專利名稱：含直流電機(jī)裝置的直接測量控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)電設(shè)備的測量控制方法，更詳細(xì)的說是一種含直流電機(jī)裝置的直接測量控制方法，用于設(shè)計(jì)制造含直流電機(jī)裝置的控制器。
背景技術(shù)：
直流電機(jī)廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等各種生產(chǎn)活動(dòng)中。直流電機(jī)的控制器，與直流電機(jī)及相連接的裝置能夠?qū)嵤?duì)各種機(jī)電設(shè)備、仿真機(jī)器人、機(jī)械手等的控制，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。要對(duì)含有直流電機(jī)的裝置進(jìn)行控制，首先要知道它們的速度、行程、位置?，F(xiàn)有的技術(shù)通常是采用霍爾傳感器、光電傳感器、測速發(fā)電機(jī)、行程開關(guān)等傳感器予以實(shí)現(xiàn)。圖1示意性示出現(xiàn)有技術(shù)中含直流電機(jī)裝置的測量控制方法。由圖1可以看出，含直流電機(jī)的裝置需要通過霍爾傳感器、光電傳感器、測速發(fā)電機(jī)、行程開關(guān)等傳感器測定的各種信號(hào)反饋到控制器，然后由控制器發(fā)出指令來控制含直流電機(jī)的裝置?，F(xiàn)有技術(shù)中的方法用來控制含直流電機(jī)的裝置，其不足之處是，使控制器及裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，另外，采用傳感器，必然還會(huì)引入傳感器的自身誤差。
目前，現(xiàn)有技術(shù)中還有一種含直流電機(jī)裝置的測量控制方法，它是通過測量電樞電流，根據(jù)電樞電流的大小來判斷受阻力的大小或是否受阻，以此實(shí)施控制，這種方法的不足之處是，由于電機(jī)參數(shù)的分散性，判定的閾值不易確定；電流受到干擾時(shí)，易誤判；不能測出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)、轉(zhuǎn)速。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種含直流電機(jī)裝置的直接測量控制方法，本發(fā)明方法通過用電路直接提取直流電機(jī)電樞電流中的參數(shù)信號(hào)經(jīng)過精確的處理，能夠直觀的、準(zhǔn)確的判斷其運(yùn)行狀況。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)特征在于，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，每經(jīng)過定子的相鄰磁極N級(jí)與S極的物理中心線時(shí)，電樞繞組都要通過電刷和換向器換向。通過長期的觀察、實(shí)驗(yàn)和研究，總結(jié)出如下規(guī)律所述電樞繞組在換向時(shí)，直流電機(jī)的電樞電流總會(huì)出現(xiàn)與電刷、定子磁極的物理位置相對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)。這個(gè)脈動(dòng)的成因有三個(gè)方面，第一是由電刷的換向引起；第二是換向瞬間磁通密度不為零引起；第三是電機(jī)氣隙磁通的空間分布的周期性引起。以此為基礎(chǔ)，本發(fā)明通過以下所述方法確定直流電機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)，并依據(jù)這些參數(shù)通過驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)含直流電機(jī)裝置實(shí)施控制。
本發(fā)明所述方法，具體步驟是1.直接用取樣電阻和信號(hào)處理單元，把電機(jī)電樞電流中與電刷、定子磁極物理位置相對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)信號(hào)，變換成脈沖寬度為W的數(shù)字脈沖信號(hào)；2.計(jì)算控制單元對(duì)該數(shù)字脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)為N，對(duì)N和W進(jìn)行計(jì)算處理，求出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ、轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)m、轉(zhuǎn)速n，并判斷轉(zhuǎn)子受阻力的大小及受阻狀態(tài)；
3.計(jì)算控制單元根據(jù)N、W、θ、m、n，發(fā)出控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)單元，對(duì)含直流電機(jī)裝置實(shí)施控制。
本發(fā)明所述的上述方法的步驟2是根據(jù)以下計(jì)算公式(1)求出直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)m，轉(zhuǎn)速n，并判斷直流電機(jī)是否為受阻狀態(tài)，從而實(shí)施控制。
θ=2πNp∞N]]>m=Np∞N...(1)]]>n=1Wp∞1W]]>W＞設(shè)定閾值，直流電機(jī)被判斷為受阻。
另外，根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n與力矩T的下述關(guān)系式(2)，可以測算出直流電機(jī)力矩的大小。以永磁或它勵(lì)直流電機(jī)為例有n=UaCEΦ-RaCECTΦ2T...(2)]]>公式(2)中φ是氣隙磁通，Ua為電樞電壓，Ra為電樞電阻，CE、CT為結(jié)構(gòu)常數(shù)。
根據(jù)上述公式(2)和(1)可知，當(dāng)T增大時(shí)，n減小，W增大，由此說明，脈沖寬度W會(huì)隨力矩T單調(diào)上升，據(jù)此可以根據(jù)W的大小來判斷力矩或者力的大小。
上述方法的步驟1中包含兩部分電路1.串聯(lián)在電樞回路中的取樣電阻，其作用是把電樞電流變換成電壓取樣信號(hào)。
