CN112671272A - 一种直流力矩电机启动过程精确控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流力矩电机启动过程精确控制方法，针对直流力矩电机启动力矩大问题，首先，根据系统各项性能指标确定电机启动的位置角，然后，判断电机是否启动，若没有启动，控制主令采用比例，积分输出；同时给出比例、积分参数的选取方法；随后对控制主令进行限幅处理；最后，电机启动后，通过固定主令输出控制电机以稳定的速度转动。该方法能够有效保证直流力矩电机在规定时间内正常启动，提高系统可靠性。本发明方法具有下列优点：具有实现方法简单，计算数据准确，在工程实践中有效等优点。

Description

一种直流力矩电机启动过程精确控制方法

技术领域

本发明涉及伺服控制系统电机控制技术领域，具体涉及一种直流力矩电机启动过程精确控制方法。

背景技术

目前，国内在导引头伺服平台、光电跟踪仪等产品中，多采用直流力矩电机作为执行机构，直流力矩电机是直接驱动伺服应用的理想选择，在尽量减小尺寸，重量，功率和响应时间的同时，并最大限度地提高速度和位置精度。未直流力矩电机提供了一个伺服驱动器，可以直接连接到驱动负载。

直流力矩电机可以为理想的定位和速度控制系统提供超低转速和高扭矩，或高的响应速度和最佳转矩；具有如下特点：无框安装模式和可选的大的转矩范围；高转矩惯量比，快速启动/停止和高加速度；高转矩功率比，低功率输入要求；低电气时间常数为优良的命令响应所有运行速度；线性转矩响应输入电流和速度，没有死角；长期运行可靠性；精度高，即使在极低转速也无需齿轮系统；运行安静、平稳；设计紧凑、适应性强；可按要求设计包括永磁材料，叠片槽数，铁芯厚度，供电电压等。

永磁式直流力矩电动机属于一种低转速、大扭矩、可以堵转的伺服电动机，

其中有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便(换碳刷)，会产生电磁干扰，对环境有要求。

直流力矩电机启动过程分为：启动，加速，运行，减速，停止五个部分，其中启动为直流力矩电机工作的第一部分，若启动力矩过大，会造成伺服系统不能启动，或启动时间过长，给系统带来虚警等问题。

因此目前需要一种针对直流力矩电机的控制方法能够使得直流力矩电机在规定时间内正常启动。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种直流力矩电机启动过程精确控制方法，能够有效保证直流力矩电机在规定时间内正常启动，提高系统可靠性。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括：

步骤1：电机与位置传感器通过齿轮啮合传动，读取位置传感器的位置信息，通过位置信息判断电机状态。

位置传感器转动一个齿对应的码数为F：

其中A为位置传感器转动的最小角度；D为位置传感器转动一个齿所需要的角度。

步骤2、电机未启动时，位置传感器的输出角度小于D，则电机的控制主令采用比例、积分输出。

比例系数设置为G：G＝h×F；其中h为预先设置的比例裕量。

步骤3：对积分项进行限幅，设置积分限幅最大值为I：I＝G×F×j。

其中j为预先设置的积分限幅裕量。

步骤4、获取当前位置角xpst，前一时刻位置角为xpst0，则当前角度差ax＝xpst-xpst0；预先设置积分输出xiout的初始值。

步骤5、判断ax是否处于(-F,F)，若是，则比例输出bx＝ax×G，积分输出xiout增加ax，进入步骤6；否则令ax＝F，令比例输出bx＝ax×F，积分输出xiout＝0，进入步骤7。

步骤6、判断积分输出xiout是否处于积分限幅范围(-I，I)，则进入步骤7，否则令积分输出xiout等于积分限幅I。

步骤7、位置传感器的输出经数据采集芯片采集后得到最终的输出xiout0；数据采集芯片的采集精度为l；则xiout0＝bx+xiout×l。

进一步地，步骤2中，取位置传感器转动的最小角度A：

其中A为位置传感器转动最小角度；B为旋转的理论值；C为数据转换码数；K为机械传动比。

位置传感器转动一个齿所需要的角度D：

其中E为位置传感器齿轮的总齿数。

进一步地，通过位置信息判断电机状态，具体为：

电机在通电后处于工作状态，工作状态包括快速转动状态、慢速转动状态以及静止状态。

根根据位置信息判断得到电机速度，若电机速度高于电机额定转速的一半则电机处于快速转动状态。

若电机速度低于电机额定转速的一半、且高于最低速度阈值则电机处于慢速转动状态。

若电机速度低于最低速度阈值，则电机处于静止状态。

进一步地，其中h＝1/2。

进一步地，其中j＝4。

有益效果：

本发明实施例提供的一种直流力矩电机启动过程精确控制方法，针对直流力矩电机启动力矩大问题，首先，根据系统各项性能指标确定电机启动的位置角，然后，判断电机是否启动，若没有启动，控制主令采用比例，积分输出；同时给出比例、积分参数的选取方法；随后对控制主令进行限幅处理；最后，电机启动后，通过固定主令输出控制电机以稳定的速度转动。该方法能够有效保证直流力矩电机在规定时间内正常启动，提高系统可靠性。本发明方法具有下列优点：具有实现方法简单，计算数据准确，在工程实践中有效等优点。

