CN113437922B - 有限转角力矩电动机的驱动控制方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了有限转角力矩电动机的驱动控制方法和系统，其通过分析电动机驱动目标对象运动对应的运动影像，确定电动机是否处于正常输出转矩的状态；同时还通过采集电动机的电机转速和电机输出功率，确定电动机的实际运行转矩，以此判断电动机当前输出的转矩是否满足额定运转状态，最后针对实际运行转矩，确定对电动机施加的电压的调整值，以此将电动机恢复至额定运转状态，这样能够实现对电动机运行的有效闭环控制，从而保证电动机能够始终以额定运转状态直接驱动不同负载以及提高电动机运转控制的精确性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电动机控制的技术领域，特别涉及有限转角力矩电动机的驱动控制方法和系统。
背景技术
有限转角力矩电动机是指在有限转角度范围内能够快速旋转以及进行准确定位的电动机，并且有限转角力矩电动机能够输出较大的转矩，从而便于在有限转角度范围内对负载进行大幅度的驱动。有限转角力矩电动机广泛应用于航空伺服阀、舵机作动、机器人关节、雷达天线和机载炮塔等高精度电气伺服系统中，以用于在有限转角度范围内对负载直接驱动。有限转角力矩电动机输出的转矩与施加在有限转角力矩电动机的直流电压大小相关。目前都是对有限转角力矩电动机施加恒定的电压，但是有限转角力矩电动机在实际运行中，由于自身内部的机械损耗等，可能导致有限转角力矩电动机并不能输出足够大的转矩，从而导致有限转角力矩电动机无法正常工作。现有技术都是通过人工调节的方式改变施加到有限转角力矩电动机的直流电压，这并不能有效保证电动机始终输出额定转矩，同时也大大降低电动机运转的自动化程度，从而降低电动机在精密仪器领域上的实用性。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供有限转角力矩电动机的驱动控制方法和系统，其在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像；分析影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态；并当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率；根据电机转速和电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩；最后根据运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态；当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态；可见，该有限转角力矩电动机的驱动控制方法和系统通过分析电动机驱动目标对象运动对应的运动影像，确定电动机是否处于正常输出转矩的状态；同时还通过采集电动机的电机转速和电机输出功率，确定电动机的实际运行转矩，以此判断电动机当前输出的转矩是否满足额定运转状态，最后针对实际运行转矩，确定对电动机施加的电压的调整值，以此将电动机恢复至额定运转状态，这样能够实现对电动机运行的有效闭环控制，从而保证电动机能够始终以额定运转状态直接驱动不同负载以及提高电动机运转控制的精确性和可靠性。
本发明提供有限转角力矩电动机的驱动控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤S1，在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像；分析所述影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态；
步骤S2，当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率；根据所述电机转速和所述电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩；
步骤S3，根据所述运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态；当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据所述运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态；
进一步，在所述步骤S1中，在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像；分析所述影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态具体包括：
步骤S101，在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机对目标对象施加作用力下，目标对象的运动影像；
步骤S102，对所述运动影像进行灰度化转换和轮廓识别，以此确定运动影像中目标对象的实际运动轨迹；
步骤S103，将所述实际运动轨迹与预设运动轨迹进行比对，以此确定两者之间在水平方向或者竖直方向上运动轨迹的最大偏移距离；再将所述最大偏移距离与预设偏离距离阈值进行比对，若所述最大偏移距离大于或者等于预设偏离距离阈值，则确定目标对象当前不处于运动平稳状态；若所述最大偏移距离小于预设偏离距离阈值，则确定目标对象当前处于运动平稳状态；
进一步，在所述步骤S2中，当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率；根据所述电机转速和所述电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩具体包括：
步骤S201，当目标对象当前不处于运动平稳状态时，以预设时间间隔周期性地采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率，从而获得若干电机转速采集值和若干电机输出功率采集值；
