CN110031757B - 一种用于快速检测电机闭环系统堵转的方法 - Google Patents

一种用于快速检测电机闭环系统堵转的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于快速检测电机闭环系统堵转的方法，根据PID算法，建立电机闭环系统模型；对所述电机闭环系统模型的电机输入电压进行后向差分处理，得到电机的输入电压增量；对所述电机闭环系统模型的实际电机转速进行后向差分处理，得到电机的实际转速增量；当电机的输入电压增量大于电压增量设定阈值，电机的实际转速增量小于速度增量设定阈值，且经过n个采样周期后，电机的输入电压与输入电压的最大值的差值小于电压阈值，电机的实际转速小于转速阈值时，则电机闭环系统堵转；其中，n为正整数，n≥1。本发明的有益效果是：检测性灵敏，检测速度快，精确度高。

Description

一种用于快速检测电机闭环系统堵转的方法
技术领域
本发明涉及电机领域，尤其涉及一种用于快速检测电机闭环系统堵转的方法
背景技术
对于电机速度闭环的系统，在很多的装置设备当中都会用到这样的一个子系统嵌入到设备当中，提高系统的稳定性，例如说无人汽车、机器人伺服控制。都会用到这个系统。但是在闭环系统会有一种问题出现，那就是当电机突然受到很大阻尼时，该系统会由于负反馈效应输出最大电流，但是这是电机又是堵转的状态，于是便会造成电机和驱动电路的损坏。目前一般对于这种状态的检测方法是通过检测该系统的电机速度，当电机速度低于特定阈值达到1.5秒左右的时候，便判定该系统进入堵转状态，然后采取保护措施。这种方法检测速度慢，比较死板，不灵活，不能最大的减少该系统的损耗。因此，需要研究一种方法用来快速检测电机是否发生堵转情况。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于快速检测电机闭环系统堵转的方法，主要包括以下步骤：
S1：根据PID算法，建立电机闭环系统模型；
S2：对所述电机闭环系统模型的电机的输入电压进行后向差分处理，得到电机的输入电压增量；
S3：对所述电机闭环系统模型的电机的实际转速进行后向差分处理，得到电机的实际转速增量；
S4：当电机的输入电压增量大于电压增量设定阈值，电机的实际转速增量小于速度增量设定阈值，且经过n个采样周期后，电机的输入电压与输入电压的最大值的差值小于电压阈值，电机的实际转速小于转速阈值时，则电机闭环系统堵转；其中，n为正整数，n≥1。
进一步地，步骤S1中的电机闭环系统模型为离散传递函数：
Figure GDA0002491224420000021
err(k)＝set_value(k)-actual_value(k)
其中，u(k)为电机的输入电压；kp为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间，T为采样时间；err(k)为电机的转动速度差，代表设定转动速度set_value(k)和实际转动速度actual_value(k)之差。
进一步地，步骤S2中，电机的输入电压增量的公式为：▽u(k)＝u(k)-u(k-1)，▽u(k)为电机的输入电压增量，u(k)为k采样周期电机的输入电压，u(k-1)为k-1采样周期电机的输入电压，k为大于1的正整数。
进一步地，步骤S3中，电机的实际转速增量的公式为：▽actual_value(k)＝actual_value(k)-actual_value(k-1)，▽actual_value(k)为电机的实际转速增量，actual_value(k)为k采样周期电机的实际转速，actual_value(k-1)为k-1采样周期电机的实际转速，k为大于1的正整数。
进一步地，步骤S4中，电压增量设定阈值为正值。
进一步地，步骤S4中，速度增量设定阈值为负值；速度增量设定阈值为负值；电机的实际转速增量小于速度增量设定阈值，即指电机实际转速增量也为负值，但是电机的实际转速增量的绝对值大于速度增量设定阈值的绝对值。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：检测性灵敏，检测速度快，精确度高。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种用于快速检测电机闭环系统堵转的方法的流程图；
图2是本发明实施例中电机闭环系统的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种用于快速检测电机闭环系统堵转的方法。
请参考图1和图2，图1是本发明实施例中一种用于快速检测电机闭环系统堵转的方法的流程图，图2是本发明实施例中电机闭环系统的结构示意图，电机闭环系统包括电机模块、编码器模块、主控模块、电机驱动模块和电源模块；电机驱动模块根据主控模块输出的pwm波，负责驱动电机转动；电机模块是电机闭环系统的执行模块，为控制对象，接收驱动，电机转动；编码器模块用于检测电机的转速，与电机模块通过齿轮连接；主控模块所采用的是NXP公司的MK66FX1M0VLQ18单片机，运行速度快；是电机闭环系统的控制模块，通过输出的pwm波的占空比控制输出给电机的电压，也即控制电机的输入电压；电源模块负责为整个电机闭环系统供电，包括编码器模块、电机驱动模块和主控模块；用于快速检测电机闭环系统堵转的方法具体包括如下步骤：
S1：根据PID算法，建立电机闭环系统模型；电机闭环系统模型为离散传递函数：
Figure GDA0002491224420000031
err(k)＝set_value(k)-actual_value(k)
其中，u(k)为主控模块传给电机驱动模块的pwm波的占空比所分配的电压，也即电机的输入电压；kp为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间，T为采样时间；err(k)为设定转动速度set_value(k)和编码器检测到的实际转动速度actual_value(k)之差。
S2：对所述电机闭环系统模型的电机的输入电压进行后向差分处理，得到电机的输入电压增量；电机的输入电压增量的公式为：▽u(k)＝u(k)-u(k-1)，▽u(k)为电机的输入电压增量，u(k)为k采样周期电机的输入电压，u(k-1)为k-1采样周期电机的输入电压，k为大于1的正整数；▽u(k)的正负代表了电机的变化方向，是变大还是变小；▽u(k)的大小就代表电压的变化大小，即变化的剧烈程度。
S3：对所述电机闭环系统模型的电机的实际转速进行后向差分处理，得到电机的实际转速增量；▽actual_value(k)＝actual_value(k)-actual_value(k-1)，▽actual_value(k)为电机的实际转速增量，actual_value(k)为k采样周期电机的实际转速，actual_value(k-1)为k-1采样周期电机的实际转速，k为大于1的正整数；▽actual_value(k)的正负代表了实际转速的变化方向，即速度是变大还是变小；▽actual_value(k)的大小代表了实际转速变化的快慢，相当于加速度。
S4：当电机的输入电压增量为大于电压增量设定阈值，电压增量设定阈值为正值；电机的实际转速增量小于速度增量设定阈值，速度增量设定阈值为负值；电机的实际转速增量小于速度增量设定阈值，即指电机的实际转速增量也为负值，但是电机的实际转速增量的绝对值大于速度增量设定阈值的绝对值；且经过n个采样周期后，电机的输入电压与输入电压的最大值的差值小于电压阈值(此时，电机的输入电压接近于输入最大值)，电机的实际转速小于转速阈值(此时，电机实际转速接近于零)时，则电机闭环系统堵转，马上采取保护措施进行保护，以免发生安全事故。其中，n为正整数，n≥1。本实施例中取n＝2。
当▽u(k)和▽actual_value(k)均为0时，电机闭环系统正常运行；当u(k)和actual_value(k)的变化很小时，电机闭环系统正常运行；当电机闭环系统处于半堵转的时候，即系统的受到的阻尼是在变化的时候，因为判定周期为两个周期，时间很短，所以我们会把这种情况判断为堵转，在实际生产过程中，这种情况也确实需要进行保护措施。
本发明的有益效果是：检测性灵敏，检测速度快，精确度高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims (5)

