CN111756289B - 一种适用于便携式转台的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于便携式转台的控制方法，该方法通过电机的正反转带动高精度编码器旋转，获取、分析电机端的霍尔传感器和高精度编码器数据的方式来测量传动死区。通过高精度编码器结合减速比来实时计算电机转子位置，再利用霍尔传感器精确校正电机转子位置，判断电机是否处于传动死区，以在控制中实现死区补偿，该控制方法具有定位工作模式和速度工作模式。在定位控制模式下，本发明在系统精度允许范围内，采用变稳定点的控制算法，实现快速、平稳、精确的定位功能。在速度控制模式下，本发明利用高减速比系统的自身鲁棒性，电机速度环采取差角控制算法，保证系统无论在高速和低速下都能的平稳运行。

Description

一种适用于便携式转台的控制方法

技术领域

本发明属于转台控制技术，具体涉及一种适用于便携式转台的控制方法。

背景技术

转台常用于测绘设备中，驱动测绘设备实现高精度的平稳测绘工作。转台的控制的精度通常都是转台设计人员考虑的最为核心的问题之一，由于多级减速器的存在，电机输出端与转台输出端会有很大的死区，这对转台的控制的快速性、稳定性和控制精度有很大的负面影响，现有的转台控制方式较多，例如：

中国专利，公开号CN110544828A，专利名称为《特种设备天线转台双电机控制系统及其方法》，该专利采用的技术方案为：通过两个电机驱动同一个输出轴的方式，使输出轴一直被驱动轴接触状态，消除了死区对控制精度的影响。

中国专利，公开号CN206478215U，专利名称为《一种带有双传动链消隙装置的转台》，该专利采用的技术方案为：通过一个电机驱动两个相同减速器带动同一个输出轴的方式，使输出轴一直被驱动轴接触状态，消除了死区对控制精度的影响。

随着科技的不断进步，一些测绘工作需要在野外进行，因此就需要设计便携式转台，这种便携式转台一般要求其需要具备尺寸小、质量轻、负载能力强、输出力矩大、精度高和成本低等特点。

上述两份专利公开的技术方案虽然都消除了死区对转台控制精度的影响，从而获得很好的控制效果，但是上述两个技术方案的控制方式由于受到便携式转台的尺寸、重量、功耗和成本制约，导致上述方式很难适用于便携式转台，而传统的控制方式在定位工作模式和速度工作模式时均存在缺陷：

1、在定位工作模式时，现有方法由于传动死区的存在，以及系统静摩擦远大于动摩擦特性，导致定位过程难以快速稳定调节。

2、在速度控制模式下，由于传动死区的存在以及系统静摩擦远大于动摩擦，传统方法通过施加与电机转子垂直的电压矢量，并通过调节大小控制电机转子转动，这种方式能够使电机输出很大力矩，但难以保证系统低速下的平稳运行，既增加摩擦阻尼又会增加系统功耗。

发明内容

为了解决现有转台的控制方式很难适用于便携式转台的问题，本发明提供一种适用于便携式转台的控制方法，该控制方法可消除死区对控制精度的影响，从而实现了便携式转台的高精度和快速定位控制，以及速度设定范围宽、速度波动小的速度控制。

本发明的基本设计原理是：

为实现良好的电机磁场定向控制控制，需得到传动死区和电机转子实时位置。通过电机的正反转带动输出轴高精度编码器旋转，获取、分析电机端的霍尔传感器和高精度编码器数据的方式来测量传动死区。通过高精度编码器结合减速比来实时计算电机转子位置，再利用霍尔传感器精确校正电机转子位置的方式来实时精确的确定电机转子位置。通过霍尔传感器和输出轴高精度编码器数据结合减速比，判断电机是否处于传动死区，以在控制中实现死区补偿，该控制方法具有定位工作模式和速度工作模式。

在定位控制模式下，本发明在系统精度允许范围内，采用变稳定点的控制算法，实现快速、平稳、精确的定位功能。

在速度控制模式下，本发明利用高减速比系统的自身鲁棒性，电机速度环采取差角控制算法，保证系统无论在高速和低速下都能的平稳运行。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种适用于便携式转台的控制方法，所述便携式转台的转盘上安装高精度编码器，便携式转台的电机输出轴上安装霍尔传感器，其具体控制步骤为：

