直流電機速度微分反饋控制裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直流電機速度微分反饋控制裝置和方法，所述裝置由觸摸屏、可編程控制器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、功率驅(qū)動單元、伺服對象、光電編碼器和高速計數(shù)器模塊組成；所述伺服對象由直流電機和機械負(fù)載組成。其控制方法的步驟為：初始化積分器后輸入速度數(shù)字量指令信號，并讀取光電編碼器反饋信號，對反饋信號進行一次差分運算，再對一次差分信號進行二次差分運算并乘以二次差分系數(shù)得到二次差分乘積，將輸入速度數(shù)字量指令信號與一次差分運算結(jié)果和二次差分乘積這兩者之和取誤差，所得誤差信號進行累加積分并乘以積分系數(shù)得到積分乘積，將所得積分乘積進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換得到模擬量控制信號經(jīng)伺服放大器控制伺服對象。
【專利說明】直流電機速度微分反饋控制裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種直流電機速度微分反饋控制裝置和方法，特別涉及一種采用數(shù)字控制方式進行直流電機速度控制的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】:
[0002]直流電機速度的精確控制毫無疑問必須采用閉環(huán)反饋控制方式，即對輸入和輸出之間的誤差進行運算，把運算結(jié)果通過功率驅(qū)動單元放大后驅(qū)動直流電機，才能獲得較好的控制精度。對于誤差的控制運算無外乎是比例(P)，積分(I)，微分(D)這幾種的組合。為了滿足足夠的控制精度，即系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)是無差的，在控制回路的前向通道中積分運算是必不可少的，如果在前向通道中再增加微分運算，則對輸入信號來講就是增加了一個強迫項，帶來的直接后果是輸出就不能精確復(fù)現(xiàn)輸入信號，因此除積分之外的其它強迫加在反饋通道中是適宜的。對于直流電機速度控制，反饋端的比例項應(yīng)設(shè)置成1，這樣就意味著直接進行速度反饋，在此基礎(chǔ)上再疊加一個加速度反饋，意味著系統(tǒng)具有對速度變化有一個提前預(yù)測的能力，這樣構(gòu)成的系統(tǒng)就是微分反饋系統(tǒng)，它是一個伺服對象狀態(tài)變量全反饋的系統(tǒng)。
[0003]在直流電機驅(qū)動的機械負(fù)載具有大阻尼特性時，由直流電機和機械負(fù)載這二者構(gòu)成的等效阻尼系數(shù)對控制的性能會產(chǎn)生較大的影響，尤其是在采用數(shù)字控制方式的系統(tǒng)中體現(xiàn)更明顯。如果不充分考慮等效阻尼系數(shù)，帶來的后果是積分飽和，系統(tǒng)輸出產(chǎn)生過驅(qū)動現(xiàn)象，引發(fā)輸出超調(diào)。究其原因，過大的等效阻尼系數(shù)吸收了功率驅(qū)動單元輸出至伺服對象的大部分能力，使得原本響應(yīng)很快的系統(tǒng)變得很慢，這樣輸入輸出之間的誤差長時間維持在一個較大的范圍，經(jīng)過積分運算后使積分器很快進入飽和，也就使得功率驅(qū)動單元長時間在飽和狀態(tài)下工作，系統(tǒng)輸出也就產(chǎn)生了超調(diào)。模擬電路控制和數(shù)字控制方式在遇到大阻尼特性負(fù)載情況會有所大同，因為模擬電路中積分器一般是用運算放大器等器件實現(xiàn)的，其退出飽和的時間很短，而數(shù)字控制方式中積分運算是通過對誤差的累積實現(xiàn)的，其退出飽和是通過程序周期逐漸退出，時間相對較長，因此在數(shù)字控制時，過驅(qū)動現(xiàn)象是很容易出現(xiàn)的。如果純粹為了避免過驅(qū)動現(xiàn)象，積分系數(shù)會取得較小，但又滿足不了系統(tǒng)響應(yīng)快速性的要求，因此為了使得系統(tǒng)輸出相對較快且不超調(diào)，在設(shè)計控制參數(shù)時需要對等效阻尼系數(shù)予以足夠的重視。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有數(shù)字控制方法在遇到等效阻尼較大的負(fù)載容易產(chǎn)生過驅(qū)動的問題，提供一種直流電機速度微分反饋控制裝置和方法。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0006]直流電機速度微分反饋控制裝置，所述裝置由觸摸屏、可編程控制器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、功率驅(qū)動單元、伺服對象、光電編碼器和高速計數(shù)器模塊組成；所述伺服對象由直流電機串接機械負(fù)載組成，其中所述觸摸屏的輸出端依次串接可編程控制器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、功率驅(qū)動單元后接直流電機的輸入端，所述機械負(fù)載的輸出端依次串接光電編碼器、高速計數(shù)器模塊后接可編程控制器的輸入端。
