CN109194238B - 一种基于电流反馈信号的马达控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式涉及自动化控制技术领域，公开了一种基于电流反馈信号的马达控制系统及方法，本发明中，一种基于电流反馈信号的马达控制系统，包括：控制装置，线性马达以及电流反馈装置；控制装置的输出端与线性马达连接，用于对上一时刻的位移误差进行计算得到当前时刻的控制输出值，并将控制输出值转换为电压信号传输至线性马达；线性马达，用于根据控制装置输入的电压信号进行振动；电流反馈装置与线性马达连接，用于将测量到的线性马达的电流值转换为当前时刻的实际位移值，并将实际位移值反馈至控制装置的输入端。不仅能够对马达状态进行实时跟踪，而且还能够提高对马达进行控制的精确度，有利于避免造成不可控的后果。

Description

一种基于电流反馈信号的马达控制系统及方法

技术领域

本发明实施方式涉及自动化控制技术领域，特别涉及基于电流反馈信号的马达控制系统及方法。

背景技术

线性振动马达又称为线性谐振执行器(Linear Resonant Actuator，简称“LRA”)，通常也叫做线性马达，随着线性马达在智能手机、平板电脑等领域中越来越普及，如何对线性马达的振动进行有效控制变得非常重要。其中，线性马达一般包括比例-积分-微分控制器(Proportion Integration Differentiation，简称“PID”控制器)，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成，用于工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。

然而，本发明的发明人发现，现有技术中具体通过预设的马达激励信号来对马达振动进行控制，使得无法对马达状态进行实时跟踪，而且无法精确对马达进行控制，严重时还会造成不可控的后果。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供基于电流反馈信号的马达控制系统及方法，不仅能够对马达状态进行实时跟踪，而且还能够提高对马达进行控制的精确度，有利于避免造成不可控的后果。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于电流反馈信号的马达控制系统，包括：控制装置，线性马达以及电流反馈装置；控制装置的输出端与线性马达连接，用于对上一时刻的位移误差进行计算得到当前时刻的控制输出值，并将控制输出值转换为电压信号传输至线性马达；线性马达，用于根据控制装置输入的电压信号进行振动；电流反馈装置与线性马达连接，用于将测量到的线性马达的电流值转换为当前时刻的实际位移值，并将实际位移值反馈至控制装置的输入端。

本发明的实施方式还提供了一种基于电流反馈信号的马达控制方法，应用于如上述的基于电流反馈信号的马达控制系统，包括：对上一时刻的位移误差进行计算得到当前时刻的控制输出值，并将控制输出值转换为电压信号，供线性马达根据电压信号进行振动；测量线性马达的电流值，并将电流值转换为当前时刻的实际位移值；将当前时刻的实际位移值反馈至输入端。

本发明实施方式相对于现有技术而言，一种基于电流反馈信号的马达控制系统，包括：控制装置，线性马达以及电流反馈装置；控制装置的输出端与线性马达连接，用于对上一时刻的位移误差进行计算得到当前时刻的控制输出值，并将控制输出值转换为电压信号传输至线性马达；线性马达，用于根据控制装置输入的电压信号进行振动；电流反馈装置与线性马达连接，用于将测量到的线性马达的电流值转换为当前时刻的实际位移值，并将实际位移值反馈至控制装置的输入端。通过将与线性马达的电流值等效的实际位移值反馈至输入端的闭环控制技术，使得本发明中的基于电流反馈信号的线性马达控制系统能够通过反馈至控制装置的输入端的实际位移值来对线性马达的状态进行动态跟踪，以及能够对输入信号进行实时调整，从而能够有效跟踪由于环境变化等因素引起的运动轨迹变化，使得当线性马达的运动状态发送变化时可以迅速调整输入信号，从而使线性马达始终保持预设的良好状态，有利于提高对马达进行控制的精确度，避免造成不可控的后果。

另外，控制装置具体包括：PID控制器，以及与PID控制器串联的电压转换器；PID控制器，用于根据上一时刻的位移误差进行PID计算得到当前时刻的控制输出值；电压转换器，用于将控制输出值由位移值转换为电压信号，并将电压信号传输至线性马达。提供了一种控制装置的具体实现方式。

