一种力矩电机宽范围调速数字控制装置及控制方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201210434733.7	申请日：	2012.11.02
公开号：	CN102882470A	公开日：	2013.01.16
当前法律状态：	驳回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的驳回IPC(主分类):H02P 29/00申请公布日:20130116\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):H02P 29/00申请日:20121102\|\|\|公开
IPC分类号：	H02P29/00	主分类号：	H02P29/00
申请人：	江苏科技大学
发明人：	曾文火; 朱鹏程
地址：	212003 江苏省镇江市梦溪路2号
优先权：
专利代理机构：	南京经纬专利商标代理有限公司 32200	代理人：	楼高潮
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内容摘要

本发明公开了一种力矩电机宽范围调速数字控制装置及控制方法，该控制装置由数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动模块、力矩电机、联轴节、机械负载、光电编码器和高速计数模块按序顺时针方向环形相连接构成；其控制方法步骤为：初始化积分器后读取速度数字指令信号和速度数字反馈信号，将两者比较得到误差信号，将误差累加积分并乘以积分系数得积分乘积，将速度数字反馈信号乘以PDF系数得PDF乘积，将积分乘积减去PDF乘积并对其数字量差值进行超限判别和处理，最后将差值进行数/模转换得到模拟量控制信号经功率驱动模块控制调速执行机构，确保力矩电机宽范围内优良的调速性能。

权利要求书

权利要求书一种力矩电机宽范围调速数字控制装置，其特征是：该控制装置由数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动模块、调速执行机构、光电编码器和高速计数模块组成，其中所述调速执行机构由力矩电机、联轴节和机械负载组成；所述数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动模块、力矩电机、联轴节、机械负载、光电编码器和高速计数模块按序顺时针方向环形连接。一种如权利要求1所述的力矩电机宽范围调速数字控制装置的控制方法，其特征是：包括如下步骤：（1）初始化积分器，对积分器清零；（2）读取速度数字指令信号值；（3）采集由光电编码器送来的速度数字反馈信号值；（4）将速度数字指令信号值和速度数字反馈信号值进行比较得到误差信号值；（5）将误差信号值累加积分；（6）将累加积分乘以积分系数得积分乘积；（7）将速度数字反馈信号值乘以PDF系数得PDF乘积；（8）将所述积分乘积减去PDF乘积得到差值；（9）将所述差值与计算机数/模转换所对应的上下限数字量进行判别并作相应处理；（10）将所述差值进行数/模转换得到模拟量控制信号值，并返回到步骤（2）；（11）将模拟量控制信号值输入到功率驱动模块。

