CN109986494B - 一种杆塔螺栓电动扭矩扳手及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种杆塔螺栓电动扭矩扳手及其控制方法，根据当前电机扭矩与磁链，依据欧拉法以及永磁同步电机的数学模型，预测在不同电压矢量下的下一时刻的电机扭矩和磁链，根据扳手目标扭矩值和定子目标磁链值以及预测的下一时刻的电机扭矩值和磁链值，计算不同电压矢量下的目标函数值，选择使目标函数最优的电压矢量为下一时刻的电压。本发明通过定子电流与磁链的预测模型取代了传统的PI调节器，扭矩响应较快，对杆塔螺栓紧固有较好意义。通过构造合适的目标函数使驱动电机的每一步控制都是满足控制目标的最优情况，实现了杆塔螺栓电动扭矩扳手输出扭矩的高精度控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种杆塔螺栓电动扭矩扳手及其控制方法，属于电动扭矩扳手技术领域。
背景技术
在杆塔螺栓紧固时，对于紧固的扭矩值与精度都有很高的要求。一方面，如果扭矩值太大，可能会使螺栓拉伸或脆断；另一方面，如果扭矩值太小，则螺栓可能会松动。另外，在输电铁塔高处，风扰动较大，铁塔舞动幅度增大，安全风险较为突出，因此需要对扭矩进行高精度控制。
现有技术中常见的电动扭矩扳手控制方式一般为电流式或冲击式。电流式电动扳手在螺栓紧固瞬间电流急剧上升，因此输出扭矩波动较大。冲击式电动扭矩扳手靠时间或冲击次数定扭，利用冲击装置频繁多次地冲击螺栓，积累而形成扭紧力矩，控制精度较低。例如，公开号为CN108188968A的中国发明专利，公开了“一种电动冲击扳手及其装配力矩的控制方法”，其通过输入设定的功率和打击次数，将其转换为对应的目标扭矩值，达到落座扭矩后，再通过计数控制，直到达到预设的扭矩值和打击次数。此种采用多次打击累计扭矩，从而达到预设扭矩的方式存在着缺陷，由于每次打击的效果时间会受碰撞面表面粗糙度、硬度、弹簧的刚度和压力、传动齿轮刚度和齿隙等自身系统刚度或工件系统刚度的影响，所以扭矩控制精度较低。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本发明的目的在于解决现有电动扳手扭矩控制精度较低、波动较大的缺陷，提供了一种杆塔螺栓电动扭矩扳手，采用一种模型预测控制方法实现杆塔螺栓电动扭矩扳手输出扭矩的高精度控制。
为了完成上述目的，本发明公开了一种杆塔螺栓电动扭矩扳手，包括输出轴、启停开关、驱动电机、扭矩控制系统和人机交互界面；所述扭矩控制系统包括微控制器、电流采集模块、转速计算模块、电机驱动模块和通讯模块，所述微控制器分别与电流采集模块、转速计算模块、电机驱动模块和通讯模块连接；所述电流采集模块用于采集电机工作时的电流信号并传送给微控制器；所述转速计算模块根据电机定子上的霍尔传感器信号实时计算电机当前转速并传送给微控制器，所述霍尔传感器用于检测电机转子齿的实时位置；所述电机驱动模块连接至所述驱动电机，所述微控制器控制所述电机驱动模块，使驱动电机工作；所述通讯模块连接至所述人机交互界面，所述通讯模块接收操作者在人机交互界面输入的参数信息，并传送给微控制器。
更进一步地说，所述操作者在人机交互界面输入的参数信息包括扳手目标扭矩值或扳手扭矩档位值。
更进一步地说，所述杆塔螺栓电动扭矩扳手设置有供电电池，所述供电电池连接至微控制器和驱动电机，为驱动电机与扭矩控制系统供电。
更进一步地说，所述电机驱动模块包括由二极管和电力场效应晶体管构成的逆变电路。
一种杆塔螺栓电动扭矩扳手的控制方法，其步骤为：
