CN109474217B - 一种电机控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提出一种电机控制方法及装置，涉及自动化控制技术领域。该方法包括：获取电机当前输出的电流信号；根据电流信号调节出符合预设规则的PID参数；根据PID参数对电流信号进行处理得到预处理电流信号；将预处理电流信号通过相频特性得到尼克尔斯图，通过幅频特性得到伯德图；对尼克尔斯图和伯德图进行滤波处理得到目标电流信号。通过电机控制方法及装置能让电机在非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时能够更好的工作。

Description

一种电机控制方法及装置

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，具体而言，涉及一种电机控制方法及装置。

背景技术

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置，直线电机可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。

对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面：一是传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术。传统的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了广泛的应用。

其中PID控制蕴涵动态控制过程中的信息，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电机驱动系统中最基本的控制方式。为了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技术。在对象模型确定、不变化且是线性的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件下，采用传统控制技术是简单有效的。但是在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象结构与参数的变化，各种非线性的影响，运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因数，才能得到满意的控制效果。PID控制在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作得不是太好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机控制方法及装置，通过电机控制方法及装置能让电机在非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时能够更好的工作。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种电机控制方法，应用于电机，所述方法包括：获取所述电机当前输出的电流信号；根据所述电流信号调节出符合预设规则的PID参数；根据所述PID参数对所述电流信号进行处理得到预处理电流信号；将所述预处理电流信号通过相频特性得到尼克尔斯图，通过幅频特性得到伯德图；对所述尼克尔斯图和所述伯德图进行滤波处理得到目标电流信号。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电机控制装置，应用于电机，所述装置包括：获取模块，用于获取所述电机当前输出的电流信号；调节模块，用于根据所述电流信号调节出符合预设规则的PID参数；预处理模块，用于根据所述PID参数对所述电流信号进行处理得到预处理电流信号；特性处理模块，用于将所述预处理电流信号通过相频特性得到尼克尔斯图，通过幅频特性得到伯德图；滤波处理模块，用于对所述尼克尔斯图和所述伯德图进行滤波处理得到目标电流信号。

本发明实施例提供的一种电机控制方法及装置，通过获取电机当前输出的电流信号，并根据该电流信号调节出符合预设规则的PID参数，根据PID参数对电流信号进行处理得到预处理电流信号，将预处理电流信号通过相频特性得到尼克尔斯图，通过幅频特性得到伯德图，对尼克尔斯图和伯德图进行滤波处理得到目标电流信号。可见，基于PID控制的基础上，用伯德图和尼克尔斯图，并结合滤波处理，能够使得电机在非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时能够更好的工作。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的电机控制方法及装置的应用环境示意图；

图2示出了本发明实施例提供的电机控制方法的流程示意图；

图3示出了本发明实施例提供的阶跃响应图；

图4示出了本发明实施例提供的电机控制装置的结构示意图。

图标：1-电机；10-伺服控制器；20-存储器；30-存储控制器；40-外设接口；50-通讯总线/信号线；60-电机控制装置；61-获取模块；62-调节模块；63-预处理模块；64-特性处理模块；65-滤波处理模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

电机主要靠脉冲来定位，电机接收到一个脉冲，就会旋转一个脉冲对应的角度，从而实现位移、因为电机本身具备发出脉冲的功能，所以电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样就和电机接收的脉冲形成了呼应，或者叫做闭环，如此一来，伺服控制器就会知道发出了多少脉冲给电机，同时又收了多少脉冲回来，这样就能精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位。由于电机通常连接滑台或导轨，对于平滑性欠缺的滑台，用单一、固定的脉冲控制会造成滑台完整行程的运动性能不一致，进而影响使用。在工程实际中，通常使用PID控制来纠正实际值与期望值的偏差，但是PID控制器在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作得不是太好。

基于上述现有技术的缺陷，发明人于本发明实施例所提供的一种解决方式为：基于PID控制的基础上，用伯德图和尼克尔斯图，并结合滤波处理，能够使得电机在非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时能够更好的工作。

请参照图1，图1示出了本发明实施例提供的电机1控制方法及装置的应用环境示意图。电机1控制方法及装置应用于电机1上，电机1包括伺服控制器10、存储器20、存储控制器30、外设接口40及通讯总线/信号线50。伺服控制器10、存储器20、存储控制器30及外设接口40各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件互相之间可通过一条或多条通讯总线/信号线50实现电性连接。

伺服控制器10用于执行存储器20中存储的可执行模块，例如计算机程序；伺服控制器10可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，电机1控制方法的各步骤可以通过伺服控制器10中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的伺服控制器10可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