附图说明

图1为本发明实施例1中航向安装角在电机启动过程中控制过程程序流程图；

图2为本发明实施例2中俯仰安装角在电机启动过程中控制过程程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

在伺服控制系统中通常设计有电流环、速度环、位置环、跟踪环，其中电流环为最内环、速度环为中环、位置环为次外环、跟踪环为外环。由于电流环和速度环处于内环，且相应速度较快，即响应系统指令的速度快，同时响应系统扰动的速度也快，(响应太快，不可控)，跟踪环处于最外环，响应速度最慢，而且由跟踪器直接控制，本发明希望能够通过伺服控制器进行控制，故本发明选用位置环作为反馈环路，进行控制算法改进。

实施例1、红外成像导引头光学舱，航向电机参数：

电枢电阻：(21±2.7)Ω(20℃时)

最大空载转速

当电压22.5V时，其正、反方向的空载转速为(410±41)r/min。

连续堵转转矩和连续堵转电压

当电机加以连续堵转电流1.06A时，

连续堵转转矩≥0.48N.m

连续堵转电压为(22.5V±2.3)V

堵转转矩灵敏度：≥0.45N.m/A

启动电压

空载启动电压≤1.5V，正反向启动电压压差≤0.2V

转矩波动系数：≤10％

电气时间常数：≤1ms(参考值)

具体控制流程图1所示，图1航向安装角在电机启动过程中控制过程程序流程图

步骤1：读取位置传感器的位置信息，判断电机状态，我们根据系统各项性能指标确定电机启动的位置角：

在控制领域中，通常选择角度传感器机械转动齿轮转动一个齿作为电机运动的标志，齿轮转动一个齿轮对应位置传感器转动的角度计算如下：

取位置传感器转动的最小角度A：

其中A为位置传感器转动最小角度；B为旋转的理论值，本实施例1中，旋转的理论值为360°，即B＝360°；C为数据转换码数，本发明中数据转换码数为位置传感器的数据采集芯片的采集精度，本发明实施例1中采用14位的数据采集芯片时，数据转换码数为2¹⁴；K为机械传动比，本发明实施例中电机与位置传感器通过齿轮啮合传动，其中机械传动比为电机齿轮齿数与位置传感器的转动齿轮齿数之比，本发明实施例1中机械传动比K取值为2.51。则

/码。

位置传感器转动一个齿所需要的角度D：

其中E为位置传感器齿轮的总齿数，本实施例1中E取值为57。则

则位置传感器转动一个齿对应的码数为F：

本发明实施例1中

在工程应用中，可以选取F为120。

步骤2：电机如果没有启动，即位置传感器输出角度小于一个齿转动所需要的角度D，控制主令采用比例，积分输出；

比例系数设置为G：G＝h×F；其中h为预先设置的比例裕量，本发明实施例中可以按照经验设置h的值，例如可设置为h＝1/2，则本实施例1中G＝60。

步骤3：对积分项进行限幅，积分限幅最大值为I：I＝G×F×j；

其中j为预先设置的积分限幅裕量，本发明实施例中可以按照经验设置j的值，例如可设置为j＝4，则本发明实施例1中，I≈30000。

步骤4、获取当前位置角xpst，前一时刻位置角为xpst0，则当前角度差ax＝xpst-xpst0；预先设置积分输出xiout的初始值；

步骤5、判断ax是否处于(-F,F)，本发明实施例中为(-120,120)，若是，则比例输出bx＝ax×G，积分输出xiout增加ax，进入步骤6；否则令ax＝F，令比例输出bx＝ax×F，积分输出xiout＝0，进入步骤7；

步骤6、判断积分输出xiout是否处于积分限幅范围(-I，I)，本发明实施例中为(-30000,30000)，则进入步骤7，否则令积分输出xiout等于积分限幅I；

步骤7、位置传感器的输出经数据采集芯片采集后得到最终的输出xiout0；数据采集芯片的采集精度为l；则xiout0＝bx+xiout×l。

实施例2、红外成像导引头光学舱，俯仰电机参数如下：

电枢电阻(36±4.5)Ω(20℃时)

最大空载转速(r/min)

当电压60V时，其正、反方向的空载转速为(580±58)r/min。

连续堵转转矩和连续堵转电压

当电机加以连续堵转电流0.64A时，

连续堵转转矩≥0.56N.m

连续堵转电压为(25±2.5)V

峰值堵转转矩和峰值堵转电压

峰值堵转电流1.54A时，

峰值堵转转矩≥1.35N.m

峰值堵转电压为(60±6)V

堵转转矩灵敏度≥0.875N.m/A

启动电压：空载启动电压≤1.9V，正反向启动电压压差≤0.15V

转矩波动系数：≤7％

电气时间常数：≤1ms(参考值)