1)根据操作者在人机交互界面输入的参数信息，获得扳手目标扭矩值；
2)控制电动扭矩扳手中的电机驱动模块，使驱动电机开始工作；
3)根据扳手目标扭矩值计算定子目标磁链值；
4)测量当前时刻的电机转速和电机定子电流；
5)根据测量的当前时刻的电机转速和电机定子电流，计算当前电机扭矩与磁链；
6)根据当前电机扭矩与磁链，依据欧拉法以及永磁同步电机的数学模型，预测在不同电压矢量下的下一时刻的电机扭矩和磁链；
7)构建目标函数，
根据扳手目标扭矩值和定则子目标磁链值以及预测的下一时刻的电机扭矩值和磁链值，计算不同电压矢量下的目标函数值；
8)选取目标函数值最小时的电压矢量作为最优的电压矢量，选择最优的电压矢量作为下一时刻的电压；
9)重复上述步骤4)至步骤8)，直至达到所述扳手目标扭矩值。
更进一步地说，在所述步骤3)中，定子目标磁链值的计算公式如下：
其中，ψf为转子永磁体磁链值，为扳手目标扭矩值，Lq为定子线圈交轴电感，p为极对数。
更进一步地说，在所述步骤6)中，所述永磁同步电机的数学模型为：
所述永磁同步电机的扭矩为：
其中，p为微分算子，is为定子电流，Rs、Ls为电机定子电阻、电感，ωr为电机转速，ψf为转子永磁体磁链值，us为定子电压矢量，ψs为定子磁链值，pP为电机极对数。
更进一步地说，在所述步骤7)中，构建的目标函数为：
其中，分别为扳手目标扭矩值和定子目标磁链值，ψs为下一时刻的定子磁链值，Te为下一时刻的输出扭矩值，kψ为权重系数。
更进一步地说，在所述步骤4)中，测量电机转速是根据电机定子上的霍尔传感器信号计算电机当前转速，计算公式如下：
其中，n为电机转速，l为相邻两次信号之间电机转子齿运动圆周的周长，T1、T2为霍尔传感器分别捕捉到相邻两次信号时的时间点。
更进一步地说，在所述步骤6)中，采用欧拉法对永磁同步电机的数学模型进行离散化，公式为：
其中，x(k)、x(k+1)分别为k时刻与(k+1)时刻的定子电流和定子磁链，Ts为k时刻到k+1时刻的时间间隔。
离散化后得到电机定子电流、磁链与扭矩的预测模型：
更进一步地说，定子电压矢量采用两电平逆变器产生的八个矢量：[0,0,0]T，[1,0,0]T，[1,1,0]T，[0,1,0]T，[0,1,1]T，[0,0,1]T，[1,0,1]T，[1,1,1]T。
更进一步地说，在步骤7)中，可根据实际控制结果调整权重系数kψ，如输出扭矩与目标扭矩相差过大，可适当减小权重系数，增加输出扭矩精度。
更进一步地说，在步骤7)中，考虑到本发明对于输出扭矩的高精度要求，权重系数范围优选为0.05-1，最优选的权重系数kψ为0.1。
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下效果：
1.通过定子电流与磁链的预测模型取代传统的PI调节器，扭矩响应较快，对杆塔螺栓紧固扭矩精度具有较大提升。
2.通过构造合适的目标函数，使驱动电机的每一步控制都是满足控制目标的最优情况，实现了杆塔螺栓电动扭矩扳手输出扭矩的高精度控制。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的一种杆塔螺栓电动扭矩扳手的扭矩控制系统的结构连接示意图；
图2为本发明的一种杆塔螺栓电动扭矩扳手的扭矩控制系统的工作流程图；
图3为本发明的一种杆塔螺栓电动扭矩扳手的扭矩控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
本发明的一种杆塔螺栓电动扭矩扳手包括输出轴、启停开关、驱动电机、扭矩控制系统和人机交互界面。
其中杆塔螺栓电动扭矩扳手的扭矩控制系统的结构连接示意图如图1所示。