另外，PID控制器，具体用于：当上一时刻的位移误差大于预设阈值时，PID控制器进行比例-微分计算得到当前时刻的控制输出值；当上一时刻的位移误差小于预设阈值时，PID 控制器进行比例-积分-微分计算得到当前时刻的控制输出值。通过使得在上一时刻的位移误差大于预设阈值时的计算方式与上一时刻的位移误差小于预设阈值时的计算方式不同，即通过积分分离控制，有利于有效避免过大的超调量。

另外，PID控制器，还用于在计算当前时刻的控制输出值后，判断当前时刻的控制输出值是否超出限制范围，若超出限制范围，则对控制输出值累加偏差值。通过对控制输出值累加偏差值的积分抗饱和结构，有利于防止对PID控制器的过度控制而造成得震荡。

另外，限制范围，具体包括：正偏差范围和负偏差范围；PID控制器，具体用于当控制输出值超出正偏差范围时，对控制输出值累加负偏差值；还用于当控制输出值超出负偏差范围时，对控制输出值累加正偏差值。提供了一种在积分抗饱和结构中的对控制输出值累加偏差值的具体方式。

另外，还包括预估补偿器；预估补偿器与控制装置反向并联，用于对输入至PID控制器的上一时刻的位移误差进行时延补偿。通过使用预估补偿器对时延进行补偿，有利于减小位移误差，提高对马达进行控制的精确度。

另外，预估补偿器，具体为：史密斯预估器。由于史密斯预估器可以抵抗较大时延，通过使用史密斯预估器有利于避免由大时滞造成的不可控后果。

另外，电流反馈装置具体包括：电流传感器、模数转换器以及位移转换器；电流传感器与线性马达连接，用于测量线性马达两端的电流值；模数转换器与电流传感器连接，用于将电流传感器的电信号转换为数字信号；位移转换器与模数转换器连接，用于将数字信号转换为等效位移值。提供了一种电流反馈装置的具体实现方式。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式提供的一种基于电流反馈信号的马达控制系统的结构连接示意图；

图2是根据本发明第一实施方式提供的一种基于电流反馈信号的马达控制系统的一种具体的实现方式的结构连接示意图；

图3是根据本发明第二实施方式提供的一种基于电流反馈信号的马达控制系统的结构连接示意图；

图4是根据本发明第二实施方式提供的一种基于电流反馈信号的马达控制系统的效果图；

图5是根据本发明第三实施方式提供的一种基于电流反馈信号的马达控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种基于电流反馈信号的马达控制系统。本实施方式的核心在于，包括：控制装置，线性马达以及电流反馈装置；控制装置的输出端与线性马达连接，用于对上一时刻的位移误差进行计算得到当前时刻的控制输出值，并将控制输出值转换为电压信号传输至线性马达；线性马达，用于根据控制装置输入的电压信号进行振动；电流反馈装置与线性马达连接，用于将测量到的线性马达的电流值转换为当前时刻的实际位移值，并将实际位移值反馈至控制装置的输入端。通过将与线性马达的电流值等效的实际位移值反馈至输入端的闭环控制技术，使得本发明中的基于电流反馈信号的线性马达控制系统能够通过反馈至控制装置的输入端的实际位移值来对线性马达的状态进行动态跟踪，以及能够对输入信号进行实时调整，从而能够有效跟踪由于环境变化等因素引起的运动轨迹变化，使得当线性马达的运动状态发送变化时可以迅速调整输入信号，从而使线性马达始终保持预设的良好状态，有利于提高对马达进行控制的精确度，避免造成不可控的后果。

下面对本实施方式的一种基于电流反馈信号的马达控制系统的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

本实施方式中的一种基于电流反馈信号的马达控制系统的结构连接示意图如图1所示，包括：控制装置11，线性马达12以及电流反馈装置13。

控制装置11的输出端与线性马达12连接，用于对上一时刻的位移误差进行计算得到当前时刻的控制输出值，并将控制输出值转换为电压信号传输至线性马达12。线性马达12，用于根据控制装置11输入的电压信号进行振动。电流反馈装置13与线性马达12连接，用于将测量到的线性马达12的电流值转换为当前时刻的实际位移值，并将实际位移值反馈至控制装置11的输入端。

比如说，某一时刻k下，通过k-1时刻的位移值x(k-1)与k-1时刻的输入信号s(k-1)相减得到位移误差err(k-1)后，通过PID控制器110计算得到位移的控制输出值ctrl(k)，ctrl(k)经过位移—电压转换后得到控制输入电压信号u(k)，u(k)输入线性马达12后，得到此刻的回采电流i(k)，i(k)经电流—位移转换后，得到k时刻的实际位移值x(k)，重复执行上述步骤，直到输入信号为0时结束。