步骤S202，确定若干电机转速采集值形成的电机转速数列对应的第一置信度值和若干电机输出功率采集值形成的电机输出功率数列对应的置信度值；若第一置信度值超过第一置信度阈值，则将若干电机转速采集值的平均值作为最终的电机转速；否则，重新采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速，直到第一置信度值超过第一置信度阈值为止；若第二置信度值超过第二置信度阈值，则将若干电机输出功率采集值的平均值作为最终的电机输出功率；否则，重新采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机输出功率，直到第二置信度值超过第二置信度阈值为止；
步骤S203，利用下面公式(1)，根据所述电机转速和所述电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩，
在上述公式(1)中，Tc表示有限转角力矩电动机当前的运行转矩；n表示电机转速；Pc表示电机输出功率；
进一步，在所述步骤S3中，根据所述运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态；当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据所述运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态具体包括：
步骤S301，将所述运行转矩Tc与有限转角力矩电动机的额定转矩Tr进行比对，若0.95*Tr≤Tc≤1.05*Tr，则确定有限转角力矩电动机当前处于额定运转状态，否则，确定有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态；
步骤S302，利用下面公式(2)，构建有限转角力矩电动机的转矩控制方程，
在上述公式(2)中，T表示有限转角力矩电动机的电磁转矩；k表示有限转角力矩电动机的电路放大倍数；b表示有限转角力矩电动机的正负电极对的总对数；N表示有限转角力矩电动机的导电线圈的总匝数；Φ表示有限转角力矩电动机每个正负电极对对应的气隙磁通值；α表示极弧系数、即有限转角力矩电动机每个正负电极对之间的气隙磁感应的平均值与最大值之比；π表示圆周率；Ts表示有限转角力矩电动机的电路延时时间常数；U表示施加到有限转角力矩电动机的直流电压；
步骤S303，根据上述公式(2)和所述运行转矩Tc进行反演，从而得到下面公式(3)，以此确定对有限转角力矩电动机施加的电压进行调整的电压调整值ΔU，
当ΔU<0时，表示将对有限转角力矩电动机施加的电压降低∣ΔU∣；当ΔU>0时，表示将对有限转角力矩电动机施加的电压降低∣ΔU∣；其中，∣ΔU∣表示取电压调整值ΔU的绝对值。
本发明还提供有限转角力矩电动机的驱动控制系统，其特征在于，其包括影像采集与分析模块、电机运行参数采集模块、电动机运行转矩确定模块、电动机运转状态确定模块和电动机施加电压调整模块；其中，
所述影像采集与分析模块用于在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像；分析所述影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态；
所述电机运行参数采集模块用于当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率；
所述电动机运行转矩确定模块用于根据所述电机转速和所述电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩；
所述电动机运转状态确定模块用于根据所述运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态；
所述电动机施加电压调整模块用于当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据所述运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态；
进一步，所述影像采集与分析模块用于在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像具体包括：
在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机对目标对象施加作用力下，目标对象的运动影像；
所述影像采集与分析模块用于分析所述影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态具体包括：
对所述运动影像进行灰度化转换和轮廓识别，以此确定运动影像中目标对象的实际运动轨迹；
并将所述实际运动轨迹与预设运动轨迹进行比对，以此确定两者之间在水平方向或者竖直方向上运动轨迹的最大偏移距离；再将所述最大偏移距离与预设偏离距离阈值进行比对，若所述最大偏移距离大于或者等于预设偏离距离阈值，则确定目标对象当前不处于运动平稳状态；若所述最大偏移距离小于预设偏离距离阈值，则确定目标对象当前处于运动平稳状态；
进一步，所述电机运行参数采集模块用于当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率具体包括：
当目标对象当前不处于运动平稳状态时，以预设时间间隔周期性地采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率，从而获得若干电机转速采集值和若干电机输出功率采集值；
并且确定若干电机转速采集值形成的电机转速数列对应的第一置信度值和若干电机输出功率采集值形成的电机输出功率数列对应的置信度值；若第一置信度值超过第一置信度阈值，则将若干电机转速采集值的平均值作为最终的电机转速；否则，重新采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速，直到第一置信度值超过第一置信度阈值为止；若第二置信度值超过第二置信度阈值，则将若干电机输出功率采集值的平均值作为最终的电机输出功率；否则，重新采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机输出功率，直到第二置信度值超过第二置信度阈值为止；