步骤1：传动死区检测

步骤1.1：电机带动转盘转动，当霍尔传感器和高精度编码器信号变化时，记录此时霍尔传感器的信号位置，记为H1，以及此时高精度编码器的信号位置，记为P1；

步骤1.2：然后电机反向带动转盘转动，当电机霍尔传感器和高精度编码器信号再次变化时，记录此时霍尔传感器的信号位置，记为H2，以及此时高精度编码器的信号位置，记为P2；

步骤1.3：计算出传动死区S，具体计算公式为：S＝|P2-P1-H2+H1|；

步骤2：实时获取当前时刻电机转子位置；

步骤2.1：获取当前时刻高精度编码器的位置P，结合减速比K₁计算当前时刻电机转子位置

步骤2.2：当电机端霍尔信号发生变化时，计算由霍尔信号得到的电机实际位置

并同时按照步骤2.1的方式计算得到此时电机转子位置

并记录；

步骤2.3：计算校正后当前时刻电机转子位置θ_rot，具体计算公式：

步骤3：输入工作模式；

当输入工作模式为速度工作模式，则执行步骤4；当输入工作模式为定位工作模式，则执行步骤5；

步骤4：速度工作模式下对电机转子进行控制，从而实现对转台的控制；

步骤5：定位工作模式下对电机转子进行控制，从而实现对转台的控制。

进一步地，上述步骤4采用速度环差角控制方式进行，具体实现过程为：

步骤4.1：建立旋转矢量电压幅值控制模块；旋转矢量电压幅值控制模块包括比较器、比例积分控制器、选择器以及差角计算器；

步骤4.2：获取实际角差；

步骤4.2.1：根据当前电机转子角度位置θ_rot计算当前电机转子的电角度θ_el，具体计算公式为：θ_el＝θ_rot×N_pp；

N_pp为电机极对数；

步骤4.2.2：根据给定速度ν和旋转矢量电压的相角θ_vot生成下一时刻电机转子应到达的位置

步骤4.2.3：通过差角计算器将电机转子的电角度与旋转矢量电压相角做差取绝对值得到实际角差θ_dt，并将其反馈至比较器；

实际角差θ_dt的具体计算公式为：θ_dt＝|θ_el-θ_vot|；

步骤4.3：向比较器内输入设定的期望角差θ_ref，并将实际角差θ_dt作为比较器的反馈值作差，做差结果输出至比例积分控制器获得需要的旋转矢量电压幅值大小；θ_ref的取值范围为(0°,90°)；

步骤4.4：选择器判断是否处于死区，若处于死区，则根据固定电压输出幅值控制电机转子转动；若未处于死区，则以步骤4.3获取的旋转矢量电压幅值大小对电机转子进行控制，从而实现对转台的控制；固定电压输出幅值的取值范围是根据具体工况人工设定的，具体参考标准为电机的额定电压，对象摩擦力情况等。

进一步地，上述步骤5采用变稳定点的定位控制方式进行，具体过程为：

步骤5.1：设置最终定位目标点O以及最终定位目标点O所允许的误差范围为[-d1,+d1]；

步骤5.2：判断当前电机转子位置，将其调节至最终目标点O；

情况一：若当前电机转子位置小于-d1时，设定临时控制目标为-d1位置，使得电机转子朝向-d1位置的转动，当电机转子位置进入[-d1,+d1]区间内开始执行情况三；

情况二：若当前电机转子位置大于+d1时，设定临时控制目标为+d1位置，使得电机转子朝向-d1位置的转动，当电机转子位置进入[-d1,+d1]区间内开始执行情况三；

情况三：若当前电机转子位置在[-d1,+d1]区间内时，若当前电机转子朝向+d1位置移动时，则调整临时控制目标为-d1位置，若当前电机转子朝向-d1位置移动时，则调整临时控制目标为+d1位置，经过多次临时控制目标的反复调换，最终使电机转子位置到达最终目标点O，从而实现对转台的控制。

本发明的有益效果是：

1、本发明的方法对具有减速器且传动比高的传动机构由于电机轴端装霍尔传感器，转盘上装高精度编码器，可通过霍尔传感器对电机轴的定位校正实现电机的精确控制，通过正反转的数据分析，能够精确检测系统传动死区，电机位置，实现磁场定向控制。该方案能够实现系统对高精度和低成本的要求，并具有良好的控制性能。

