CN113949318B - 一种基于运算放大器的新型感性电机反电势补偿电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于运算放大器的新型感性电机反电势补偿电路，属于自动控制领域。感性电机在工作时会受到反电势的干扰，从而影响其控制精度。传统的反电势抑制方法是采用闭环控制结构，通过其控制器的调节对反电势进行抑制。这种方法容易由于控制器设计的不合理而导致闭环控制的不稳定。因此对设计者的经验和能力提出了较高要求。针对这种情况，本发明提出了一种新型的反电势补偿电路。其原理为通过对反电势进行观测，将其反相前馈到控制信号，从而抵消反电势。由于采用前馈的方式，这种方法不会影响控制的稳定性。同时，其控制方法简单直接，降低了对设计者经验的依赖。

Description

一种基于运算放大器的新型感性电机反电势补偿电路
技术领域
本发明属于自动控制领域，具体涉及一种基于运算放大器的新型感性电机反电势补偿电路。
背景技术
反电势在感性电机控制系统中普遍存在。反电势会叠加在电机的驱动电压上，从而形成电流波动并影响电机的控制精度。
传统的反电势补偿方法是通过闭环系统对电机进行控制。通过数字电路或运算放大器实现闭环校正环节，是控制系统具备针对反电势的扰动抑制能力。然而，闭环控制的设计过程比较复杂，需要对被控对象进行扫频，并通过曲线拟合建立被控对象模型，再根据模型设计校正环节。同时，设计时还要考虑到相位裕度、幅值裕度和传感器噪声等因素对闭环系统稳定性的影响等，对设计者的理论储备和设计经验都提出了较高的要求。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提出了一种基于运算放大器的新型感性电机反电势补偿电路，其原理为通过对反电势进行观测，将其反相前馈到控制信号，从而抵消反电势。由于采用前馈的方式，这种方法不会影响控制的稳定性。同时，其电路设计简单。设计的输入条件仅为电机的电气时间常数，并通过简单公式即可得到全部设计参数，极大的降低了设计门槛。
本发明采用的技术方案为：
一种基于运算放大器的新型感性电机反电势补偿电路，所述补偿电路包括：反电势观测环节和反相前馈环节；
所述反电势观测环节通过电流传感器观测出由电路中的反电势造成的电流波动，并通过滤波器将电流传感器的噪声滤除；所述反相前馈环节通过观测出的所述电流波动还原出所述反电势，并用反相叠加的方式在控制信号端对反电势进行抵消；
其中，r(s)代表电机的控制信号，Vemf(s)代表反电势，vi(s)代表电流传感器输出电压；
其中，所述感性电机的动态特性为：
K是增益；τ0为电气时间常数，由电机的电感和等效电阻决定；
(1)所述反电势观测环节包括被控模型P1(s)和低通滤波器Q(s)；该反电势观测环节的输出电压表示为vob(s)，其增益为1，且其时间常数和被控对象的相位滞后相同；其中，P1(s)为：
P1(s)＝-P(s) (1)
Q(s)为一阶或者多阶的低通滤波器，但其相位滞后明显小于电机；当Q(s)为一阶低通滤波器时，
则τ＜＜τ0，其中τ是低通滤波器Q(s)的时间常数；
进而得到
vob(s)＝P(s)Q(s)Vemf(s) (3)
(2)所述反相前馈环节为反相的比例-微分环节P2(s)，其前馈输出电压表示为Ve′mf(s)，P2(s)为：
P2(s)＝-P-1(s) (4)
所述前馈输出电压为：
通过将该前馈输出电压Ve′mf(s)和控制信号r(s)相加，即可抵消电路中的反电势。
进一步的，所述该补偿电路中的运算放大器的各个参数设计如下：
τ0＞＞RC (8)
其中，R，R1，R2和R3代表运算放大器的电阻，C，C1和C2代表电容。
进一步的，所述补偿电路的特征方程为：
Δ(s)＝1+Q(s)P2(s)(P(s)-P1(s)) (9)
由于P1(s)＝-P(s)，因此可得：
Δ(s)≡1 (10)
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)传统的闭环控制方法容易引发控制系统的不稳定，而本发明在补偿反电势的同时电机系统是绝对稳定的。
(2)设计方法简单。传统方法设计过程复杂，设计成本高，对设计者的理论水平和经验都有较高要求。而本方法输入条件单一，电路参数计算简单，不依赖于设计者的个人能力。
附图说明
图1是本发明一种基于运算放大器的新型感性电机反电势补偿电路的结构框图；
图2是实验验证示意图；
图3是在使用本发明前后，反电势对动态性能影响的对比图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示为本发明的一种基于运算放大器的新型感性电机反电势补偿电路示意图，该补偿电路由一个反电势观测环节和一个反相前馈环节组成。反电势观测环节通过电流传感器观测出由反电势造成的电流波动，并通过滤波器将传感器噪声滤除。反相前馈环节通过观测出的电流波动还原出反电势，并用反相叠加的方式在控制信号端对反电势进行抵消。其中，感性电机的动态特性为：K是增益，τ0为电气时间常数，由电机的电感和等效电阻决定。r(s)，Vemf(s)和vi(s)分别代表电机的控制信号，反电势和电流传感器输出电压，s是拉普拉斯算子。