所述电动机运行转矩确定模块用于根据所述电机转速和所述电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩具体包括：
利用下面公式(1)，根据所述电机转速和所述电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩，
在上述公式(1)中，Tc表示有限转角力矩电动机当前的运行转矩；n表示电机转速；Pc表示电机输出功率；
进一步，所述电动机运转状态确定模块用于根据所述运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态具体包括：
将所述运行转矩Tc与有限转角力矩电动机的额定转矩Tr进行比对，若0.95*Tr≤Tc≤1.05*Tr，则确定有限转角力矩电动机当前处于额定运转状态，否则，确定有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态；
所述电动机施加电压调整模块用于当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据所述运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态具体包括：
利用下面公式(2)，构建有限转角力矩电动机的转矩控制方程，
在上述公式(2)中，T表示有限转角力矩电动机的电磁转矩；k表示有限转角力矩电动机的电路放大倍数；b表示有限转角力矩电动机的正负电极对的总对数；N表示有限转角力矩电动机的导电线圈的总匝数；Φ表示有限转角力矩电动机每个正负电极对对应的气隙磁通值；α表示极弧系数、即有限转角力矩电动机每个正负电极对之间的气隙磁感应的平均值与最大值之比；π表示圆周率；Ts表示有限转角力矩电动机的电路延时时间常数；U表示施加到有限转角力矩电动机的直流电压；
再根据上述公式(2)和所述运行转矩Tc进行反演，从而得到下面公式(3)，以此确定对有限转角力矩电动机施加的电压进行调整的电压调整值ΔU，
当ΔU<0时，表示将对有限转角力矩电动机施加的电压降低∣ΔU∣；当ΔU>0时，表示将对有限转角力矩电动机施加的电压降低∣ΔU∣；其中，∣ΔU∣表示取电压调整值ΔU的绝对值。
相比于现有技术，该有限转角力矩电动机的驱动控制方法和系统在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像；分析影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态；并当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率；根据电机转速和电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩；最后根据运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态；当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态；可见，该有限转角力矩电动机的驱动控制方法和系统通过分析电动机驱动目标对象运动对应的运动影像，确定电动机是否处于正常输出转矩的状态；同时还通过采集电动机的电机转速和电机输出功率，确定电动机的实际运行转矩，以此判断电动机当前输出的转矩是否满足额定运转状态，最后针对实际运行转矩，确定对电动机施加的电压的调整值，以此将电动机恢复至额定运转状态，这样能够实现对电动机运行的有效闭环控制，从而保证电动机能够始终以额定运转状态直接驱动不同负载以及提高电动机运转控制的精确性和可靠性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明提供的有限转角力矩电动机的驱动控制方法的流程示意图。
图2为本发明提供的有限转角力矩电动机的驱动控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
参阅图1，为本发明实施例提供的有限转角力矩电动机的驱动控制方法的流程示意图。该有限转角力矩电动机的驱动控制方法包括如下步骤：
步骤S1，在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像；分析该影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态；
步骤S2，当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率；根据该电机转速和该电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩；
步骤S3，根据该运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态；当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据该运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态。
上述技术方案的有益效果为：该有限转角力矩电动机的驱动控制方法通过分析电动机驱动目标对象运动对应的运动影像，确定电动机是否处于正常输出转矩的状态；同时还通过采集电动机的电机转速和电机输出功率，确定电动机的实际运行转矩，以此判断电动机当前输出的转矩是否满足额定运转状态，最后针对实际运行转矩，确定对电动机施加的电压的调整值，以此将电动机恢复至额定运转状态，这样能够实现对电动机运行的有效闭环控制，从而保证电动机能够始终以额定运转状态直接驱动不同负载以及提高电动机运转控制的精确性和可靠性。
优选地，在该步骤S1中，在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像；分析该影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态具体包括：
步骤S101，在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机对目标对象施加作用力下，目标对象的运动影像；