步骤1：读取位置传感器的位置信息，判断电机状态，我们根据系统各项性能指标确定电机启动的位置角：

在控制领域中，通常选择角度传感器机械转动齿轮转动一个齿作为电机运动的标志，齿轮转动一个齿轮对应位置传感器转动的角度计算如下：

取位置传感器转动的最小角度A：

其中A为位置传感器转动最小角度；B为旋转的理论值，本实施例2中，旋转的理论值为360°，即B＝360°；C为数据转换码数，本发明中数据转换码数为位置传感器的数据采集芯片的采集精度，本发明实施例1中采用14位的数据采集芯片时，数据转换码数为2¹⁴；K为机械传动比，本发明实施例中电机与位置传感器通过齿轮啮合传动，其中机械传动比为电机齿轮齿数与位置传感器的转动齿轮齿数之比，本发明实施例2中机械传动比K取值为3.76。则

/码。

位置传感器转动一个齿所需要的角度D：

其中E为位置传感器齿轮的总齿数，本实施例2中E取值为58。则

则位置传感器转动一个齿对应的码数为F：

本发明实施例1中

在工程应用中，可以选取F为100。

步骤2：电机如果没有启动，即位置传感器输出角度小于一个齿转动所需要的角度，控制主令采用比例，积分输出；

比例系数设置为G：G＝h×F；其中h为预先设置的比例裕量，本发明实施例中可以按照经验设置h的值，例如可设置为h＝1/2，则本实施例2中G＝50。

步骤3：对积分项进行限幅，积分限幅最大值为I：I＝G×F×j；

例如可设置为j＝4，则本发明实施例2中，I≈20000。

步骤4、获取当前位置角xpst，前一时刻位置角为xpst0，则当前角度差ax＝xpst-xpst0；预先设置积分输出xiout的初始值；

步骤5、判断ax是否处于(-F,F)，本发明实施例中为(-100,100)，若是，则比例输出bx＝ax×G，积分输出xiout增加ax，进入步骤6；否则令ax＝F，令比例输出bx＝ax×F，积分输出xiout＝0，进入步骤7；

步骤6、判断积分输出xiout是否处于积分限幅范围(-I，I)，本发明实施例中为(-20000,20000)，则进入步骤7，否则令积分输出xiout等于积分限幅I；

步骤7、位置传感器的输出经数据采集芯片采集后得到最终的输出xiout0；数据采集芯片的采集精度为l；则xiout0＝bx+xiout×l。

具体控制流程图2所示。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种直流力矩电机启动过程精确控制方法，其特征在于，包括：

步骤1：电机与位置传感器通过齿轮啮合传动，读取位置传感器的位置信息，通过位置信息判断电机状态；

位置传感器转动一个齿对应的码数为F：

其中A为位置传感器转动的最小角度；D为位置传感器转动一个齿所需要的角度；

步骤2、电机未启动时，位置传感器的输出角度小于D，则电机的控制主令采用比例、积分输出；

比例系数设置为G：G＝h×F；其中h为预先设置的比例裕量；

步骤3：对积分项进行限幅，设置积分限幅最大值为I：I＝G×F×j；

其中j为预先设置的积分限幅裕量；

步骤4、获取当前位置角xpst，前一时刻位置角为xpst0，则当前角度差ax＝xpst-xpst0；预先设置积分输出xiout的初始值；

步骤5、判断ax是否处于(-F,F)，若是，则比例输出bx＝ax×G，积分输出xiout增加ax，进入步骤6；否则令ax＝F，令比例输出bx＝ax×F，积分输出xiout＝0，进入步骤7；

步骤6、判断积分输出xiout是否处于积分限幅范围(-I，I)，则进入步骤7，否则令积分输出xiout等于积分限幅I；

步骤7、位置传感器的输出经数据采集芯片采集后得到最终的输出xiout0；数据采集芯片的采集精度为l；则xiout0＝bx+xiout×l。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，取位置传感器转动的最小角度A：

其中A为位置传感器转动最小角度；B为旋转的理论值；C为数据转换码数；K为机械传动比；

位置传感器转动一个齿所需要的角度D：

其中E为位置传感器齿轮的总齿数。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述通过位置信息判断电机状态，具体为：

电机在通电后处于工作状态，工作状态包括快速转动状态、慢速转动状态以及静止状态；

根根据位置信息判断得到电机速度，若电机速度高于电机额定转速的一半则电机处于所述快速转动状态；

若电机速度低于电机额定转速的一半、且高于最低速度阈值则电机处于所述慢速转动状态；

若电机速度低于最低速度阈值，则电机处于所述静止状态。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中h＝1/2。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中j＝4。

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