存储器20可能包含高速随机存取存储器(RAM：Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

通讯总线/信号线50可以是ISA(Industry Standard Architecture)总线、PCI(Peripheral Component Interconnect)总线或EISA(Extended Industry StandardArchitecture)总线等。图1中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根通讯总线/信号线50或一种类型的通讯总线/信号线50。

外设接口40用于将各种输入/输出装置耦合至伺服控制器10以及存储器20。在一些实施例中，外设接口40、伺服控制器10以及存储控制器30可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。

伺服控制器10通过外设接口40实现与外部的其它设备之间的通信连接。存储器20用于存储程序，例如电机1控制装置。电机1控制装置包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器20中或固化在伺服控制器10的操作系统(operatingsystem，OS)中的软件功能模块。所述伺服控制器10在接收到执行指令后，执行所述程序以实现电机1控制方法。

可以理解，图1所示的结构仅为示意，伺服控制器10可以包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

具体地，请参阅图2，图2示出了本发明实施例所提供的一种电机1控制方法的一种示意性流程图，该电机1控制方法应用于如图1所示的电机1，在本发明实施例中，该电机1控制方法包括以下步骤：

步骤S1，获取所述电机1当前输出的电流信号。

步骤S2，根据所述电流信号调节出符合预设规则的PID参数。

在本实施例中，根据预先设置的KP值和KI值得到所述电流信号的阶跃响应图；根据所述阶跃响应图调节出符合所述预设规则的所述PID参数。

所述PID参数包括目标KP值和目标KI值，调节所述KP值和所述KI值得到符合所述预设规则的所述目标KP值和所述目标KI值，其中，所述预设规则是指所述目标KP值和所述目标KI值使得所述阶跃响应图的斜率在第一范围内、波峰值在第二范围内以及波谷值在第三范围内。

可以理解，根据电机1初始化所得的KP值和KI值得到电机1当前输出电流信号对应的阶跃响应图，即电机1对于不同负载在不同运动参数(速度及减速度)时的电流推力，因此在电机1运行时，以时间(单位为秒)为横坐标，以对应的输出的电流信号(单位为安培)为纵坐标，绘制出电流与时间的响应图，如图3所示，为一个完整波形的阶跃响应图，图3中A为波谷、B为波峰、C为平滑线、D为电流变化值，其中减小KI值会使得波峰B的波峰值减小，还会使得波谷A的波谷值增加直到接近平滑线C的平滑值，并会使得电流变化值D的斜率减小(远离90度)；增加KP值会使得电流变化值D的斜率增加(逼近90度)，相应的波峰B的波峰值会增加，还会使得波谷A的波谷值减小以远离平滑线C的平滑值。

故对应的调节所述KP值和所述KI值使得调节后的目标KP值和所述目标KI值将生成电流变化值D的斜率在第一范围内，波峰B的波峰值在第二范围内，波谷A的波谷值在第三范围内的阶跃响应图。其中，第三范围可以为电流变化值D的2％-10％之间。

步骤S3，根据所述PID参数对所述电流信号进行处理得到预处理电流信号。

在本实施例中，根据电机1输出的电流信息与期望值计算误差值，将该误差值送入到PID控制器，PID控制器根据该误差值以及PID参数得到预处理电流信号。

可以理解，误差值作为PID控制器的输入，PID控制器的输出为：误差乘比例系数KP+KI*误差积分+KD*误差微分，其中KP为目标KP值，KI为目标KI值。

步骤S4，将所述预处理电流信号通过相频特性得到尼克尔斯图，通过幅频特性得到伯德图。

在本实施例中，根据所述预处理电流信号的频率和相角得到所述尼克尔斯图，根据所述预处理电流信号的频率和幅值得到所述伯德图。

可以理解，将预处理电流信号的频率作为横坐标，幅值作为纵坐标得到伯德图，其中，频率以指数增长，频率的刻度可以设为10、100、1000等，每一小格代表不同的频率跨度，能够增加频率的范围；纵坐标则表示放大倍数的自然对数的20倍，根据分贝定义设置，可以使得纵坐标的能够清晰明了的进行显示。

在本实施例中，所述伯德图还进行了直线化处理，使得伯德图在fL和fH处出现拐角。

在本实施例中，尼克尔斯图表示在直角坐标上以预处理电流信号的频率为参量表示对数幅值与相角的一种关系图，通过尼克尔斯图能够容易的确定电机1的相对稳定性。

步骤S5，对所述尼克尔斯图和所述伯德图进行滤波处理得到目标电流信号。

在本实施例中，通过低通滤波器，将所述尼克尔斯图和所述伯德图中较为稳定(单调下降)的频率保留，过滤掉较高频率的不稳定部分；通过限波滤波器、反限波滤波器，将所述尼克尔斯图和所述伯德图中上凸(或者下凹)的部分对应的频率点衰减(或者增强)，从而得到较为平滑、稳定的目标电流信号，伺服控制器10则会输出目标电流信号以控制滑台或导轨与完整行程的运动性能一致。