步骤S102，对该运动影像进行灰度化转换和轮廓识别，以此确定运动影像中目标对象的实际运动轨迹；
步骤S103，将该实际运动轨迹与预设运动轨迹进行比对，以此确定两者之间在水平方向或者竖直方向上运动轨迹的最大偏移距离；再将该最大偏移距离与预设偏离距离阈值进行比对，若该最大偏移距离大于或者等于预设偏离距离阈值，则确定目标对象当前不处于运动平稳状态；若该最大偏移距离小于预设偏离距离阈值，则确定目标对象当前处于运动平稳状态。
上述技术方案的有益效果为：有限转角力矩电动机的力矩输出轴会连接相应目标对象，这些目标对象可为但不限于是机械臂或者舵机等可自由运动的负载，这样有限转角力矩电动机通过力矩输出轴向目标对象输出相应大小和方向的力矩，该目标对象在输出力矩的带动下会进行相应的旋转等动作，从而进行相应的运动。若有限转角力矩电动机向外输出的力矩大小不足以驱动目标对象进行动作时，该目标对象在动作的过程中将无法沿着预设运动轨迹进行运动，比如驱动目标对象期望沿着预设的半圆弧轨迹进行运动，当输出的力矩大小不足时，该目标对象将无法准确地沿着预设的半圆弧轨迹进行运动，而是在运动过程中或多或少偏离半圆弧轨迹，而输出的力矩越小，则运动时偏离半圆弧轨迹的距离幅度越大，这样能够通过检测目标对象的运动轨迹而准确地确定目标对象当前是否处于运动平稳的状态。
由于目标对象在输出力矩的作用下，其运动轨迹是时刻在变化的，通过在有限转角力矩电动机运行过程中，对目标对应的运动状态进行跟踪拍摄，能够全面地获得目标对象的实时运动追踪影像，再对影像进行灰度化转换和轮廓识别，能够从影像中提取得到目标对象的实际运动轨迹，其中上述灰度化转换和轮廓识别都属于图像处理的常规技术手段，这里就不做进一步的累述。接着，将目标对象的实际运动轨迹与预设运动轨迹进行比对，该预设运动轨迹可为但不限于是直线运动轨迹或者圆弧形运动轨迹，再根据两者之间在水平方向或者竖直方向上的最大偏移距离，能够精确地判断目标对象当前的运动状态平稳与否。
优选地，在该步骤S2中，当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率；根据该电机转速和该电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩具体包括：
步骤S201，当目标对象当前不处于运动平稳状态时，以预设时间间隔周期性地采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率，从而获得若干电机转速采集值和若干电机输出功率采集值；
步骤S202，确定若干电机转速采集值形成的电机转速数列对应的第一置信度值和若干电机输出功率采集值形成的电机输出功率数列对应的置信度值；若第一置信度值超过第一置信度阈值，则将若干电机转速采集值的平均值作为最终的电机转速；否则，重新采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速，直到第一置信度值超过第一置信度阈值为止；若第二置信度值超过第二置信度阈值，则将若干电机输出功率采集值的平均值作为最终的电机输出功率；否则，重新采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机输出功率，直到第二置信度值超过第二置信度阈值为止；
步骤S203，利用下面公式(1)，根据该电机转速和该电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩，
在上述公式(1)中，Tc表示有限转角力矩电动机当前的运行转矩；n表示电机转速；Pc表示电机输出功率。
上述技术方案的有益效果为：当目标对象当前的运动状态不平稳时，表明有限转角力矩电动机当前输出的力矩大小并不符合要求，而电动机输出的力矩与电动机的运行转矩之间存在正相关的关系，这能够确定电动机当前的运行转矩同样不符合要求。而通过对有限转角力矩电动机的工作原理进行分析可知，电动机的运行转矩与电机转速和电机输出功率相关，为了确定电动机当前的运行转矩，需要首先检测电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率。由于电动机在运行过程中会受到供电电压起伏等不同外界环境因素的干扰，若只对电动机检测一次电机转速和电机输出功率就直接计算得到运行转矩，可能导致运行转矩的计算结果出现偏差。而以预设时间间隔(比如5s或者10s)周期性采集电动机的电机转速和电机输出功率，并结合置信度确定的方式，能够有效确定采集得到的电机转速和电机输出功率是否存在较大的偏差。在采集得到的电机转速和电机输出功率偏差在可接受范围内时，利用上述公式(1)，可以准确地计算出电动机的运行转矩，从而为后续进行电压调整提供可靠的依据。
优选地，在该步骤S3中，根据该运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态；当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据该运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态具体包括：
步骤S301，将该运行转矩Tc与有限转角力矩电动机的额定转矩Tr进行比对，若0.95*Tr≤Tc≤1.05*Tr，则确定有限转角力矩电动机当前处于额定运转状态，否则，确定有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态；
步骤S302，利用下面公式(2)，构建有限转角力矩电动机的转矩控制方程，
在上述公式(2)中，T表示有限转角力矩电动机的电磁转矩；k表示有限转角力矩电动机的电路放大倍数；b表示有限转角力矩电动机的正负电极对的总对数；N表示有限转角力矩电动机的导电线圈的总匝数；Φ表示有限转角力矩电动机每个正负电极对对应的气隙磁通值；α表示极弧系数、即有限转角力矩电动机每个正负电极对之间的气隙磁感应的平均值与最大值之比；π表示圆周率；Ts表示有限转角力矩电动机的电路延时时间常数；U表示施加到有限转角力矩电动机的直流电压；
步骤S303，根据上述公式(2)和该运行转矩Tc进行反演，从而得到下面公式(3)，以此确定对有限转角力矩电动机施加的电压进行调整的电压调整值ΔU，