2、本发明的方法对具有高减速比的传动机构输出轴进行速度环控制时，提出了速度差角控制算法，这种方法采用开环控制和闭环控制相结合的方式，开环部分：旋转矢量电压(电流)的相角由给定速度决定，开环控制利用了高减速比系统对外界扰动的鲁棒性，和电机自身的受力特性(电机转子始终受到拉向与矢量电压平行位置的力)，使得在速度模式下能够平稳运行；闭环部分：通过控制旋转矢量电压(电流)幅值来控制其相角与电机转子位置差角的方式保证电机一直稳定的跟随矢量电压(电流)旋转。这种控制方式使系统具有良好的平稳性、鲁棒性和低功耗特点。

3、本发明的方法对控制精度范围内，提出了变稳定点控制算法。

1)当被控对象在允许误差外时，系统以允许误差范围最近位置作为控制目标位置，相对于传统的以变增益方式(不同速度下控制器增益不同)具有更高的快速性能；

2)当进入允许误差范围后，系统迅速回调，使被控对象迅速停止下来，以防止超调，这种方法相当于在系统允许误差范围内增加了系统阻尼，使系统快速停止在允许误差范围内；

3)由于在允许误差范围内，朝目标位置回调的作用力大于反向调节的作用力，所以系统会在允许误差范围内逐渐的向目标位置调节，直至消除误差。

此方法在死区控制中极其有效，既能保证控制精度，快速性，又能保证控制对象平稳性。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为速度差角控制原理示意图；

图3为旋转矢量电压幅值控制模块结构原理图。

图4为变稳定点控制原理示意图；

图5为变稳定点控制算法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种适用于便携式转台的控制方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。

实施例

为了实现对本实施例中的便携式转台的精确控制，本实施例在便携式转台的转盘上安装高精度编码器，便携式转台的电机输出轴上安装霍尔传感器，为实现良好的电机磁场定向控制控制，需得到系统的传动死区和电机转子实时位置。通过电机的正反转带动输出轴高精度编码器旋转，获取、分析霍尔传感器和高精度编码器数据的方式来测量传动死区，通过高精度编码器结合减速比来实时计算电机转子位置，再利用霍尔传感器精确校正电机转子位置的方式来实时精确的确定电机转子位置。通过判断电机是否处于传动死区，以在控制中实现死区补偿。其具体的控制流程如图1所示：

步骤1、传动死区检测

步骤1.1、手动使电机转动(或直接电压驱动电机)，霍尔传感器和高精度编码器信号变化时，记录此时霍尔传感器的信号位置，记为H1，以及此时高精度编码器的信号位置，记为P1；

步骤1.2、然后电机反向带动转盘转动，当电机霍尔传感器和高精度编码器信号再次变化时，记录此时霍尔传感器的信号位置，记为H2，以及此时高精度编码器的信号位置，记为P2；

步骤1.3、通过|P2-P1-H2+H1|计算传动死区；

步骤2、实时检测电机转子位置

由于霍尔传感获取的电角度位置分辨率低，更新速度慢，高精度编码器位置分辨率高，更新速度快，而与电机轴端具有传动死区。为在电机转动过程中精确获取电机转子位置，利用高精度编码器的数据结合减速比计算得到高分辨率的电机转子位置，当电机端霍尔信号变化时，对计算得到的高精度电机转子位置进行对齐校正。这样便得到了准确的高精度的电机转子位置，便于电机的磁场定向控制和速度环差角控制。

具体过程为：

步骤2.1：获取当前时刻高精度编码器的位置P，结合减速比K₁计算当前时刻电机转子位置

步骤2.2：当电机端霍尔信号发生变化时，计算由霍尔信号得到的电机实际位置

并同时按照步骤2.1的方式计算得到此时电机转子位置

并记录；

步骤2.3：计算校正后当前时刻电机转子位置θ_rot，具体计算公式：

步骤3：输入工作模式；

当输入工作模式为速度工作模式，则执行步骤4；当输入工作模式为定位工作模式，则执行步骤5；

步骤4、速度工作模式下工作

对具有高减速比的传动机构输出轴进行速度环控制时，采取电压(或电流)开环控制。由于系统的高减速比，对外界扰动具有非常好的鲁棒性，当外部干扰力矩作用于输出轴端时，该力矩经高减速比传输到电机端后已非常小，而该干扰力矩首先需克服各级摩擦力才能对输出轴端产生扰动，所以输出端的扰动几乎不会对电机端转速产生影响。采用开环的控制方式能够使系统具有良好的平稳性和鲁棒性。本实施例采用了建立了一个旋转矢量电压幅值控制模块并采用速度环差角控制方式在速度模式下进行控制(当然也可采用现有的一些速度控制方式进行)。