请参阅图4，图4示出了本发明实施例所提供的一种电机1控制装置的一种示意性结构图，该电机1控制装置应用于如图1所示的电机1，在本发明实施例中，该电机1控制装置包括获取模块61、调节模块62、预处理模块63、特性处理模块64及滤波处理模块65。

获取模块61用于获取所述电机1当前输出的电流信号。

可以理解，获取模块61可以执行上述步骤S1。

调节模块62用于根据所述电流信号调节出符合预设规则的PID参数。

可以理解，调节模块62可以执行上述步骤S2。

预处理模块63用于根据所述PID参数对所述电流信号进行处理得到预处理电流信号。

可以理解，预处理模块63可以执行上述步骤S3。

特性处理模块64用于将所述预处理电流信号通过相频特性得到尼克尔斯图，通过幅频特性得到伯德图。

可以理解，特性处理模块64可以执行上述步骤S4。

滤波处理模块65用于对所述尼克尔斯图和所述伯德图进行滤波处理得到目标电流信号。

可以理解，滤波处理模块65可以执行上述步骤S5。

综上所述，本发明实施例提供的一种电机控制方法及装置，通过获取电机当前输出的电流信号，并根据该电流信号调节出符合预设规则的PID参数，根据PID参数对电流信号进行处理得到预处理电流信号，将预处理电流信号通过相频特性得到尼克尔斯图，通过幅频特性得到伯德图，对尼克尔斯图和伯德图进行滤波处理得到目标电流信号。可见，基于PID控制的基础上，用伯德图和尼克尔斯图，并结合滤波处理，能够使得电机在非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时能够更好的工作。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (6)

1.一种电机控制方法，应用于电机，其特征在于，所述方法包括：

获取所述电机当前输出的电流信号；

根据预先设置的KP值和KI值得到所述电流信号的阶跃响应图；

根据所述阶跃响应图调节出符合预设规则的PID参数；其中，所述PID参数包括目标KP值和目标KI值；

调节所述KP值和所述KI值得到符合所述预设规则的所述目标KP值和所述目标KI值，其中，所述预设规则是指所述目标KP值和所述目标KI值使得所述阶跃响应图的斜率在第一范围内、波峰值在第二范围内以及波谷值在第三范围内；

根据所述PID参数对所述电流信号进行处理得到预处理电流信号；

将所述预处理电流信号通过相频特性得到尼克尔斯图，通过幅频特性得到伯德图；

对所述尼克尔斯图和所述伯德图进行滤波处理得到目标电流信号。

2.如权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，所述将所述预处理电流信号通过相频特性得到所述尼克尔斯图的步骤包括：

根据所述预处理电流信号的频率和相角得到所述尼克尔斯图。

3.如权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，所述将所述预处理电流信号通过幅频特性得到所述伯德图的步骤包括：

根据所述预处理电流信号的频率和幅值得到所述伯德图。

4.如权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，所述对所述尼克尔斯图和所述伯德图进行滤波处理得到所述目标电流信号的步骤包括：

将所述尼克尔斯图和所述伯德图通过低通滤波器、限波滤波器和反限波滤波器进行滤波处理得到所述目标电流信号。

5.一种电机控制装置，应用于电机，其特征在于，所述装置包括：

获取模块，用于获取所述电机当前输出的电流信号；

调节模块，用于根据预先设置的KP值和KI值得到所述电流信号的阶跃响应图；并根据所述阶跃响应图调节出符合预设规则的PID参数，所述PID参数包括目标KP值和目标KI值；调节所述KP值和所述KI值得到符合所述预设规则的所述目标KP值和所述目标KI值，其中，所述预设规则是指所述目标KP值和所述目标KI值使得所述阶跃响应图的斜率在第一范围内、波峰值在第二范围内以及波谷值在第三范围内； 预处理模块，用于根据所述PID参数对所述电流信号进行处理得到预处理电流信号；

特性处理模块，用于将所述预处理电流信号通过相频特性得到尼克尔斯图，通过幅频特性得到伯德图；

滤波处理模块，用于对所述尼克尔斯图和所述伯德图进行滤波处理得到目标电流信号。

6.如权利要求5所述的电机控制装置，其特征在于，所述滤波处理模块用于将所述尼克尔斯图和所述伯德图通过低通滤波器、限波滤波器和反限波滤波器进行滤波处理得到所述目标电流信号。

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