当ΔU<0时，表示将对有限转角力矩电动机施加的电压降低∣ΔU∣；当ΔU>0时，表示将对有限转角力矩电动机施加的电压降低∣ΔU∣；其中，∣ΔU∣表示取电压调整值ΔU的绝对值。
上述技术方案的有益效果为：每个有限转角力矩电动机在运行过程中都具有相应的额定转矩，该额定转矩与有限转角力矩电动机自身的电路结构相关，并且该额定转矩可通过直接查询有限转角力矩电动机的工作参数表而得到。在实际运行中受到供电电压或者供电电流漂移的影响，有限转角力矩电动机的运行转矩并不能完全等于额定转矩，而是相对于额定转矩存在一定的上下浮动，当该运行转矩Tc与有限转角力矩电动机的额定转矩Tr满足0.95*Tr≤Tc≤1.05*Tr时，可以认定有限转角力矩电动机当前处于额定运转状态，否则，认定有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态，这样能够对电动机是否处于额定运转状态进行量化评判。
此外，有限转角力矩电动机内部的磁场是由内部永磁体形成的，电动机内部各个磁路的磁阻会随着电动机的转子位置的改变而改变，这样根据电动机工作的电学原理，能够得到上述公式(2)所示的电动机转矩控制方程，该电动机转矩控制方程直观地将电动机的运作过程进行建模，从上述公式(2)可见，当电动机在运行过程中，除了直流电压U外，其他电学参数对电动机的运行转矩的影响可以忽略不计，这样通过改变直流电压U能够准确控制电动机的运行转矩。
在上述公式(2)的基础上，结合相应的反演运算，能够得到上述公式(3)，用于表征电压调整值ΔU与运行转矩Tc之间的关系，这样能够快速确定电压的调整值，以此通过增加或者降低直流电压的方式来控制电动机的运行转矩，从而使电动机能够始终处于良好高效的工作状态和延长电动机的使用寿命。
参阅图2，为本发明实施例提供的有限转角力矩电动机的驱动控制系统的结构示意图。该有限转角力矩电动机的驱动控制系统包括影像采集与分析模块、电机运行参数采集模块、电动机运行转矩确定模块、电动机运转状态确定模块和电动机施加电压调整模块；其中，
该影像采集与分析模块用于在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像；分析该影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态；
该电机运行参数采集模块用于当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率；
该电动机运行转矩确定模块用于根据该电机转速和该电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩；
该电动机运转状态确定模块用于根据该运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态；
该电动机施加电压调整模块用于当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据该运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态。
上述技术方案的有益效果为：该有限转角力矩电动机的驱动控制系统通过分析电动机驱动目标对象运动对应的运动影像，确定电动机是否处于正常输出转矩的状态；同时还通过采集电动机的电机转速和电机输出功率，确定电动机的实际运行转矩，以此判断电动机当前输出的转矩是否满足额定运转状态，最后针对实际运行转矩，确定对电动机施加的电压的调整值，以此将电动机恢复至额定运转状态，这样能够实现对电动机运行的有效闭环控制，从而保证电动机能够始终以额定运转状态直接驱动不同负载以及提高电动机运转控制的精确性和可靠性。
优选地，该影像采集与分析模块用于在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像具体包括：
在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机对目标对象施加作用力下，目标对象的运动影像；
该影像采集与分析模块用于分析该影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态具体包括：
对该运动影像进行灰度化转换和轮廓识别，以此确定运动影像中目标对象的实际运动轨迹；
并将该实际运动轨迹与预设运动轨迹进行比对，以此确定两者之间在水平方向或者竖直方向上运动轨迹的最大偏移距离；再将该最大偏移距离与预设偏离距离阈值进行比对，若该最大偏移距离大于或者等于预设偏离距离阈值，则确定目标对象当前不处于运动平稳状态；若该最大偏移距离小于预设偏离距离阈值，则确定目标对象当前处于运动平稳状态。
上述技术方案的有益效果为：有限转角力矩电动机的力矩输出轴会连接相应目标对象，这些目标对象可为但不限于是机械臂或者舵机等可自由运动的负载，这样有限转角力矩电动机通过力矩输出轴向目标对象输出相应大小和方向的力矩，该目标对象在输出力矩的带动下会进行相应的旋转等动作，从而进行相应的运动。若有限转角力矩电动机向外输出的力矩大小不足以驱动目标对象进行动作时，该目标对象在动作的过程中将无法沿着预设运动轨迹进行运动，比如驱动目标对象期望沿着预设的半圆弧轨迹进行运动，当输出的力矩大小不足时，该目标对象将无法准确地沿着预设的半圆弧轨迹进行运动，而是在运动过程中或多或少偏离半圆弧轨迹，而输出的力矩越小，则运动时偏离半圆弧轨迹的距离幅度越大，这样能够通过检测目标对象的运动轨迹而准确地确定目标对象当前是否处于运动平稳的状态。
由于目标对象在输出力矩的作用下，其运动轨迹是时刻在变化的，通过在有限转角力矩电动机运行过程中，对目标对应的运动状态进行跟踪拍摄，能够全面地获得目标对象的实时运动追踪影像，再对影像进行灰度化转换和轮廓识别，能够从影像中提取得到目标对象的实际运动轨迹，其中上述灰度化转换和轮廓识别都属于图像处理的常规技术手段，这里就不做进一步的累述。接着，将目标对象的实际运动轨迹与预设运动轨迹进行比对，该预设运动轨迹可为但不限于是直线运动轨迹或者圆弧形运动轨迹，再根据两者之间在水平方向或者竖直方向上的最大偏移距离，能够精确地判断目标对象当前的运动状态平稳与否。
优选地，该电机运行参数采集模块用于当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率具体包括：