[0007]直流電機速度微分反饋控制裝置的控制方法，控制步驟為:
[0008](1)開始，對可編程控制器內(nèi)部程序設(shè)置的積分器進行初始化，積分器清零；
[0009](2)通過觸摸屏輸入速度數(shù)字量指令信號值；
[0010](3)高速計數(shù)器模塊采集由光電編碼器傳送過來的反饋脈沖信號并傳輸給可編程控制器；
[0011](4)可編程控制器對反饋信號進行一次差分運算，得到一次差分運算結(jié)果；
[0012](5)可編程控制器對一次差分運算結(jié)果進行二次差分運算，得到二次差分運算結(jié)果;
[0013](6)可編程控制器對二次差分運算結(jié)果乘以二次差分系數(shù)得到二次差分乘積；
[0014](7)可編程控制器對一次差分運算結(jié)果和二次差分乘積兩者進行加法運算，得到加法運算結(jié)果；
[0015](8)可編程控制器對輸入速度數(shù)字量指令信號與加法運算結(jié)果取誤差；
[0016](9)可編程控制器對誤差信號進行累加積分；
[0017](10)可編程控制器將累加積分結(jié)果乘以積分系數(shù)得到積分乘積；
[0018]( 11)數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊將積分乘積進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換得到模擬量控制信號，工作流程同時又返回到步驟(2)；
[0019](12)數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊將模擬量控制信號輸入到功率驅(qū)動單元進行信號放大后驅(qū)動直流電機以帶動機械負(fù)載運動。
[0020]在上述控制步驟中，積分系數(shù)Ki和二次差分系數(shù)Kd根據(jù)下列給出的公式進行計算，作為其初始整定值:
[0021]
【權(quán)利要求】
1.一種直流電機速度微分反饋控制裝置，其特征是:所述裝置由觸摸屏、可編程控制器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、功率驅(qū)動單元、伺服對象、光電編碼器和高速計數(shù)器模塊組成；所述伺服對象由直流電機串接機械負(fù)載組成，其中所述觸摸屏的輸出端依次串接可編程控制器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、功率驅(qū)動單元后接直流電機的輸入端，所述機械負(fù)載的輸出端依次串接光電編碼器、高速計數(shù)器模塊后接可編程控制器的輸入端。
2.一種如權(quán)利要求1所述的直流電機速度微分反饋控制裝置的控制方法，其特征在于，控制步驟為: (O開始，對可編程控制器內(nèi)部程序設(shè)置的積分器進行初始化，積分器清零； (2)通過觸摸屏輸入速度數(shù)字量指令信號值； (3)高速計數(shù)器模塊采集由光電編碼器傳送過來的反饋脈沖信號并傳輸給可編程控制器； (4)可編程控制器對反饋信號進行一次差分運算，得到一次差分運算結(jié)果； (5)可編程控制器對一次差分運算結(jié)果進行二次差分運算，得到二次差分運算結(jié)果； (6)可編程控制器對二次差分運算結(jié)果乘以二次差分系數(shù)得到二次差分乘積； (7)可編程控制器對一次差分運算結(jié)果和二次差分乘積兩者進行加法運算，得到加法運算結(jié)果； (8)可編程控制器對輸入速度數(shù)字量指令信號與加法運算結(jié)果取誤差； (9)可編程控制器對誤差信號進行累加積分； (10)可編程控制器將累加積分結(jié)果乘以積分系數(shù)得到積分乘積； (11)數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊將積分乘積進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換得到模擬量控制信號，工作流程同時又返回到步驟(2); (12)數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊將模擬量控制信號輸入到功率驅(qū)動單元進行信號放大后驅(qū)動直流電機以帶動機械負(fù)載運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直流電機速度微分反饋控制裝置的控制方法，其特征是:積分系數(shù)Ki和二次差分系數(shù)Kd根據(jù)下列給出的公式進行計算，作為其初始整定值:
【文檔編號】H02P7/00GK103684147SQ201310655714
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】朱鵬程, 張維光, 張冰蔚, 沈澤洪 申請人:江蘇科技大學(xué)