三步法設(shè)計(jì)的有刷直流電機(jī)復(fù)合控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，有刷直流電機(jī)已經(jīng)在機(jī)器人，航空航天，汽車電子系統(tǒng)，光電伺服系統(tǒng)等 領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了使其在更多的領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用，人們不斷的提高著對(duì)電 機(jī)控制性能的要求，但是開發(fā)難度也在大大增加，主要存在以下問題： 1.早期的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是以單閉環(huán)PID算法進(jìn)行調(diào)速，這種算法雖然性能可靠， 結(jié)構(gòu)簡單，但是無法克服負(fù)載參數(shù)大范圍變化和非線性因素對(duì)系統(tǒng)造成的影響，所以也逐 漸難以滿足控制要求。
[0003] 2.在工程實(shí)踐中，有許多生產(chǎn)機(jī)械要求一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且 要求有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)能夠快速跟蹤給定速度。傳統(tǒng)的純反饋控制方法難以兼 顧這些指標(biāo)。
[0004] 3.由于直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)存在非線性摩擦以及電機(jī)"死區(qū)"現(xiàn)象，使得電機(jī)在 低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生不平穩(wěn)性，甚至在閉環(huán)跟蹤極低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或精確定位時(shí)會(huì)產(chǎn)生滯滑、爬 行等有害特征。它破壞了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的均勻性，嚴(yán)重阻礙了高精度伺服調(diào)速系統(tǒng)性能的提高。 由于PID控制器對(duì)線性系統(tǒng)具有較好的控制性能，但對(duì)非線性系統(tǒng)控制效果較差。所以，傳 統(tǒng)的PID控制器，無法控制存在非線性摩擦的電機(jī)系統(tǒng)達(dá)到很高的精度。
[0005]目前為了解決直流電機(jī)伺服調(diào)速系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中所遇到的困難，許多專家在 直流電機(jī)控制方法方面進(jìn)行了許多的努力，針對(duì)直流電機(jī)的速度控制問題已經(jīng)提出了許多 成型的方法： 中國專利公開號(hào)CN104467557,公開日為2015年3月25日，專利申請(qǐng)?zhí)枮?201410737472. 5，專利申請(qǐng)名稱為"直流電機(jī)的調(diào)速方法"。該專利描述了一種涉及直流調(diào) 速退聯(lián)機(jī)組的直流電機(jī)速度控制方法。首先，根據(jù)電機(jī)所帶棍子的直徑和齒輪比，計(jì)算機(jī)組 在不同線速度下的理論速度。然后，啟動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)高速空轉(zhuǎn)以消除直流電機(jī)電刷的接觸 電阻。最后測量從輥的轉(zhuǎn)速，將從輥的測量轉(zhuǎn)速與所述理論轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào) 整轉(zhuǎn)速。該方法實(shí)施例可以通過計(jì)算機(jī)控制與機(jī)械控制相結(jié)合的方法調(diào)整直流電機(jī)速度， 但是該方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)每次啟動(dòng)前都需要空轉(zhuǎn)一段時(shí)間消除接觸電阻，使用不方便。同時(shí) 該發(fā)明較多的機(jī)械結(jié)構(gòu)，維護(hù)升級(jí)比較困難，使用不夠靈活。
[0006] 中國專利公開號(hào)CN102946220A，公開日為2013年2月27日，專利申請(qǐng)?zhí)枮?201210499435.6，專利申請(qǐng)名稱為"直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)及速度控制方法"。該專利描述 了一種直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)及速度控制方法，在對(duì)所述三相直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制中，將 所述三相直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速相比較，根據(jù)比較結(jié)果修正所述實(shí)際轉(zhuǎn)速，使得 所述三相直流電機(jī)穩(wěn)定在所述預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速上。該發(fā)明實(shí)施例可以通過閉環(huán)控制的方法提高了 三相直流電機(jī)的穩(wěn)定性，但是快速性有待提升。
[0007] 中國專利公開號(hào)CN101394147A，公開日為2008年9月12日，專利申請(qǐng)?zhí)枮?200810195896. 8,專利申請(qǐng)名稱為"電機(jī)速度控制裝置和方法"。該專利描述了一種直流電 機(jī)速度控制裝置和方法，先通過速度確定單元確定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將直流電機(jī)的速度反 饋信號(hào)輸入控制器，再通過控制器將輸入的速度指令信號(hào)和速度反饋信號(hào)進(jìn)行比較產(chǎn)生速 度誤差信號(hào)，由控制器對(duì)速度誤差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和比較產(chǎn)生直流電機(jī)的速度控制信號(hào)。依 此方法，可改善直流電機(jī)速度控制的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，但是該方法采用單閉環(huán)控制，其 對(duì)電機(jī)的抗擾性能不如雙閉環(huán)控制。
[0008] 傳統(tǒng)的直流電機(jī)控制算法大多數(shù)采用單閉環(huán)或者雙閉環(huán)反饋控制，這樣雖然具有 較好的調(diào)節(jié)性能。但是在對(duì)電機(jī)快速性、抗擾性能和低速平滑調(diào)速性能要求較高的場合，無 法滿足需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009] 本發(fā)明的目的是通過三步法設(shè)計(jì)的前饋加反饋直流電機(jī)，解決了直流電機(jī)速度控 制過程中快速性以及低速運(yùn)行不平穩(wěn)性問題的三步法設(shè)計(jì)的有刷直流電機(jī)復(fù)合控制方法。
[0010] 本發(fā)明步驟是： ①建立直流有刷電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 建立直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式：
式中，E是直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢（V) ;是電機(jī)每磁極的磁通(Wb);黑6、是直流電機(jī)結(jié) 構(gòu)決定的電動(dòng)勢常數(shù)；是電機(jī)在額定磁通下的電勢轉(zhuǎn)速比(FVmi/i*)，且二jp* 是電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為?*/min