1.一种用于快速检测电机闭环系统堵转的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据PID算法，建立电机闭环系统模型；
电机闭环系统模型为离散传递函数：
Figure FDA0002491224410000011
err(k)＝set_value(k)-actual_value(k)
其中，u(k)为电机的输入电压；kp为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间，T为采样时间，k表示第k个采样周期，k为大于1的正整数；err(k)为电机的转动速度差，代表设定转动速度set_value(k)和实际转动速度actual_value(k)之差；
S2：对所述电机闭环系统模型的电机的输入电压进行后向差分处理，得到电机的输入电压增量；
S3：对所述电机闭环系统模型的电机的实际转速进行后向差分处理，得到电机的实际转速增量；
S4：当电机的输入电压增量大于电压增量设定阈值，电机的实际转速增量小于速度增量设定阈值，且经过n个采样周期后，电机的输入电压与输入电压的最大值的差值小于电压阈值，电机的实际转速小于转速阈值时，则电机闭环系统堵转；其中，n为正整数，n≥1。
2.如权利要求1所述的一种用于快速检测电机闭环系统堵转的方法，其特征在于：步骤S2中，电机的输入电压增量的公式为：
Figure FDA0002491224410000012
Figure FDA0002491224410000013
为电机的输入电压增量，u(k)为k采样周期电机的输入电压，u(k-1)为k-1采样周期电机的输入电压，k为大于1的正整数。
3.如权利要求1所述的一种用于快速检测电机闭环系统堵转的方法，其特征在于：步骤S3中，电机的实际转速增量的公式为：
Figure FDA0002491224410000014
Figure FDA0002491224410000015
为电机的实际转速增量，actual_value(k)为k采样周期电机的实际转速，actual_value(k-1)为k-1采样周期电机的实际转速，k为大于1的正整数。
4.如权利要求1所述的一种用于快速检测电机闭环系统堵转的方法，其特征在于：步骤S4中，电压增量设定阈值为正值。
5.如权利要求1所述的一种用于快速检测电机闭环系统堵转的方法，其特征在于：步骤S4中，速度增量设定阈值为负值；电机的实际转速增量小于速度增量设定阈值，即指电机实际转速增量也为负值，但是电机的实际转速增量的绝对值大于速度增量设定阈值的绝对值。
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