当目标对象当前不处于运动平稳状态时，以预设时间间隔周期性地采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率，从而获得若干电机转速采集值和若干电机输出功率采集值；
并且确定若干电机转速采集值形成的电机转速数列对应的第一置信度值和若干电机输出功率采集值形成的电机输出功率数列对应的置信度值；若第一置信度值超过第一置信度阈值，则将若干电机转速采集值的平均值作为最终的电机转速；否则，重新采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速，直到第一置信度值超过第一置信度阈值为止；若第二置信度值超过第二置信度阈值，则将若干电机输出功率采集值的平均值作为最终的电机输出功率；否则，重新采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机输出功率，直到第二置信度值超过第二置信度阈值为止；
该电动机运行转矩确定模块用于根据该电机转速和该电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩具体包括：
利用下面公式(1)，根据该电机转速和该电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩，
在上述公式(1)中，Tc表示有限转角力矩电动机当前的运行转矩；n表示电机转速；Pc表示电机输出功率。
上述技术方案的有益效果为：当目标对象当前的运动状态不平稳时，表明有限转角力矩电动机当前输出的力矩大小并不符合要求，而电动机输出的力矩与电动机的运行转矩之间存在正相关的关系，这能够确定电动机当前的运行转矩同样不符合要求。而通过对有限转角力矩电动机的工作原理进行分析可知，电动机的运行转矩与电机转速和电机输出功率相关，为了确定电动机当前的运行转矩，需要首先检测电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率。由于电动机在运行过程中会受到供电电压起伏等不同外界环境因素的干扰，若只对电动机检测一次电机转速和电机输出功率就直接计算得到运行转矩，可能导致运行转矩的计算结果出现偏差。而以预设时间间隔(比如5s或者10s)周期性采集电动机的电机转速和电机输出功率，并结合置信度确定的方式，能够有效确定采集得到的电机转速和电机输出功率是否存在较大的偏差。在采集得到的电机转速和电机输出功率偏差在可接受范围内时，利用上述公式(1)，可以准确地计算出电动机的运行转矩，从而为后续进行电压调整提供可靠的依据。
优选地，该电动机运转状态确定模块用于根据该运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态具体包括：
将该运行转矩Tc与有限转角力矩电动机的额定转矩Tr进行比对，若0.95*Tr≤Tc≤1.05*Tr，则确定有限转角力矩电动机当前处于额定运转状态，否则，确定有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态；
该电动机施加电压调整模块用于当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据该运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态具体包括：
利用下面公式(2)，构建有限转角力矩电动机的转矩控制方程，
在上述公式(2)中，T表示有限转角力矩电动机的电磁转矩；k表示有限转角力矩电动机的电路放大倍数；b表示有限转角力矩电动机的正负电极对的总对数；N表示有限转角力矩电动机的导电线圈的总匝数；Φ表示有限转角力矩电动机每个正负电极对对应的气隙磁通值；α表示极弧系数、即有限转角力矩电动机每个正负电极对之间的气隙磁感应的平均值与最大值之比；π表示圆周率；Ts表示有限转角力矩电动机的电路延时时间常数；U表示施加到有限转角力矩电动机的直流电压；
再根据上述公式(2)和该运行转矩Tc进行反演，从而得到下面公式(3)，以此确定对有限转角力矩电动机施加的电压进行调整的电压调整值ΔU，
当ΔU<0时，表示将对有限转角力矩电动机施加的电压降低∣ΔU∣；当ΔU>0时，表示将对有限转角力矩电动机施加的电压降低∣ΔU∣；其中，∣ΔU∣表示取电压调整值ΔU的绝对值。
上述技术方案的有益效果为：每个有限转角力矩电动机在运行过程中都具有相应的额定转矩，该额定转矩与有限转角力矩电动机自身的电路结构相关，并且该额定转矩可通过直接查询有限转角力矩电动机的工作参数表而得到。在实际运行中受到供电电压或者供电电流漂移的影响，有限转角力矩电动机的运行转矩并不能完全等于额定转矩，而是相对于额定转矩存在一定的上下浮动，当该运行转矩Tc与有限转角力矩电动机的额定转矩Tr满足0.95*Tr≤Tc≤1.05*Tr时，可以认定有限转角力矩电动机当前处于额定运转状态，否则，认定有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态，这样能够对电动机是否处于额定运转状态进行量化评判。
此外，有限转角力矩电动机内部的磁场是由内部永磁体形成的，电动机内部各个磁路的磁阻会随着电动机的转子位置的改变而改变，这样根据电动机工作的电学原理，能够得到上述公式(2)所示的电动机转矩控制方程，该电动机转矩控制方程直观地将电动机的运作过程进行建模，从上述公式(2)可见，当电动机在运行过程中，除了直流电压U外，其他电学参数对电动机的运行转矩的影响可以忽略不计，这样通过改变直流电压U能够准确控制电动机的运行转矩。
在上述公式(2)的基础上，结合相应的反演运算，能够得到上述公式(3)，用于表征电压调整值ΔU与运行转矩Tc之间的关系，这样能够快速确定电压的调整值，以此通过增加或者降低直流电压的方式来控制电动机的运行转矩，从而使电动机能够始终处于良好高效的工作状态和延长电动机的使用寿命。