2.連接在取樣電阻與計(jì)算控制單元之間的信號(hào)處理單元，其作用是把電壓取樣信號(hào)變換成數(shù)字脈沖信號(hào)。所述信號(hào)處理單元可由現(xiàn)有技術(shù)中的放大器、濾波器、比較器、限幅器、分頻器、倍頻器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器、邏輯電路作為單元電路組合而實(shí)現(xiàn)。這些電路也可以部分地包含在單片機(jī)中。
上述方法的步驟2中的計(jì)算控制單元可由單片機(jī)、計(jì)算機(jī)、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、可編程邏輯器件構(gòu)成，連接在信號(hào)處理單元與驅(qū)動(dòng)單元之間，它可以接收外部指令。
與現(xiàn)有技術(shù)中的含直流電機(jī)裝置的直接測量控制方法相比較，本發(fā)明的有益效果是1.不用傳感器，簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，無傳感器引入誤差；2.因?yàn)楸景l(fā)明主要采用數(shù)字技術(shù)，設(shè)定閾值適用范圍加大，抗干擾能力提高；3.能夠計(jì)算出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)m，轉(zhuǎn)速n，并能判斷受阻力的大小。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中含直流電機(jī)裝置的測量控制方法示意圖。
圖2為本發(fā)明所述含直流電機(jī)裝置的直接測量控制方法示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例程序流程圖。
圖4根據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的電動(dòng)玻璃升降控制器實(shí)施例結(jié)構(gòu)方框圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合說明書附圖2-4介紹本發(fā)明所述含直流電機(jī)裝置的直接測量控制方法以及根據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的電動(dòng)玻璃升降控制器。
1.通過取樣電阻提取電機(jī)電樞電流中與電刷、定子磁極物理位置相對(duì)應(yīng)的電脈動(dòng)信號(hào)，并通過信號(hào)處理單元將電脈動(dòng)信號(hào)變換成脈沖寬度為W的數(shù)字脈沖信號(hào)；(2)計(jì)算控制單元對(duì)該數(shù)字脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)為N，對(duì)N和W進(jìn)行計(jì)算處理，計(jì)算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ、轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)m、轉(zhuǎn)速n，并判斷轉(zhuǎn)子受阻力的大小及受阻狀態(tài)；(3)計(jì)算控制單元根據(jù)N、W、θ、m、n，發(fā)出控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)單元，對(duì)含直流電機(jī)裝置實(shí)施控制。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明所述方法，以電動(dòng)玻璃升降控制器為例加以說明。該控制器可以不需要傳感器，控制普通直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)一觸式升降和防止夾住功能。
下面結(jié)合圖3和圖4，對(duì)本發(fā)明所述作進(jìn)一步詳細(xì)描述。電動(dòng)玻璃升降控制器的運(yùn)行步驟詳細(xì)示于附圖3中。
圖4示出本發(fā)明電動(dòng)玻璃升降控制器實(shí)施控制的原理及結(jié)構(gòu)方框圖。
1.電源部分U1與電容C1、C2、C3一起組成電源電路，把DC12V降至DC5V，用作單片機(jī)U2和信號(hào)處理電路U3的供電。
2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分單片機(jī)U2發(fā)出控制信號(hào)，通過三極管Q1、Q2驅(qū)動(dòng)繼電器K1、K2，控制電動(dòng)玻璃升降器直流電機(jī)M的正傳、反轉(zhuǎn)和停止。
3.信號(hào)處理部分直流電機(jī)電樞電流信號(hào)，如圖2所示，經(jīng)過取樣電阻R1，變成電壓信號(hào)；再通過信號(hào)處理單元U3后，變成數(shù)字脈沖信號(hào)，如圖2所示。
4.指令輸入部分升降指令接DC12V時(shí)為有效電平，經(jīng)分壓電阻R4、R5、R6、R7分壓成TTL電平，用電容C4、C5濾掉毛刺后，輸入到單片機(jī)U2中。
5.單片機(jī)部分單片機(jī)U2對(duì)上升指令處理流程如圖3所示。收到升指令后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)M正轉(zhuǎn)，玻璃上升。在玻璃上升過程中，如W＞設(shè)定閾值，則說明直流電機(jī)受阻，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)N，計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，從而得到玻璃位置。若位置在頂部，則說明這個(gè)受阻是因?yàn)椴Ａн_(dá)到頂部，單片機(jī)U2發(fā)出指令，停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，玻璃停止上升，保護(hù)電機(jī)不發(fā)熱；若位置在中間，則說明這個(gè)受阻是因?yàn)椴ＡA住異物，單片機(jī)U2發(fā)出信號(hào)，玻璃下降，下降的距離用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，或者脈沖計(jì)數(shù)來規(guī)定，防止夾住力感的大小，也是由脈寬W來確定，從而達(dá)到防止夾住的功能。下降指令的處理與上升指令的處理類似。
整個(gè)實(shí)施例中，無需傳感器，直接根據(jù)數(shù)字脈沖計(jì)數(shù)N和脈寬寬度W來判斷是否夾住異物還是到頂，并計(jì)算控制下降距離。