所述扭矩控制系统包括微控制器、电流采集模块、转速计算模块、电机驱动模块和通讯模块，所述微控制器分别与电流采集模块、转速计算模块、电机驱动模块和通讯模块连接；所述电流采集模块用于采集电机工作时的电流信号并传送给微控制器；所述转速计算模块根据电机定子上的霍尔传感器信号实时计算电机当前转速并传送给微控制器，所述霍尔传感器用于检测电机转子齿的实时位置；所述电机驱动模块连接至所述驱动电机，所述微控制器控制所述电机驱动模块，使驱动电机工作；所述通讯模块连接至所述人机交互界面，所述通讯模块接收操作者在人机交互界面输入的参数信息，并传送给微控制器。
更进一步地说，所述操作者在人机交互界面输入的参数信息包括扳手目标扭矩值或扳手扭矩档位值。
更进一步地说，所述杆塔螺栓电动扭矩扳手设置有供电电池，所述供电电池连接至微控制器和驱动电机，为驱动电机与扭矩控制系统供电。
更进一步地说，所述电机驱动模块包括由二极管和电力场效应晶体管构成的逆变电路。
本发明的一种杆塔螺栓电动扭矩扳手的扭矩控制系统的工作流程图如图2所示，杆塔螺栓电动扭矩扳手上电复位后，操作者从人机交互界面进行操作，选择工作模式，确定输出扭矩目标值，微处理器接收到相应指令，将相应工作模式、目标扭矩反馈给人机交互界面显示，该目标扭矩即为扭矩控制方法中的最终目标值。
当操作者按下启停开关后，微处理器开始控制电机驱动模块，使扳手的电机开始工作。执行图3所示的扭矩控制方法，其中包括测量当前时刻的电机转速和电机定子电流。
根据扭矩控制方法获得所需的目标扭矩值后，按下启停开关，关闭电机驱动模块，停止扳手电机。
本发明的一种杆塔螺栓电动扭矩扳手的扭矩控制方法的流程示意图如图3所示。
首先，根据操作者在人机交互界面输入的扳手目标扭矩值计算定子目标磁链值，计算公式如下：
其中，ψf为转子永磁体磁链值，为扳手目标扭矩值，Lq为定子线圈交轴电感，p为极对数。
测量当前时刻的电机转速和电机定子电流，根据测量的当前时刻的电机转速和电机定子电流，计算当前电机扭矩与磁链；根据当前电机扭矩与磁链，依据欧拉法以及永磁同步电机的数学模型，预测在不同电压矢量下的下一时刻的电机扭矩和磁链。
所述永磁同步电机的数学模型为：
所述永磁同步电机的扭矩为：
其中，p为微分算子，is为定子电流，Rs、Ls为电机定子电阻、电感，ωr为电机转速，ψf为转子永磁体磁链值，us为定子电压矢量，ψs为定子磁链值，pP为电机极对数。
接着，构建目标函数：
其中，分别为扳手目标扭矩值和定子目标磁链值，ψs为下一时刻的定子磁链值，Te为下一时刻的输出扭矩值，kψ为权重系数。
根据扳手目标扭矩值和定子目标磁链值以及预测的下一时刻的电机扭矩值和磁链值，计算不同电压矢量下的目标函数值。
选取目标函数值最小时的电压矢量作为最优的电压矢量，选择最优的电压矢量作为下一时刻的电压。
重复上述步骤，直至达到所述扳手目标扭矩值。
在本发明的实施例中，当设定目标扭矩值为420N·m时，扳手实际输出的扭矩误差小于3％，具有较高的输出扭矩精度，相对于现有的冲击型电动扳手10％-20％的误差而言，对杆塔螺栓紧固扭矩精度具有较大提升。
申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种杆塔螺栓电动扭矩扳手的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：
1)根据操作者在人机交互界面输入的参数信息，获得扳手目标扭矩值；
2)控制电动扭矩扳手中的电机驱动模块，使驱动电机开始工作；
3)根据扳手目标扭矩值计算定子目标磁链值；