从上述实施例的内容可知，该有限转角力矩电动机的驱动控制方法和系统在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像；分析影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态；并当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率；根据电机转速和电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩；最后根据运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态；当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态；可见，该有限转角力矩电动机的驱动控制方法和系统通过分析电动机驱动目标对象运动对应的运动影像，确定电动机是否处于正常输出转矩的状态；同时还通过采集电动机的电机转速和电机输出功率，确定电动机的实际运行转矩，以此判断电动机当前输出的转矩是否满足额定运转状态，最后针对实际运行转矩，确定对电动机施加的电压的调整值，以此将电动机恢复至额定运转状态，这样能够实现对电动机运行的有效闭环控制，从而保证电动机能够始终以额定运转状态直接驱动不同负载以及提高电动机运转控制的精确性和可靠性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.有限转角力矩电动机的驱动控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤S1，在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像；分析所述影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态；
步骤S2，当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率；根据所述电机转速和所述电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩；
步骤S3，根据所述运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态；当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据所述运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态；
其中，在所述步骤S2中，当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率；根据所述电机转速和所述电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩具体包括：
步骤S201，当目标对象当前不处于运动平稳状态时，以预设时间间隔周期性地采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率，从而获得若干电机转速采集值和若干电机输出功率采集值；
步骤S202，确定若干电机转速采集值形成的电机转速数列对应的第一置信度值和若干电机输出功率采集值形成的电机输出功率数列对应的置信度值；若第一置信度值超过第一置信度阈值，则将若干电机转速采集值的平均值作为最终的电机转速；否则，重新采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速，直到第一置信度值超过第一置信度阈值为止；若第二置信度值超过第二置信度阈值，则将若干电机输出功率采集值的平均值作为最终的电机输出功率；否则，重新采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机输出功率，直到第二置信度值超过第二置信度阈值为止；
步骤S203，利用下面公式(1)，根据所述电机转速和所述电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩，
在上述公式(1)中，Tc表示有限转角力矩电动机当前的运行转矩；n表示电机转速；Pc表示电机输出功率；
其中，在所述步骤S3中，根据所述运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态；当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据所述运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态具体包括：
步骤S301，将所述运行转矩Tc与有限转角力矩电动机的额定转矩Tr进行比对，若0.95*Tr≤Tc≤1.05*Tr，则确定有限转角力矩电动机当前处于额定运转状态，否则，确定有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态；
步骤S302，利用下面公式(2)，构建有限转角力矩电动机的转矩控制方程，
在上述公式(2)中，T表示有限转角力矩电动机的电磁转矩；k表示有限转角力矩电动机的电路放大倍数；b表示有限转角力矩电动机的正负电极对的总对数；N表示有限转角力矩电动机的导电线圈的总匝数；Φ表示有限转角力矩电动机每个正负电极对对应的气隙磁通值；α表示极弧系数、即有限转角力矩电动机每个正负电极对之间的气隙磁感应的平均值与最大值之比；π表示圆周率；Ts表示有限转角力矩电动机的电路延时时间常数；U表示施加到有限转角力矩电动机的直流电压；
步骤S303，根据上述公式(2)和所述运行转矩Tc进行反演，从而得到下面公式(3)，以此确定对有限转角力矩电动机施加的电压进行调整的电压调整值ΔU，
当ΔU<0时，表示将对有限转角力矩电动机施加的电压降低∣ΔU∣；
当ΔU>0时，表示将对有限转角力矩电动机施加的电压降低∣ΔU∣；其中，∣ΔU∣表示取电压调整值ΔU的绝对值。
2.如权利要求1所述的有限转角力矩电动机的驱动控制方法，其特征在于：
在所述步骤S1中，在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像；分析所述影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态具体包括：