参见图2，图2为本实施方式中的马达控制系统的一种具体实现方式。其中，图2中的圆圈代表线性累加，D表示干扰，不是实现本发明技术方案所必须。

具体地说，控制装置11可以包括：PID控制器110，以及与PID控制器110串联的电压转换器111；PID控制器110，用于根据上一时刻的位移误差进行PID计算得到当前时刻的控制输出值；电压转换器111，用于将控制输出值由位移值转换为电压信号，并将电压信号传输至线性马达12。也就是说，PID控制器110通过误差进行PID运算，得到可以消除当前时刻的位移误差的下一时刻的控制输出。由于PID控制器110为单入单出，控制输出值输出为位移值，因此需要通过与PID控制器110串联的电压转换器111将位移值转换为电压信号才可以直接用于线性马达12。其中，将控制输出值由位移值转换为电压信号可以用如下微分方程求解：

其中，Bl为电磁力系数，R为电阻，m、c、k为马达系统相关系数。

电流反馈装置可以包括：电流传感器131、模数转换器132以及位移转换器133；电流传感器131与线性马达12连接，用于测量线性马达12两端的电流值；模数转换器132与电流传感器131连接，用于将电流传感器131的电信号转换为数字信号；位移转换器133与模数转换器132连接，用于将数字信号转换为当前时刻的实际位移值。由于在马达振动时，无法直接测量到位移值，只能得到马达两端的电流值，因此需要将马达此刻的电流值转换为等效的实际位移值，并将所述实际位移值输入到PID控制器110中进行误差运算与控制。其中，马达此刻的电流值转换为等效的实际位移值，可以根据马达系统的传递函数求解，即：

其中，Bl为电磁力系数，m、c、k为马达系统相关系数，x(s)为实际位移值；i(s) 为马达此刻的电流值。

需要说明的是，检测电流的装置还可以包括但不限于通过精密电阻及其两端电压得到电流的装置。

较佳的，PID控制器110，具体用于：当上一时刻的位移误差大于预设阈值时，PID控制器110进行比例-微分计算得到当前时刻的控制输出值；当上一时刻的位移误差小于预设阈值时，PID控制器110进行比例-积分-微分计算得到当前时刻的控制输出值。通过使得在上一时刻的位移误差大于预设阈值时的计算方式与上一时刻的位移误差小于预设阈值时的计算方式不同，即通过积分分离控制，有利于有效避免过大的超调量。即，积分分离实现的步骤可以包括：设定阈值a＞0；当上一时刻的位移误差|error(k)|>a时，采用PD控制；当上一时刻的位移误差|error(k)＜a时，采用PID控制。

具体的说，PID控制器110由比例单元(p)、积分单元(i)和微分单元(d)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为：

其中，式中的积分的上下限分别是0和t。

比例控制是一种最简单的控制方式，PID控制器110的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。在积分控制中，PID控制器110的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

在微分控制中，PID控制器110的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

较佳的，PID控制器110，还用于在计算当前时刻的控制输出值后，判断当前时刻的控制输出值是否超出限制范围，若超出限制范围，则对控制输出值累加偏差值。通过对控制输出值累加偏差值的积分抗饱和结构，有利于防止对PID控制器110的过度控制而造成得震荡。

其中，限制范围，具体包括：正偏差范围和负偏差范围；PID控制器110，具体用于当控制输出值超出正偏差范围时，对控制输出值累加负偏差值；还用于当控制输出值超出负偏差范围时，对控制输出值累加正偏差值。也就是说，抗积分饱和，即计算下一时刻的控制输出值时，首先判断当前时刻的控制输出值是否超出限制范围，如果超出正偏差范围，则只累加负偏差值，如果超出负偏差范围，则只累加正偏差值。这里所说的限制范围为真子可以激荡的间距大小，或者可以施加电压，此时，所述限制范围为电流的最大范围。

