一种直流电机的高精度正反转控制系统及控制方法技术方案

一种直流电机的高精度正反转控制系统，系统由ＰＩＤ控制和主动控制两部分组成，ＰＩＤ控制包括比较器、ＰＩＤ控制器、控制方式切换器、电机和光栅，主动控制包括控制方式切换器、电机和光栅。本发明专利技术采用的电机控制方法为：在电机平稳旋转时采用ＰＩＤ控制，在反转前转换为主动控制，使其以较高精度平稳反转，主动控制时间持续几个毫秒，反转后再转换为ＰＩＤ控制。本发明专利技术能够有效提高电机反转时的角位置精度，实现电机的平稳反转，并且方法简单，易于实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种直流电机的正反转控制系统及控制方法，实现电机的高精度、平 稳反转。
技术介绍
目前已发展出很多种电机的控制策略，包括PID控制、模糊控制、鲁棒控制和神经 网络等，往往采用闭环控制。PID控制是一种最常用的控制方法，其结构简单并易于实现，但 一般难以满足某些高精度系统的性能要求，而其它的现代控制方法虽然在某种程度上能够 提高控制性能，但同时也增加了系统的复杂性而降低了可靠性。对于要求电机反转时的角 位置误差小于30角秒的正反转控制系统，只采用PID控制是很难满足高精度要求的，而其 它的现代控制方法虽然适用于多种控制系统，但算法一般较为复杂，对于减小反转瞬间的 角度误差这个问题很难直接应用，所以需要一种既能有效提高反转时的精度又简单可靠的 方法。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种直流电机的高精度正反 转控制系统及控制方法，使正反旋转的直流电机反转时的角度误差小于30角秒，实现电机 的高精度、平稳的反转。本专利技术的技术解决方案一种直流电机的高精度正反转控制系统包括PID控制 方式和主动控制方式两部分，其中PID控制方式由比较器、PID控制器、控制方式切换器、电 机和光栅组成，光栅输出的实际转角输出经反馈后在比较器中和指令转角输入相减得到角 度误差输入给PID控制器，根据PID控制算法由角度误差计算并输出控制电压，该控制电压 经过控制方式切换器输入给电机，电机的实际转角由光栅输出；主动控制方式由反电压输 入、控制方式切换器、电机和光栅组成，反向电压输入经过控制方式切换器到达电机，再由 光栅输出实际转角；电机勻速旋转时控制方式切换器切换到PID控制方式，保证了平稳旋 转的精度，在电机反转前控制方式切换器切换到主动控制方式，根据公式(1)对电机施加 时间长度为1 10ms的反向电压UT，并在仿真或者实际中调试UT，电机反转后再切换为PID 控制方式，并由近似计算公式⑵设置PID控制器中的积分器初值，电机又开始勻速旋转。所述比较器、PID控制器和控制方式切换器均由计算机或者微处理器实现。一种直流电机的高精度正反转控制方法，实现步骤如下(1)电机平稳旋转时采用PID控制方式，调整好PID控制器参数，使其满足平稳旋 转时的精度要求并具有一定的抗干扰性；(2)电机反转前转换为主动控制方式，对电机施加时间长度为1 10ms的反向电 压仏，并在仿真或者实际中调试UT，使电机高精度、平稳反转，反向电压UT的计算公式为(3)电机反转后再转换为PID控制，并根据摩擦情况和电机参数给PID控制器中的 积分器赋初值，初值的计算公式为Mf B—^■R + {—-R + Ce)-coc(2)。m。m其中R为电枢电阻；J为电机的转动惯量；《。为电机平稳旋转时的转速的大小； Cm为力矩系数；AT为主动控制的时间长度；Mf为静摩擦力矩；B为粘滞摩擦系数；(；为反电 势系数；若摩擦力矩和反电势系数很小，以致(2)式对应的等效力矩小于0.03N*m，也可直 接将积分器清零。本专利技术与现有技术相比的有益效果在于(1)普通的PID控制方法会使电机反转时的角度和角速度出现超调，该超调降低 了反转瞬间的精度，而本专利技术反转时采用主动控制方式可有效减小这种超调，使得电机反 转瞬间的角位置误差小于30角秒，角速度的超调也很小，提高了系统的精度，实现了电机 的平稳反转；(2)在由主动控制方式转换为PID控制方式时要求角位置误差很小，否则控制方 式转换后会出现较大超调，本专利技术给出了反向电压的近似计算方法，可以有效保证控制方 式转换时有较小的角位置误差；(3) PID控制器中的积分器具有记忆功能，所以要在主动控制方式转换为PID控制 方式时对积分器赋合适的初值，本专利技术中给出的赋初值的计算方法可以保证控制方式转换 时的平稳过渡；(4)本专利技术是在PID控制的基础上再引入主动控制，因为主动控制的时间很短，所 以基本上不会影响系统的抗干扰性，同时操作简单，易于实现。