4)测量当前时刻的电机转速和电机定子电流；
5)根据测量的当前时刻的电机转速和电机定子电流，计算当前电机扭矩与磁链；
6)根据当前电机扭矩与磁链，依据欧拉法以及永磁同步电机的数学模型，预测在不同电压矢量下的下一时刻的电机扭矩和磁链；
7)构建目标函数，
根据扳手目标扭矩值和定子目标磁链值以及预测的下一时刻的电机扭矩值和磁链值，计算不同电压矢量下的目标函数值；
8)选取目标函数值最小时的电压矢量作为最优的电压矢量，选择最优的电压矢量作为下一时刻的电压；
9)重复上述步骤4)至步骤8)，直至达到所述扳手目标扭矩值；
在所述步骤3)中，定子目标磁链值的计算公式如下：
其中，ψf为转子永磁体磁链值，为扳手目标扭矩值，Lq为定子线圈交轴电感，p为极对数；
在所述步骤6)中，所述永磁同步电机的数学模型为：
所述永磁同步电机的扭矩为：
其中，p为微分算子，is为定子电流，Rs、Ls为电机定子电阻、电感，ωr为电机转速，ψf为转子永磁体磁链值，us为定子电压矢量，ψs为定子磁链值，pP为电机极对数；
在所述步骤7)中，构建的目标函数为：
其中，分别为扳手目标扭矩值和定子目标磁链值，ψs为下一时刻的定子磁链值，Te为下一时刻的输出扭矩值，kψ为权重系数；
在步骤7)中，所述权重系数的取值范围为0.05-1；
在所述步骤4)中，测量电机转速是根据电机定子上的霍尔传感器信号计算电机当前转速，计算公式如下：
其中，n为电机转速，l为相邻两次信号之间电机转子齿运动圆周的周长，T1、T2为霍尔传感器分别捕捉到相邻两次信号时的时间点；
在所述步骤6)中，采用欧拉法对永磁同步电机的数学模型进行离散化，公式为：
其中，x(k)、x(k+1)分别为k时刻与k+1时刻的定子电流和定子磁链，Ts为k时刻到k+1时刻的时间间隔；
离散化后得到电机定子电流、磁链与扭矩的预测模型：
所述定子电压矢量采用两电平逆变器产生的八个矢量：[0,0,0]T，[1,0,0]T，[1,1,0]T，[0,1,0]T，[0,1,1]T，[1,0,1]T,[0,0,1]T，[1,1,1]T。
2.根据权利要求1所述的杆塔螺栓电动扭矩扳手的控制方法，其特征在于：所述权重系数kψ为0.1。
3.一种基于权利要求1或2所述的杆塔螺栓电动扭矩扳手的控制方法的杆塔螺栓电动扭矩扳手，包括输出轴、启停开关、驱动电机、扭矩控制系统和人机交互界面；其特征在于：
所述扭矩控制系统包括微控制器、电流采集模块、转速计算模块、电机驱动模块和通讯模块，所述微控制器分别与电流采集模块、转速计算模块、电机驱动模块和通讯模块连接；所述电流采集模块用于采集电机工作时的电流信号并传送给微控制器；所述转速计算模块根据电机定子上的霍尔传感器信号实时计算电机当前转速并传送给微控制器，所述霍尔传感器用于检测电机转子齿的实时位置；所述电机驱动模块连接至所述驱动电机，所述微控制器控制所述电机驱动模块，使驱动电机工作；所述通讯模块连接至所述人机交互界面，所述通讯模块接收操作者在人机交互界面输入的参数信息，并传送给微控制器；
所述操作者在人机交互界面输入的参数信息包括扳手目标扭矩值或扳手扭矩档位值；
所述杆塔螺栓电动扭矩扳手设置有供电电池，所述供电电池连接至微控制器和驱动电机，为驱动电机与扭矩控制系统供电。
4.根据权利要求3所述的杆塔螺栓电动扭矩扳手，其特征在于：所述电机驱动模块包括由二极管和电力场效应晶体管构成的逆变电路。
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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