与现有技术相比，本发明实施方式提供的一种基于电流反馈信号的马达控制系统，包括：控制装置，线性马达以及电流反馈装置；控制装置的输出端与线性马达连接，用于对上一时刻的位移误差进行计算得到当前时刻的控制输出值，并将控制输出值转换为电压信号传输至线性马达；线性马达，用于根据控制装置输入的电压信号进行振动；电流反馈装置与线性马达连接，用于将测量到的线性马达的电流值转换为当前时刻的实际位移值，并将实际位移值反馈至控制装置的输入端。通过将与线性马达的电流值等效的实际位移值反馈至输入端的闭环控制技术，使得本发明中的基于电流反馈信号的线性马达控制系统能够通过反馈至控制装置的输入端的实际位移值来对线性马达的状态进行动态跟踪，以及能够对输入信号进行实时调整，从而能够有效跟踪由于环境变化等因素引起的运动轨迹变化，使得当线性马达的运动状态发送变化时可以迅速调整输入信号，从而使线性马达始终保持预设的良好状态，有利于提高对马达进行控制的精确度，避免造成不可控的后果。

本发明的第二实施方式涉及一种基于电流反馈信号的马达控制系统。第二实施方式是在第一实施方式的基础上作了进一步改进：具体改进之处在于，在本发明第二实施方式中，基于电流反馈信号的马达控制系统还包括预估补偿器；预估补偿器与控制装置反向并联，用于对输入至PID控制器的上一时刻的位移误差进行时延补偿。通过使用预估补偿器对时延进行补偿，有利于减小位移误差，提高对马达进行控制的精确度。

具体地说，参见图3，预估补偿器21与控制装置反向并联，用于对输入至PID控制器的上一时刻的位移误差进行时延补偿。也就是说，由于线性马达振动频率通常较高，使得等效时间常数很小，所以在一般的马达控制系统元器件的连接中会出现较大的纯时延，本领域技术人员可以理解，时延对整个马达控制系统的影响非常大，将预估补偿器21与控制装置反向并联，对本发明实施方式中的基于电流反馈信号的马达控制系统的时延进行预计补偿。

举例而言，某一时刻k下，通过k-1时刻的位移值x(k-1)与k-1时刻的输入信号s(k-1) 相减得到位移误差err(k-1)后，该误差经过时延补偿后得到e(k-1)后，通过PID控制器计算得到位移的控制输出值ctrl(k)，ctrl(k)经过位移—电压转换后得到控制输入电压信号u(k)，u(k)输入线性马达后，得到此刻的回采电流i(k)，i(k)经电流—位移转换后，得到k时刻的实际位移值x(k)，重复执行上述步骤，直到输入信号为0时结束。

本实施方式中基于电流反馈信号的马达控制系统的效果图如图4所示，在图4中，具体为时延为1ms的较高频正弦波跟踪结果，其中，原始正弦信号(实线所示)可以看成是振子的运动轨迹，实际正弦信号(虚线所示)可以看成是受控振子的实际运动轨迹，均表示位移值。

较佳的，预估补偿器21，具体为：史密斯预估器。由于史密斯预估器可以抵抗较大时延，通过使用史密斯预估器有利于避免由大时滞造成的不可控后果。

一般来说，史密斯预估器能够补偿由大时滞造成的系统不可控，其原理为构建一个等效的马达系统并提前补偿系统的传输延迟，其表现形式可以为：

G(p)＝G(s)·(1-e^-τs)；

其中G(s)为实际马达的传递函数，τ为系统传输延迟时间。

与现有技术相比，本发明实施方式提供的一种基于电流反馈信号的马达控制系统，还包括预估补偿器；预估补偿器与控制装置反向并联，用于对输入至PID控制器的上一时刻的位移误差进行时延补偿。通过使用预估补偿器对时延进行补偿，有利于减小位移误差，提高对马达进行控制的精确度。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本发明的第三实施方式涉及一种基于电流反馈信号的马达控制方法。应用于如第一实施方式或第二实施方式所述的基于电流反馈信号的马达控制系统，包括：对上一时刻的位移误差进行计算得到当前时刻的控制输出值，并将控制输出值转换为电压信号，供线性马达根据电压信号进行振动；测量线性马达的电流值，并将电流值转换为当前时刻的实际位移值；将当前时刻的实际位移值反馈至输入端。