说明书

说明书一种力矩电机宽范围调速数字控制装置及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种力矩电机数字调速装置，特别涉及一种力矩电机宽范围数字控制装置及控制方法。
背景技术：
力矩电机调速在许多机械设备和武器装备中是经常遇到的，为了获得机械负载较低的运行速度，力矩电机与机械负载之间必须配置减速装置。这样，不仅增加了调速装置的成本，而且增大了调速装置的体积和重量。即使在配置减速装置的情况下，力矩电机调速装置在低速运行时性能仍不稳定，特别是在极低速度运行时，由于负载变化或外界干扰，经常会发生不能连续平稳运行的情况，即所谓的爬行现象。
为了获得优良的速度调节性能，力矩电机调速装置必须采用调速控制装置。也就是说，机械装备中运动部件的速度必须经检测传感器反馈到调速装置输入端，与调速指令信号进行比较产生误差信号，然后再由调速控制器对误差信号进行控制运算后发出控制信号，对运动部件的速度实施控制。然而，即使采用目前广泛使用的反馈控制方法或其它所谓的现代控制方法，力矩电机调速性能虽能获得一定的改进，但在低速时仍不能平稳运行，特别在负载变动或外界干扰情况下，爬行现象较为明显。
随着各种机械设备和武器装备的运行精度、响应速度以及自动化程度的提高，对力矩电机调速性能提出了越来越高的要求。当今广泛使用的一般反馈控制方法已不能满足要求，特别是无法满足低速或极低速运行条件下的性能要求。为了保证力矩电机不仅能在高速情况下正常运转，而且在低速和极低速情况下也能平稳运转，实现力矩电机在无减速机构情况下其速度在零至数千转宽范围内可以平稳连续调节的目的，采用新的调速装置势在必行。特别是计算机的出现为数字调速装置的实施创造了条件，力矩电机调速装置如何采用数字计算机进行数字控制是所要解决的问题之一。
力矩电机数字调速装置中，为了实现宽范围调速，特别是在低速或极低速情况下平稳运行，数字控制计算机如何实现新颖的控制运算方法才能获得优良的调速性能是现有技术中有待解决的问题之二，也是本发明所要解决的关键问题所在。
发明内容：
本发明的目的是针对上述现有技术中存在的问题和缺陷，为拓宽力矩电机调速范围，进一步提高调速装置的性能，提供一种新颖而简便的由数字控制计算机控制的力矩电机宽范围调速数字控制装置及其控制方法。
为了达到上述目的，本发明实现目的所采取的技术方案是：
一种力矩电机宽范围调速数字控制装置，由数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动模块、调速执行机构、光电编码器和高速计数模块组成，其中所述调速执行机构由力矩电机、联轴节和机械负载组成；所述数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动模块、力矩电机、联轴节、机械负载、光电编码器和高速计数模块按序顺时针方向环形连接。
为了达到上述目的，本发明采用的另一个技术方案是：
本发明的一种力矩电机宽范围调速数字控制装置的控制方法，包括下列步骤：
（1）初始化积分器，对积分器清零；
（2）读取速度数字指令信号值；
（3）采集由光电编码器送来的速度数字反馈信号值；
（4）将速度数字指令信号值和速度数字反馈信号值进行比较得到误差信号值；
（5）将误差信号值累加积分；
（6）将累加积分乘以积分系数得积分乘积；
（7）将速度数字反馈信号值乘以PDF系数得PDF乘积；
（8）将所述积分乘积减去PDF乘积得差值；
（9）将所述差值与计算机数/模转换所对应的上下限数字量进行判别并作相应处理；
（10）将所述差值进行数/模转换得到模拟量控制信号值，并返回到步骤（2）；
（11）将所述模拟量控制信号值输入到功率驱动模块。
本发明的优点和有益效果是：
（1）本发明所述力矩电机宽范围调速数字控制装置结构简单，所采用的控制运算方法与众不同，不仅实现调速变量速度的反馈，而且实现了调速变量速度的变化率——加速度的反馈。实现了调速变量两种状态信息的反馈。但只使用了一个光电编码器，无需其它检测传感器，在工程实施中不仅方便易行，而且节省成本。
（2）本发明在力矩电机和所带的机械负载之间不需要任何减速箱，可实现零转速至每分钟几千转的宽范围内连续调节。低速和极低速运行十分平稳，无爬行现象。
（3）由于该力矩电机宽范围数字控制装置和控制方法的新颖性和独到之处，不仅拓宽了力矩电机的调速范围，而且提高了调速装置的静态和动态性能。静态精度可以达到无静差，动态时对于速度指令信号的阶跃瞬时突变，其响应时间缩短且无超调和振荡，动态跟踪精度高；对于外界环境的干扰和机械负载本身参数的变化，力矩电机调速装置的调速性能变化不敏感。
附图说明
图1是本发明实施例的力矩电机宽范围调速数字控制装置构成方框图；
图2是本发明实施例的力矩电机宽范围调速数字控制方法流程图。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图1和附图2对本发明的具体实施例作进一步的详细叙述。
如附图1所示，是本发明实施例的力矩电机宽范围调速数字控制装置构成方框图。该力矩电机宽范围调速数字控制装置，由数字控制计算机110、数/模转换模块120，功率驱动模块130、调速执行机构140、光电编码器150和高速计数模块160组成，所述调速执行机构140由力矩电机141、联轴节142和机械负载143组成；所述数字控制计算机110、数/模转换模块120，功率驱动模块130、力矩电机141、联轴节142、机械负载143、光电编码器150和高速计数模块160按序顺时针方向环形连接，组成闭环的反馈装置。
如图2所示，是本发明实施例的力矩电机宽范围调速数字控制方法流程图，所述数字控制方法步骤如下：
（1）步骤110对积分器进行初始化处理，对积分器清零,即INT=0；
（2）步骤120读取速度数字指令信号值ωR；
（3）步骤130采集由光电编码器送来的速度数字反馈信号值ωF；
（4）步骤140将速度数字指令信号值和速度数字反馈信号值进行比较得到误差信号值,即ER=ωR‑ωF；
（5）步骤150对误差信号值进行累加积分,即INT=INT+ER；
（6）步骤160对累加积分乘以积分系数Ki得积分乘积P1=INT*Ki；
（7）步骤170对速度数字反馈信号值乘以PDF系数Kf得PDF乘积P2=ωf*Kf；
（8）步骤180将积分乘积P1减去PDF乘积P2得到差值M=P1‑P2；
（9）步骤190至220将差值M与计算机数/模转换所对应的上下限数字量进行判别并作相应处理；
（10）步骤230将差值M的数字量信号值转换成模拟量信号值，工作流程同时又返回到步骤120，如此循环不断地对力矩电机调速装置进行控制运行；
（11）步骤240将模拟量控制信号值输入到功率驱动模块。
本发明所提供的力矩电机宽范围调速数字控制装置和控制方法，无需减速机构，不仅实现了力矩电机从零至每分钟几千转范围内的连续可调，而且确保无论高速、低速还是极低速情况下都能平稳运行，具有优良的静态性能和动态性能。