该方式的基本原理是：采用直接向电机输出给定速度和旋转矢量电压方式，旋转矢量电压将朝矢量电压方向拉动电机转子，直至电机转子方向与旋转矢量电压重合，从而带动电机转子转动。

为确保电机的平稳切换，防止电机与旋转矢量电压产生共振，将旋转矢量电压启动角度设置为电机转子当前角度。为防止电机在掉头时，因传动死区引起系统震动，速度生成器在电机运行过程中实时判断电机是否处于传动死区内，若电机处于传动死区，则保持电机与转台输出轴之间低速差运行，当电机转离传动死区后，再按给定加速度控制电机转速，速度环差角控制算法运行过程中利用旋转矢量电压幅值控制模块对旋转矢量电压幅值进行调节。

如图3所示，传统的磁场定位控制是通过施加与电机转子垂直的电压矢量V₂，调节V₂大小控制转子转动，这种方式能够使电机输出很大力矩，但稳定控制能力较弱。

本实施例中施加旋转矢量电压V₁后，电机转子会受到将转子牵引至与旋转电压矢量V₁平行的力。夹角θ_dt越大，受到的力越大，当电机转子未达到V₁角度时，电机转子会受到逆时针方向的作用力；当电机转子超过V₁角度时，电机转子会受到顺时针方向的作用力，所以系统自带稳定性，能够达到很好的控制效果。其具体工作流程如下：

步骤4.1：建立旋转矢量电压幅值控制模块；如图3所示，旋转矢量电压幅值控制模块包括比较器、比例积分控制器、选择器以及差角计算器；

步骤4.2：获取实际角差；

步骤4.2.1：根据当前电机转子角度位置θ_rot计算当前电机转子的电角度θ_el，具体计算公式为：θ_el＝θ_rot×N_pp；

N_pp为电机极对数；

步骤4.2.2：根据给定速度ν和旋转矢量电压的相角θ_vot生成下一时刻电机转子应到达的位置

步骤4.2.3：通过差角计算器将电机转子的电角度与旋转矢量电压相角做差取绝对值得到实际角差θ_dt，并将其反馈至比较器；

实际角差θ_dt的具体计算公式为：θ_dt＝|θ_el-θ_vot|；

步骤4.3：向比较器内输入设定的期望角差θ_ref，并将实际角差θ_dt作为比较器的反馈值作差，做差结果输出至比例积分控制器获得需要的旋转矢量电压幅值大小；θ_ref的取值范围为(0°,90°)；

步骤4.4：选择器判断是否处于死区，若处于死区，则根据固定电压输出幅值控制电机转子转动；若未处于死区，则以步4.3获取的旋转矢量电压幅值大小对电机转子进行控制，从而实现对转台的控制；固定电压输出幅值的取值范围是根据具体工况人工设定的，具体参考标准为电机的额定电压，对象摩擦力情况等。

为保证电机正常旋转，当电压幅值不变，θ_dt越大，电机输出力矩越大，开环系统抗扰性能越低，控制精度越低。当负载不变，电压幅值越大，θ_dt越小，功率越大，电机发热越严重。为平衡系统抗扰性和功耗，在(0°,90°)区间选取合适的θ_ref作为期望角差，为保护电路与电机，防止电流过大，比例积分控制器具有输出限幅功能。

步骤5、定位模式下工作

由于减速器传动机构的传动死区比较大、静摩擦远大于动摩擦，导致低速下系统具有很强的非线性，传统的位置控制方法难以实现快速平稳的控制。因此本实施例提供了变稳定点的定位控制方式，图4给出了该方式的控制原理图，图中坐标原点为最终定位目标点，坐标的水平轴为反馈的电机转子位置y，坐标的竖直轴为误差e，误差e将作用于控制输出。

具体的控制过程如图5所示：

步骤5.1：设置最终定位目标点O以及最终定位目标点O所允许的误差范围为[-d1,+d1]；

步骤5.2：判断当前电机转子位置，将其调节至最终目标点O；

情况一：若当前电机转子位置小于-d1时，设定临时控制目标为-d1位置，使得电机转子朝向-d1位置的转动，当电机转子位置进入[-d1,+d1]区间内开始执行情况三；

情况二：若当前电机转子位置大于+d1时，设定临时控制目标为+d1位置，使得电机转子朝向-d1位置的转动，当电机转子位置进入[-d1,+d1]区间内开始执行情况三；

