CN1614871A

CN1614871A - 含直流电机装置的直接测量控制方法

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Publication number: CN1614871A
Application number: CNA2004100986267A
Authority: CN
Inventors: 张建华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2024-12-14
Also published as: CN1293700C

Abstract

本发明涉及含直流电机装置的直接测量控制方法。该方法特点是，利用电路直接从直流电机电枢电流中提取与电刷、定子磁极的物理位置相对应的脉冲信号，其宽度为W，脉冲计数为N。根据N和W，求出直流电机转子的转角、转动圈数、转速、判定受阻状态及受阻力的大小，从而对含直流电机装置直接实施控制。本发明所述方法的优点在于不需要传感器就可以设计制造控制器，对含有直流电机的装置进行控制，操作简单、准确、实用。

Description

含直流电机装置的直接测量控制方法

技术领域

本发明涉及机电设备的测量控制方法，更详细的说是一种含直流电机装置的直接测量控制方法，用于设计制造含直流电机装置的控制器。

背景技术

直流电机广泛用于工业、农业、交通运输业等各种生产活动中。直流电机的控制器，与直流电机及相连接的装置能够实施对各种机电设备、仿真机器人、机械手等的控制，以实现预定的功能。要对含有直流电机的装置进行控制，首先要知道它们的速度、行程、位置。现有的技术通常是采用霍尔传感器、光电传感器、测速发电机、行程开关等传感器予以实现。图1示意性示出现有技术中含直流电机装置的测量控制方法。由图1可以看出，含直流电机的装置需要通过霍尔传感器、光电传感器、测速发电机、行程开关等传感器测定的各种信号反馈到控制器，然后由控制器发出指令来控制含直流电机的装置。现有技术中的方法用来控制含直流电机的装置，其不足之处是，使控制器及装置结构复杂、成本高，另外，采用传感器，必然还会引入传感器的自身误差。

目前，现有技术中还有一种含直流电机装置的测量控制方法，它是通过测量电枢电流，根据电枢电流的大小来判断受阻力的大小或是否受阻，以此实施控制，这种方法的不足之处是，由于电机参数的分散性，判定的阈值不易确定；电流受到干扰时，易误判；不能测出转子转角、转动圈数、转速。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含直流电机装置的直接测量控制方法，本发明方法通过用电路直接提取直流电机电枢电流中的参数信号经过精确的处理，能够直观的、准确的判断其运行状况。实现本发明目的技术特征在于，直流电机的转子在转动过程中，每经过定子的相邻磁极N级与S极的物理中心线时，电枢绕组都要通过电刷和换向器换向。通过长期的观察、实验和研究，总结出如下规律：所述电枢绕组在换向时，直流电机的电枢电流总会出现与电刷、定子磁极的物理位置相对应的脉动。这个脉动的成因有三个方面，第一是由电刷的换向引起；第二是换向瞬间磁通密度不为零引起；第三是电机气隙磁通的空间分布的周期性引起。以此为基础，本发明通过以下所述方法确定直流电机的各种运行参数，并依据这些参数通过驱动装置对含直流电机装置实施控制。

本发明所述方法，具体步骤是：

1.直接用取样电阻和信号处理单元，把电机电枢电流中与电刷、定子磁极物理位置相对应的脉动信号，变换成脉冲宽度为W的数字脉冲信号；

2.计算控制单元对该数字脉冲信号计数为N，对N和W进行计算处理，求出转子的转角θ、转动圈数m、转速n，并判断转子受阻力的大小及受阻状态；

3.计算控制单元根据N、W、θ、m、n，发出控制信号，通过驱动单元，对含直流电机装置实施控制。

本发明所述的上述方法的步骤2是根据以下计算公式(1)求出直流电机转子的转角θ，转动圈数m，转速n，并判断直流电机是否为受阻状态，从而实施控制。

θ = \frac{2 πN}{p} \infty N

m = \frac{N}{p} \infty N . . . (1)

n = \frac{1}{Wp} \infty \frac{1}{W}

W＞设定阈值，直流电机被判断为受阻。

另外，根据直流电机转速n与力矩T的下述关系式(2)，可以测算出直流电机力矩的大小。以永磁或它励直流电机为例有：

n = \frac{Ua}{C_{E} Φ} - \frac{Ra}{C_{E} C_{T} Φ_{2}} T . . . (2)

公式(2)中：φ是气隙磁通，Ua为电枢电压，Ra为电枢电阻，C_E、C_T为结构常数。

根据上述公式(2)和(1)可知，当T增大时，n减小，W增大，由此说明，脉冲宽度W会随力矩T单调上升，据此可以根据W的大小来判断力矩或者力的大小。

上述方法的步骤1中包含两部分电路：

1.串联在电枢回路中的取样电阻，其作用是把电枢电流变换成电压取样信号。

2.连接在取样电阻与计算控制单元之间的信号处理单元，其作用是把电压取样信号变换成数字脉冲信号。所述信号处理单元可由现有技术中的放大器、滤波器、比较器、限幅器、分频器、倍频器、模数转换器、计数器、逻辑电路作为单元电路组合而实现。这些电路也可以部分地包含在单片机中。