步骤S101，在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机对目标对象施加作用力下，目标对象的运动影像；
步骤S102，对所述运动影像进行灰度化转换和轮廓识别，以此确定运动影像中目标对象的实际运动轨迹；
步骤S103，将所述实际运动轨迹与预设运动轨迹进行比对，以此确定两者之间在水平方向或者竖直方向上运动轨迹的最大偏移距离；再将所述最大偏移距离与预设偏离距离阈值进行比对，若所述最大偏移距离大于或者等于预设偏离距离阈值，则确定目标对象当前不处于运动平稳状态；若所述最大偏移距离小于预设偏离距离阈值，则确定目标对象当前处于运动平稳状态。
3.有限转角力矩电动机的驱动控制系统，其特征在于，其包括影像采集与分析模块、电机运行参数采集模块、电动机运行转矩确定模块、电动机运转状态确定模块和电动机施加电压调整模块；其中，所述影像采集与分析模块用于在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像；分析所述影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态；
所述电机运行参数采集模块用于当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率；所述电动机运行转矩确定模块用于根据所述电机转速和所述电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩；
所述电动机运转状态确定模块用于根据所述运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态；
所述电动机施加电压调整模块用于当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据所述运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态；
其中，所述电机运行参数采集模块用于当目标对象当前不处于运动平稳状态时，采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率具体包括：
当目标对象当前不处于运动平稳状态时，以预设时间间隔周期性地采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速和电机输出功率，从而获得若干电机转速采集值和若干电机输出功率采集值；
并且确定若干电机转速采集值形成的电机转速数列对应的第一置信度值和若干电机输出功率采集值形成的电机输出功率数列对应的置信度值；若第一置信度值超过第一置信度阈值，则将若干电机转速采集值的平均值作为最终的电机转速；否则，重新采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机转速，直到第一置信度值超过第一置信度阈值为止；若第二置信度值超过第二置信度阈值，则将若干电机输出功率采集值的平均值作为最终的电机输出功率；否则，重新采集有限转角力矩电动机在运行过程中的电机输出功率，直到第二置信度值超过第二置信度阈值为止；
所述电动机运行转矩确定模块用于根据所述电机转速和所述电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩具体包括：
利用下面公式(1)，根据所述电机转速和所述电机输出功率，确定有限转角力矩电动机当前的运行转矩，
在上述公式(1)中，Tc表示有限转角力矩电动机当前的运行转矩；n表示电机转速；Pc表示电机输出功率；
其中，所述电动机运转状态确定模块用于根据所述运行转矩，判断有限转角力矩电动机当前是否处于额定运转状态具体包括：
将所述运行转矩Tc与有限转角力矩电动机的额定转矩Tr进行比对，若0.95*Tr≤Tc≤1.05*Tr，则确定有限转角力矩电动机当前处于额定运转状态，否则，确定有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态；
所述电动机施加电压调整模块用于当有限转角力矩电动机当前不处于额定运转状态时，根据所述运行转矩，调整对有限转角力矩电动机施加的电压，从而将有限转角力矩电动机恢复至额定运转状态具体包括：利用下面公式(2)，构建有限转角力矩电动机的转矩控制方程，
在上述公式(2)中，T表示有限转角力矩电动机的电磁转矩；k表示有限转角力矩电动机的电路放大倍数；b表示有限转角力矩电动机的正负电极对的总对数；N表示有限转角力矩电动机的导电线圈的总匝数；Φ表示有限转角力矩电动机每个正负电极对对应的气隙磁通值；α表示极弧系数、即有限转角力矩电动机每个正负电极对之间的气隙磁感应的平均值与最大值之比；π表示圆周率；Ts表示有限转角力矩电动机的电路延时时间常数；U表示施加到有限转角力矩电动机的直流电压；
再根据上述公式(2)和所述运行转矩Tc进行反演，从而得到下面公式(3)，以此确定对有限转角力矩电动机施加的电压进行调整的电压调整值ΔU，
当ΔU<0时，表示将对有限转角力矩电动机施加的电压降低∣ΔU∣；
当ΔU>0时，表示将对有限转角力矩电动机施加的电压降低∣ΔU∣；其中，∣ΔU∣表示取电压调整值ΔU的绝对值。
4.如权利要求3所述的有限转角力矩电动机的驱动控制系统，其特征在于：
所述影像采集与分析模块用于在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机施加作用力的目标对象的影像具体包括：
在有限转角力矩电动机运行过程中，采集有限转角力矩电动机对目标对象施加作用力下，目标对象的运动影像；
所述影像采集与分析模块用于分析所述影像，判断目标对象当前是否处于运动平稳状态具体包括：
对所述运动影像进行灰度化转换和轮廓识别，以此确定运动影像中目标对象的实际运动轨迹；
并将所述实际运动轨迹与预设运动轨迹进行比对，以此确定两者之间在水平方向或者竖直方向上运动轨迹的最大偏移距离；再将所述最大偏移距离与预设偏离距离阈值进行比对，若所述最大偏移距离大于或者等于预设偏离距离阈值，则确定目标对象当前不处于运动平稳状态；若所述最大偏移距离小于预设偏离距离阈值，则确定目标对象当前处于运动平稳状态。
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