情况三：若当前电机转子位置在[-d1,+d1]区间内时，若当前电机转子朝向+d1位置移动时，则调整临时控制目标为-d1位置，若当前电机转子朝向-d1位置移动时，则调整临时控制目标为+d1位置，经过多次临时控制目标的反复调换，最终使电机转子位置到达最终目标点O，从而实现对转台的控制。而传统的位置控制方法始终以点O为控制目标。

Claims (3)

1.一种适用于便携式转台的控制方法，其特征在于：所述便携式转台的转盘上安装高精度编码器，便携式转台的电机输出轴上安装霍尔传感器，其具体控制步骤为：

步骤1：传动死区检测

步骤1.1：电机带动转盘转动，当电机霍尔传感器和高精度编码器信号变化时，记录此时霍尔传感器的信号位置，记为H1，以及此时高精度编码器的信号位置，记为P1；

步骤1.2：然后电机反向带动转盘转动，当电机霍尔传感器和高精度编码器信号再次变化时，记录此时霍尔传感器的信号位置，记为H2，以及此时高精度编码器的信号位置，记为P2；

步骤1.3：计算出传动死区S，具体计算公式为：S＝|P2-P1-H2+H1|

步骤2：实时获取当前时刻电机转子位置；

步骤2.1：获取当前时刻高精度编码器的位置P，结合减速比K₁计算当前时刻电机转子位置

步骤2.2：当电机端霍尔信号发生变化时，计算由霍尔信号得到的电机实际位置

并同时按照步骤2.1的方式计算得到此时电机转子位置

并记录；

步骤2.3：计算校正后当前时刻电机转子位置θ_rot，具体计算公式：

步骤3：输入工作模式；

当输入工作模式为速度工作模式，则执行步骤4；当输入工作模式为定位工作模式，则执行步骤5；

步骤4：速度工作模式下对电机转子进行控制，从而实现对转台的控制；

步骤5：定位工作模式下对电机转子进行控制，从而实现对转台的控制。

2.根据权利要求1所述的适用于便携式转台的控制方法，其特征在于：所述步骤4采用速度环差角控制方式进行，具体步骤为：

步骤4.1：建立旋转矢量电压幅值控制模块；旋转矢量电压幅值控制模块包括比较器、比例积分控制器、选择器以及差角计算器；

步骤4.2：获取实际角差；

步骤4.2.1：根据当前电机转子角度位置θ_rot计算当前电机转子的电角度θ_el，具体计算公式为：θ_el＝θ_rot×N_pp；

N_pp为电机极对数；

步骤4.2.2：根据给定速度ν和旋转矢量电压的相角θ_vot生成下一时刻电机转子应到达的位置

步骤4.2.3：通过差角计算器将电机转子的电角度与旋转矢量电压相角做差取绝对值得到实际角差θ_dt，并将其反馈至比较器；

实际角差θ_dt的具体计算公式为：θ_dt＝|θ_el-θ_vot|；

步骤4.3：向比较器内输入设定的期望角差θ_ref，并将实际角差θ_dt作为比较器的反馈值作差，做差结果输出至比例积分控制器获得需要的旋转矢量电压幅值大小；θ_ref的取值范围为(0°,90°)；

步骤4.4：选择器判断是否处于死区，若处于死区，则根据固定电压输出幅值控制电机转子转动；若未处于死区，则以步骤4.3获取的旋转矢量电压幅值大小对电机转子进行控制，从而实现对转台的控制。

3.根据权利要求1所述的适用于便携式转台的控制方法，其特征在于：所述步骤4采用变稳定点的定位控制方式进行，具体步骤为：

步骤5.1：设置最终定位目标点O以及最终定位目标点O所允许的误差范围为[-d1,+d1]；

步骤5.2：判断当前电机转子位置，将其调节至最终目标点O；

情况一：若当前电机转子位置小于-d1时，设定临时控制目标为-d1位置，使得电机转子朝向-d1位置的转动，当电机转子位置进入[-d1,+d1]区间内开始执行情况三；

情况二：若当前电机转子位置大于+d1时，设定临时控制目标为+d1位置，使得电机转子朝向-d1位置的转动，当电机转子位置进入[-d1,+d1]区间内开始执行情况三；

情况三：若当前电机转子位置在[-d1,+d1]区间内时，若当前电机转子朝向+d1位置移动时，则调整临时控制目标为-d1位置，若当前电机转子朝向-d1位置移动时，则调整临时控制目标为+d1位置，经过多次临时控制目标的反复调换，最终使电机转子位置到达最终目标点O，从而实现对转台的控制。

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