(2) 式中，I是電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩(霧是電機(jī)的電樞電流(a) 是直流電機(jī)結(jié)構(gòu)所 決定的轉(zhuǎn)矩常數(shù);是電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比(fV應(yīng)/i)，且驗(yàn)； 電樞回路的微分方程：
式中，G02是電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量; %是負(fù)載轉(zhuǎn)矩(MV綱）； ?是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速_Mr) 整理得到：
(6) 式中
是電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常 數(shù)； 由此得到有刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型為：
(7); ②基于三步法設(shè)計(jì)的前饋加反饋的直流電機(jī)調(diào)速復(fù)合控制：三步法分為：穩(wěn)態(tài)控制、 參考動(dòng)態(tài)前饋控制、誤差反饋控制： I、外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)： 第一步：穩(wěn)態(tài)控制 外環(huán)狀態(tài)方程為：
(8) 穩(wěn)態(tài)控制輸入為;根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件，令= .0帶入（8)得：
第二步：參考動(dòng)態(tài)前饋控制 設(shè)控制率為k= #心，帶入（8)式得：
第二步：誤差反饋控制： 設(shè)控制率為匕二（+卜+1且定義跟蹤誤差為％ =，則有
第三步：誤差反饋控制 定義跟蹤誤差為tf~i，則有
[0011] 本發(fā)明的有益效果是： 1、本發(fā)明在傳統(tǒng)的電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入前饋控制，前饋控制器和反饋控 制器根據(jù)三步法推導(dǎo)得到。反饋控制器和pi控制器具有相同的形式。前饋控制作用的發(fā)生 時(shí)間是在參考輸入作用的瞬間而不需等到偏差出現(xiàn)以后，從而提升被控對(duì)象的快速性。且 前饋控制器引入了非線性摩擦補(bǔ)償信號(hào)，能夠消弱非線性摩擦對(duì)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性以及精確性的 影響。
[0012] 2、本發(fā)明中，將傳統(tǒng)的電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)PI反饋控制器采用模擬電路 實(shí)現(xiàn)，模擬電路具有較小的采樣周期，減小了內(nèi)環(huán)的波動(dòng)。同時(shí)，內(nèi)外環(huán)控制分別由模擬電 路和數(shù)字處理器實(shí)現(xiàn)，這樣做將內(nèi)外環(huán)運(yùn)算分開，降低了數(shù)字處理器運(yùn)算負(fù)擔(dān)，節(jié)約運(yùn)算成 本，提升了控制性能。
【附圖說明】
[0013]圖1.為本發(fā)明所述的直流有刷電機(jī)控制系統(tǒng)框圖； 圖2.為直流有刷電動(dòng)機(jī)電樞回路等效模型； 圖3.為直流有刷電動(dòng)機(jī)等效數(shù)學(xué)模型框圖； 圖4?為Stribeck模型速度摩擦力矩曲線； 圖5.為空載時(shí)，采用傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制時(shí)的階躍響應(yīng)轉(zhuǎn)速跟蹤實(shí)驗(yàn)曲線，其中縱坐標(biāo)為 轉(zhuǎn)速，單位為rat/ /a、，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為〇.Is; 圖6.為空載時(shí)，采用本發(fā)明所述控制方法的階躍響應(yīng)轉(zhuǎn)速跟蹤實(shí)驗(yàn)曲線，其中縱坐標(biāo) 為轉(zhuǎn)速，單位為?、ad/S1，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為0.Is; 圖7.為空載時(shí)，采用傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制時(shí)的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)速跟蹤實(shí)驗(yàn)曲線，紅線為期望信 號(hào)，藍(lán)線為實(shí)測速度信號(hào)，其中縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，單位為/J，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s; 圖8.為空載時(shí)，采用本發(fā)明所述控制方法的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)速跟蹤實(shí)驗(yàn)曲線，紅線為期望 信號(hào)，藍(lán)線為實(shí)測速度信號(hào)，其中縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，單位為/纟，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為 s ； 圖9.為空載時(shí)，采用傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制時(shí)的低速區(qū)階躍響應(yīng)轉(zhuǎn)速跟蹤實(shí)驗(yàn)曲線，其中縱 坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，單位為fgrf/J，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s; 圖10.為空載時(shí)，采用本發(fā)明所述控制方法的低速區(qū)階躍響應(yīng)轉(zhuǎn)速跟蹤實(shí)驗(yàn)曲線，其 中縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，單位為/纟，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為S。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 在研究和實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)：較為合適的前饋加反饋雙閉環(huán)控制算法會(huì)克服以上性 能不能同時(shí)兼顧的問題，帶來更好的調(diào)速性能。經(jīng)過對(duì)直流有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，以電磁 學(xué)與力學(xué)方程為基礎(chǔ)，建立直流有刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型，由此基于三步法設(shè)計(jì)了前饋加反饋的 直流電機(jī)調(diào)速復(fù)合控制方法。
[0015] 本發(fā)明步驟是： ①建立直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式： 圖1為有刷直流電機(jī)供電及內(nèi)部原理圖，從圖中可以看出，一個(gè)有刷直流電機(jī)工作時(shí) 主要電氣部件由電樞內(nèi)阻R，電感L以及一個(gè)電動(dòng)勢E三部分組成；電壓源u為直流電機(jī)供 電電源，表示施加在電機(jī)兩端的電壓，電壓的大小決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速；L表示電機(jī)中電樞的 磁場，該部分使電機(jī)