根據(jù)電動(dòng)玻璃升降控制器的描述，可以設(shè)計(jì)出本發(fā)明電動(dòng)玻璃升降控制器的許多不同的變形和替代物。比如，計(jì)算機(jī)控制單元可以選用Z8、51、PIC、EM、Motorola系列的單片機(jī)，也可以選用其他具有CPU、I/O、RAM、EPROM、Flash或其他類似功能的芯片和組件；信號(hào)處理單元可以選用各種運(yùn)算放大器、濾波器、比較器、分頻器、倍頻器、計(jì)算器、限幅器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字邏輯電路或其他類似功能的芯片和組件。
在本發(fā)明中還可以把測量得到的信號(hào)，用于顯示，作監(jiān)視指示或報(bào)警等用途。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于以上所述實(shí)施例，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，對(duì)本發(fā)明方法所構(gòu)設(shè)的各種變更和改進(jìn)，均不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和本申請(qǐng)所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種含直流電機(jī)裝置的測量控制方法，其特征是(1)直接用取樣電阻和信號(hào)處理單元，把電機(jī)電樞電流中與電刷、定子磁極物理位置相對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)信號(hào)，變換成脈沖寬度為W的數(shù)字脈沖信號(hào)；(2)計(jì)算控制單元對(duì)該數(shù)字脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)為N，對(duì)N和W進(jìn)行計(jì)算處理，求出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)m，轉(zhuǎn)速n，判斷轉(zhuǎn)子受阻力的大小及受阻狀態(tài)；(3)計(jì)算控制單元根據(jù)N、W、θ、m、n，發(fā)出控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)單元，對(duì)含直流電機(jī)裝置實(shí)施控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述取樣電阻串聯(lián)在電樞回路，把電樞電流變成電壓取樣信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述信號(hào)處理單元由放大器、濾波器、比較器、限幅器、分頻器、倍頻器、計(jì)數(shù)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、邏輯電路全部或部分組合而成，連接在取樣電阻與計(jì)算控制單元之間的電路，把電壓取樣信號(hào)變換成數(shù)字脈沖信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述數(shù)字脈沖信號(hào)中的部分脈沖信號(hào)與電刷、定子磁極的物理位置相對(duì)應(yīng)，其脈沖寬度W，反比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，W隨受阻力單調(diào)增加，其計(jì)數(shù)N，正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)m或轉(zhuǎn)角θ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述計(jì)算控制單元由單片機(jī)、計(jì)算機(jī)、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、觸發(fā)器等組成，可以接收外部指令。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，當(dāng)脈沖寬度W＞設(shè)定閾值時(shí)，判斷為受阻，據(jù)此發(fā)出控制信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，脈沖計(jì)數(shù)器N乘上一個(gè)比例因子，作為轉(zhuǎn)子圈數(shù)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角及含直流電機(jī)裝置的行程、轉(zhuǎn)角、以及作為達(dá)到設(shè)定位置的判斷依據(jù)，據(jù)此發(fā)出控制信號(hào)。
8.據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，以脈沖寬度W的倒數(shù)乘以一個(gè)比例因子，作為直流電機(jī)本身或含直流電機(jī)裝置的速度或轉(zhuǎn)速，據(jù)此發(fā)出控制信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及含直流電機(jī)裝置的直接測量控制方法。該方法特點(diǎn)是，利用電路直接從直流電機(jī)電樞電流中提取與電刷、定子磁極的物理位置相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，其寬度為W，脈沖計(jì)數(shù)為N。根據(jù)N和W，求出直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)、轉(zhuǎn)速、判定受阻狀態(tài)及受阻力的大小，從而對(duì)含直流電機(jī)裝置直接實(shí)施控制。本發(fā)明所述方法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要傳感器就可以設(shè)計(jì)制造控制器，對(duì)含有直流電機(jī)的裝置進(jìn)行控制，操作簡單、準(zhǔn)確、實(shí)用。
文檔編號(hào)H02P6/14GK1614871SQ20041009862
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2004年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月14日
發(fā)明者張建華 申請(qǐng)人:張建華