上述方法的步骤2中的计算控制单元可由单片机、计算机、计数器、定时器、可编程逻辑器件构成，连接在信号处理单元与驱动单元之间，它可以接收外部指令。

与现有技术中的含直流电机装置的直接测量控制方法相比较，本发明的有益效果是：

1.不用传感器，简化结构，降低成本，无传感器引入误差；

2.因为本发明主要采用数字技术，设定阈值适用范围加大，抗干扰能力提高；

3.能够计算出转子转角θ，转动圈数m，转速n，并能判断受阻力的大小。

附图说明

图1为现有技术中含直流电机装置的测量控制方法示意图。

图2为本发明所述含直流电机装置的直接测量控制方法示意图。

图3为本发明实施例程序流程图。

图4根据本发明方法设计的电动玻璃升降控制器实施例结构方框图。

具体实施方式

现结合说明书附图2-4介绍本发明所述含直流电机装置的直接测量控制方法以及根据本发明方法设计的电动玻璃升降控制器。

1.通过取样电阻提取电机电枢电流中与电刷、定子磁极物理位置相对应的电脉动信号，并通过信号处理单元将电脉动信号变换成脉冲宽度为W的数字脉冲信号；

(2)计算控制单元对该数字脉冲信号计数为N，对N和W进行计算处理，计算出转子的转角θ、转动圈数m、转速n，并判断转子受阻力的大小及受阻状态；

(3)计算控制单元根据N、W、θ、m、n，发出控制信号，通过驱动单元，对含直流电机装置实施控制。

为进一步说明本发明所述方法，以电动玻璃升降控制器为例加以说明。该控制器可以不需要传感器，控制普通直流电机，实现一触式升降和防止夹住功能。

下面结合图3和图4，对本发明所述作进一步详细描述。电动玻璃升降控制器的运行步骤详细示于附图3中。

图4示出本发明电动玻璃升降控制器实施控制的原理及结构方框图。

1.电源部分：U1与电容C1、C2、C3一起组成电源电路，把DC12V降至DC5V，用作单片机U2和信号处理电路U3的供电。

2.电机驱动部分：单片机U2发出控制信号，通过三极管Q1、Q2驱动继电器K1、K2，控制电动玻璃升降器直流电机M的正传、反转和停止。

3.信号处理部分：直流电机电枢电流信号，如图2所示，经过取样电阻R1，变成电压信号；再通过信号处理单元U3后，变成数字脉冲信号，如图2所示。

4.指令输入部分：升降指令接DC12V时为有效电平，经分压电阻R4、R5、R6、R7分压成TTL电平，用电容C4、C5滤掉毛刺后，输入到单片机U2中。

5.单片机部分：单片机U2对上升指令处理流程如图3所示。收到升指令后，驱动电机M正转，玻璃上升。在玻璃上升过程中，如W＞设定阈值，则说明直流电机受阻，根据脉冲计数N，计算出电机转子转动圈数，从而得到玻璃位置。若位置在顶部，则说明这个受阻是因为玻璃达到顶部，单片机U2发出指令，停止电机运转，玻璃停止上升，保护电机不发热；若位置在中间，则说明这个受阻是因为玻璃夹住异物，单片机U2发出信号，玻璃下降，下降的距离用电机转动圈数，或者脉冲计数来规定，防止夹住力感的大小，也是由脉宽W来确定，从而达到防止夹住的功能。下降指令的处理与上升指令的处理类似。

整个实施例中，无需传感器，直接根据数字脉冲计数N和脉宽宽度W来判断是否夹住异物还是到顶，并计算控制下降距离。

根据电动玻璃升降控制器的描述，可以设计出本发明电动玻璃升降控制器的许多不同的变形和替代物。比如，计算机控制单元可以选用Z8、51、PIC、EM、Motorola系列的单片机，也可以选用其他具有CPU、I/O、RAM、EPROM、Flash或其他类似功能的芯片和组件；信号处理单元可以选用各种运算放大器、滤波器、比较器、分频器、倍频器、计算器、限幅器、模数转换器、数字逻辑电路或其他类似功能的芯片和组件。

在本发明中还可以把测量得到的信号，用于显示，作监视指示或报警等用途。

应当理解，本发明不限于以上所述实施例，对于本技术领域的专业人员来说，对本发明方法所构设的各种变更和改进，均不脱离本发明的构思和本申请所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种含直流电机装置的测量控制方法，其特征是：

(1)直接用取样电阻和信号处理单元，把电机电枢电流中与电刷、定子磁极物理位置相对应的脉动信号，变换成脉冲宽度为W的数字脉冲信号；

(2)计算控制单元对该数字脉冲信号计数为N，对N和W进行计算处理，求出转子的转角θ，转动圈数m，转速n，判断转子受阻力的大小及受阻状态；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述取样电阻串联在电枢回路，把电枢电流变成电压取样信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述信号处理单元由放大器、滤波器、比较器、限幅器、分频器、倍频器、计数器、数模转换器、逻辑电路全部或部分组合而成，连接在取样电阻与计算控制单元之间的电路，把电压取样信号变换成数字脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述数字脉冲信号中的部分脉冲信号与电刷、定子磁极的物理位置相对应，其脉冲宽度W，反比于转子转速n，W随受阻力单调增加，其计数N，正比于转子转动圈数m或转角θ。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述计算控制单元由单片机、计算机、计数器、定时器、触发器等组成，可以接收外部指令。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，当脉冲宽度W＞设定阈值时，判断为受阻，据此发出控制信号。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，脉冲计数器N乘上一个比例因子，作为转子圈数、转子转角及含直流电机装置的行程、转角、以及作为达到设定位置的判断依据，据此发出控制信号。

8.据权利要求1所述的方法，其特征是，以脉冲宽度W的倒数乘以一个比例因子，作为直流电机本身或含直流电机装置的速度或转速，据此发出控制信号。