附图说明图1为本专利技术控制系统的原理框图；图2为本专利技术控制系统的工作过程流程图；图3为本专利技术方法的模型的结构方框图；图4为实施本专利技术后的实际效果，其中上图为反转瞬间的角度误差图，下图为对 应时刻的电机转速。具体实施例方式如图1所示，本专利技术由PID控制和主动控制两部分组成，其中PID控制由比较器、 PID控制器3、控制方式切换器5、电机6和光栅组7成，指令转角输入1和反馈的实际转角 输出8在比较器2中相减得到角度误差输入给PID控制器3，PID控制器3根据误差输出控 制电压经过控制方式切换器5输入给电机6，电机的实际转角由光栅7输出；主动控制由控 制方式切换器5、电机6和光栅7组成，反向电压输入4经过控制方式切换器5到达电机6， 再由光栅7输出实际转角。在电机勻速旋转时控制方式切换器5切换到PID控制方式，而 在反转前控制方式切换器5切换到主动控制方式，主动控制的时间长度为1 10毫秒，电 机6反转后再切换为PID控制方式。4由于对电机的角位置精度要求较高，所以PID控制方式采用有位置反馈的单闭环 结构，反馈量为光栅7计数脉冲转换成的电机转角，其精度可以达到1 2角秒。采用20kHz 的PWM波对电机6进行旋转控制，微处理器计算出需要施加给电机6的平均电压转换成的 占空比，再由外围电路实现PWM波的输出。下面结合图2详细叙述实施本专利技术的系统工作过程。当系统开始运行后，对于正转过程指令转角e in在每个采样周期中递增，而反转 过程则递减。为了保证平稳旋转时的精度并具有足够的抗干扰性，在电机勻速旋转时采 用pid控制方式，当指令转角ein在正转过程中满足ein> 或在反转过程中满足ein < 02(其中略小于360度，e2略大于o度)，即认为电机开始反转，控制方式切换为主 动控制方式，否则继续维持PID控制方式。在主动控制方式中，在电机6两端施加几伏到 二十几伏的电压，并且主动控制计时器开始计时，当时间长度大于阈值时间(一般为1 10ms)时再切换回PID控制，并设置积分器的初值，电机又开始勻速转动。图1中的比较器、PID控制器和控制方式切换器均由计算机或者微处理器实现。微 处理器根据电机的理想转速和采样周期计算出指令转角，即第n时刻的指令转角为其中为理想转速，At为采样周期。指令转角减去输入的电机实际转角后得到 角度误差，这就实现了比较器的功能。根据图2的系统工作过程，微处理器由指令转角判断 要采取的控制方式，若是PID控制则由PID控制算法给出控制电压；若是主动控制则根据以 下控制方法中的说明给出控制电压。下面结合图3详细叙述本专利技术的控制方法。实施本专利技术的模型的结构方框图由PID控制器模型202、控制方式切换器模型 204、电机模型206和光栅模型213构成，这些部件顺时针方向按序连接。其中PID控制器 模型202的传递函数为G1(s) = P + - + Dss其中P、I、D分别为比例、微分和积分控制器参数，i和s分别是积分器和微分器模S型，电机模型206中的参数说明如下205为控制电机的电压，记为U ；216为电机的角速度， 记为《 ；207中的L为电枢电感，R为电枢电阻；217为电机的电流，记为I ；208中的(；为 力矩系数；209为输入给电机的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流电机的高精度正反转控制系统，其特征在于包括：ＰＩＤ控制方式和主动控制方式两部分，其中ＰＩＤ控制方式由比较器（２）、ＰＩＤ控制器（３）、控制方式切换器（５）、电机（６）和光栅（７）组成，光栅（７）输出的实际转角输出（８）经反馈后在比较器（２）中和指令转角输入（１）相减得到角度误差输入给ＰＩＤ控制器（３），根据ＰＩＤ控制算法由角度误差计算并输出控制电压，该控制电压经过控制方式切换器（５）输入给电机（６），电机（６）的实际转角由光栅（７）输出；主动控制方式由反电压输入（４）、控制方式切换器（５）、电机（６）和光栅（７）组成，反向电压输入（４）经过控制方式切换器（５）到达电机（６），再由光栅（７）输出实际转角；电机匀速旋转时控制方式切换器（５）切换到ＰＩＤ控制方式，保证了平稳旋转的精度，在电机反转前控制方式切换器（５）切换到主动控制方式，根据公式（１）对电机施加时间长度为１～１０ｍｓ的反向电压Ｕ↓［Ｔ］，并在仿真或者实际中调试Ｕ↓［Ｔ］，电机（６）反转后再切换为ＰＩＤ控制方式，并由近似计算公式（２）设置ＰＩＤ控制器中的积分器初值，电机又开始匀速旋转。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王玮，刘芳，张仲毅，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]