流过，在发送机和自整角机变压器的整步绕组所在的空间里将建立起合成磁场，且发送机定子合成磁场与其励磁磁场方向相反，而自整角变压器定子合成磁场与发送机定子合成磁场相对对接基准相的方向相反；

若发送机转子的位置角为θ₁，自整角变压器转子的位置角θ₂，自整角变压器定子合成磁密与转子输出绕组轴线夹角为Δθ(Δθ＝θ₁-θ₂)，在输出绕组中产生的变压器电势的有效值为

E_sc＝E_scmcosΔθ

式中，E_scm为失调角为零时，输出绕组感应电势的有效值,Δθ为失调角；

把自整角机变压器的转子由协调位置转动90°，此位置为协调位置；将两机偏离这个初始协调位置的角度作为两机转子的位置角，并仍用θ₁和θ₂表示，自整角变压器中的与输出绕组轴线夹角为90°+θ₂-θ₁＝90°-Δθ，输出绕组中感应电势E_sc为E_sc＝E_scmsinΔθ；

将被测参量角度送入控制器中，在控制器中，信号与给定值进行比较，比较出的差值信号经过PID运算后送入直流电机，直流电机带动空化器转动；

比例积分微分控制器把给定值与实际值相减，得到的控制偏差e(t)，作为控制器的输入，控制器按偏差的比例加积分加微分形成控制量，对执行机构进行控制，其控制规律为：

$u\left(t\right)=k_p\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(t\right)dt+T_D\frac{de\left(t\right)}{dt}\]+u_0$

式中k_p为比例系数，u₀为控制量基准，e(t)为偏差信号，等于给定值与输出值之差，u(t)为控制器的输出信号，T_I为积分时间，T_D为微分时间。