本实施方式的基于电流反馈信号的马达控制方法的流程图如图5所示，包括：

步骤301，对上一时刻的位移误差进行计算得到当前时刻的控制输出值，并将控制输出值转换为电压信号，供线性马达根据电压信号进行振动。

步骤302，测量线性马达的电流值，并将电流值转换为当前时刻的实际位移值。

步骤303，将当前时刻的实际位移值反馈至输入端。

与现有技术相比，本发明实施方式提供的一种基于电流反馈信号的马达控制方法，通过对上一时刻的位移误差进行计算得到当前时刻的控制输出值，并将控制输出值转换为电压信号，供线性马达根据电压信号进行振动，测量线性马达的电流值，并将电流值转换为当前时刻的实际位移值，将当前时刻的实际位移值反馈至输入端，通过将与线性马达的电流值等效的实际位移值反馈至输入端的闭环控制技术，使得本发明中的基于电流反馈信号的线性马达控制系统能够通过反馈至输入端的实际位移值来对线性马达的状态进行动态跟踪，以及能够对输入信号进行实时调整，使得当线性马达的运动状态发送变化时可以迅速调整输入信号，从而使线性马达始终保持预设的良好状态，有利于提高对马达进行控制的精确度，避免造成不可控的后果。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施方式，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于电流反馈信号的马达控制系统，其特征在于，包括：控制装置，线性马达以及电流反馈装置；

所述控制装置的输出端与所述线性马达连接，用于对上一时刻的位移误差进行计算得到当前时刻的控制输出值，并将所述控制输出值转换为电压信号传输至线性马达；

所述线性马达，用于根据所述控制装置输入的电压信号进行振动；

所述电流反馈装置与所述线性马达连接，用于将测量到的所述线性马达的电流值转换为当前时刻的实际位移值，并将所述实际位移值反馈至所述控制装置的输入端；

所述控制装置具体包括：PID控制器，以及与所述PID控制器串联的电压转换器；

所述PID控制器，用于根据所述上一时刻的位移误差进行PID计算得到所述当前时刻的控制输出值；具体用于：

当所述上一时刻的位移误差大于预设阈值时，所述PID控制器进行比例-微分计算得到所述当前时刻的控制输出值；

当所述上一时刻的位移误差小于预设阈值时，所述PID控制器进行比例-积分-微分计算得到所述当前时刻的控制输出值；

所述电压转换器，用于将所述控制输出值由位移值转换为电压信号，并将所述电压信号传输至所述线性马达。

2.根据权利要求1所述的基于电流反馈信号的马达控制系统，其特征在于，所述PID控制器，还用于在计算所述当前时刻的控制输出值后，判断当前时刻的所述控制输出值是否超出限制范围，若超出所述限制范围，则对所述控制输出值累加偏差值。

3.根据权利要求2所述的基于电流反馈信号的马达控制系统，其特征在于，所述限制范围，具体包括：正偏差范围和负偏差范围；

所述PID控制器，具体用于当所述控制输出值超出所述正偏差范围时，对所述控制输出值累加负偏差值；还用于当所述控制输出值超出所述负偏差范围时，对所述控制输出值累加正偏差值。

4.根据权利要求1所述的基于电流反馈信号的马达控制系统，其特征在于，还包括预估补偿器；

所述预估补偿器与所述控制装置反向并联，用于对输入至所述PID控制器的上一时刻的位移误差进行时延补偿。

5.根据权利要求4所述的基于电流反馈信号的马达控制系统，其特征在于，所述预估补偿器，具体为：史密斯预估器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于电流反馈信号的马达控制系统，其特征在于，所述电流反馈装置具体包括：电流传感器、模数转换器以及位移转换器；

所述电流传感器与所述线性马达连接，用于测量所述线性马达两端的电流值；

所述模数转换器与所述电流传感器连接，用于将所述电流传感器的电信号转换为数字信号；

所述位移转换器与所述模数转换器连接，用于将所述数字信号转换为当前时刻的实际位移值。

7.一种基于电流反馈信号的马达控制方法，应用于如权利要求1所述的基于电流反馈信号的马达控制系统，其特征在于，包括：

对上一时刻的位移误差进行计算得到当前时刻的控制输出值，具体的，当所述上一时刻的位移误差大于预设阈值时，进行比例-微分计算得到所述当前时刻的控制输出值；当所述上一时刻的位移误差小于预设阈值时，进行比例-积分-微分计算得到所述当前时刻的控制输出值；

并将所述控制输出值转换为电压信号，供线性马达根据所述电压信号进行振动；

测量所述线性马达的电流值，并将所述电流值转换为当前时刻的实际位移值；

将所述当前时刻的实际位移值反馈至输入端。

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