(1)补偿电路的反电势观测环节设计如下：其由一个被控模型P1(s)和低通滤波器Q(s)组成。该环节的输出电压表示为vob(s)其增益设计为1，且其时间常数和被控对象的相位滞后相同。其中，P1(s)设计为：
P1(s)＝-P(s) (1)
Q(s)可设计为一阶或者多阶的低通滤波器，但其相位滞后需要明显小于电机。不妨以一阶低通滤波器为例，
则τ＜＜τ0。
不难得到，
vob(s)＝P(s)Q(s)Vemf(s) (3)
(2)反相前馈环节为一反相的比例-微分环节P2(s)。前馈输出电压表示为V′emf(s)。将P2(s)设计为：
P2(s)＝-P-1(s) (4)
不难看出其输出电压为：
因此，通过将该输出电压V′emf(s)和控制信号r(s)相加，即可抵消电路中的反电势。
其中，该补偿电路中的运放的各个参数设计如下：
τ0＞＞RC (8)
由公式(6-8)可以看出该电路补偿电路的设计十分简洁明确，不用依赖自动控制理论和设计者的闭环控制经验。
进一步的，通过传递函数分析不难得到，该补偿电路的特征方程为：
Δ(s)＝1+Q(s)P2(s)(P(s)-P1(s)) (9)
由于P1(s)＝-P(s)，因此可得：
Δ(s)≡1 (10)
由公式(10)可以看出，该补偿电路可以始终保持稳定。而传统的闭环控制则有系统不稳定的风险。
本发明一种基于运算放大器的新型感性电机反电势补偿电路的具体实施步骤、过程和效果说明如下：
步骤1：通过测量电机电阻、电感，或查看手册参数等方式，确定感性电机的电气时间常数τ0。
步骤2：根据图1搭建补偿电路。
步骤3：根据公式(6)、公式(7)确定补偿电路P1(s)环节和P2(s)环节中相应的参数设计。
步骤4：根据电流传感器实际的噪声情况，Q(s)的带宽并根据公式(8)完成参数设计确定。
为验证本发明的效果，搭建了一套直流力矩电机控制系统，如图2所示。它由控制器，所发明的补偿电路、电机驱动器、电流传感器、工作电脑和快速响应音圈电机组成。控制器的作用是发出开环的控制信号r(s)控制电机转动。电流传感器将采集到的电机工作电流信号分别输入到补偿电路和工作电脑中。工作电脑用扫频的方式计算控制信号和电流传感器反馈信号的比值，得到电机的动态响应特性。通过该系统，在不使用补偿电路和使用补偿电路的情况下对比电机的动态响应特性，从而证明本发明的有效性。
当不使用补偿电路时，动态响应特性如图3中的实线所示。可以看出，音圈电机在低频段(50Hz左右)的动态响应特性明显受到了反电势的干扰。使用补偿电路的扫频结果如图3中虚线所示，可以看出补偿电路使反电势得到了有效抑制。实验结果和理论分析一致，证明了本发明的有效性。
尽管本说明书已经图示和描述了具体的实施实例，但本领域技术人员应该理解，在不背离本发明的范围的情况下，各种替换或等同实现都可以替代所示和所描述的这些具体实施实例。本发明旨在覆盖任何改变和本发明所讨论的各种具体实施实例。因此本发明仅由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种基于运算放大器的新型感性电机反电势补偿电路，其特征在于：
所述补偿电路包括：反电势观测环节和反相前馈环节；
所述反电势观测环节基于电流传感器的输出观测出由电路中的反电势造成的电流波动，并通过滤波器将电流传感器的噪声滤除；所述反相前馈环节通过观测出的所述电流波动还原出所述反电势，并用反相叠加的方式在控制信号端对反电势进行抵消；
其中，所述感性电机的动态特性为：
K是增益；τ0为电气时间常数，由电机的电感和等效电阻决定；
(1)所述反电势观测环节包括被控模型P1(s)和低通滤波器Q(s)；该反电势观测环节的输出电压表示为vob(s)，其增益为1，且其时间常数和被控对象的相位滞后相同；其中，P1(s)为：
P1(s)＝-P(s) (1)
Q(s)为一阶或者多阶的低通滤波器，但其相位滞后明显小于电机；当Q(s)为一阶低通滤波器时，
则τ＜＜τ0，其中τ是低通滤波器Q(s)的时间常数；
进而得到：
vob(s)＝P(s)Q(s)Vemf(s) (3)
其中，Vemf(s)代表反电势；
(2)所述反相前馈环节为反相的比例-微分环节P2(s)，其前馈输出电压表示为V′emf(s)，P2(s)为：
P2(s)＝-P-1(s) (4)
所述前馈输出电压为：
通过将该前馈输出电压V′emf(s)和控制信号r(s)相加，即可抵消电路中的反电势；
其中，所述补偿电路中的运算放大器的各个参数设计如下：
τ0＞＞RC (8)
所述R，R1，R2和R3代表电阻，C，C1和C2代表电容；
其中，被控模型P1(s)的输入电阻为R1,反馈网络由R2和C1并联组成；低通滤波器Q(s)的输入电阻为R，反馈网络由R和C并联组成；反相前馈环节的输入电阻为R1，反馈网络由R2和R3串联组成，同时R2和R3的连接点通过C2接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于运算放大器的新型感性电机反电势补偿电路，其特征在于：
所述补偿电路的特征方程为：
Δ(s)＝1+Q(s)P2(s)(P(s)-P1(s)) (9)
由于P1(s)＝-P(s)，因此可得：
Δ(s)≡1 (10)。
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