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 102882470 A (43)申请公布日 2013.01.16 C N 1 0 2 8 8 2 4 7 0 A *CN102882470A* (21)申请号 201210434733.7 (22)申请日 2012.11.02 H02P 29/00(2006.01) (71)申请人江苏科技大学地址 212003 江苏省镇江市梦溪路2号 (72)发明人曾文火朱鹏程 (74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限公司 32200 代理人楼高潮 (54) 发明名称一种力矩电机宽范围调速数字控制装置及控制方法 (57) 摘要本发明公开了一种力矩电机宽范围调速数字控。

2、制装置及控制方法，该控制装置由数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动模块、力矩电机、联轴节、机械负载、光电编码器和高速计数模块按序顺时针方向环形相连接构成；其控制方法步骤为：初始化积分器后读取速度数字指令信号和速度数字反馈信号，将两者比较得到误差信号，将误差累加积分并乘以积分系数得积分乘积，将速度数字反馈信号乘以PDF系数得PDF乘积，将积分乘积减去PDF乘积并对其数字量差值进行超限判别和处理，最后将差值进行数/模转换得到模拟量控制信号经功率驱动模块控制调速执行机构，确保力矩电机宽范围内优良的调速性能。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页说明书3页附图2页 (1。

3、9)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书 1 页说明书 3 页附图 2 页 1/1页 2 1.一种力矩电机宽范围调速数字控制装置，其特征是：该控制装置由数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动模块、调速执行机构、光电编码器和高速计数模块组成，其中所述调速执行机构由力矩电机、联轴节和机械负载组成；所述数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动模块、力矩电机、联轴节、机械负载、光电编码器和高速计数模块按序顺时针方向环形连接。 2.一种如权利要求1所述的力矩电机宽范围调速数字控制装置的控制方法，其特征是：包括如下步骤：（1）初始化积分器，对积分器清零；（2）。

4、读取速度数字指令信号值；（3）采集由光电编码器送来的速度数字反馈信号值；（4）将速度数字指令信号值和速度数字反馈信号值进行比较得到误差信号值；（5）将误差信号值累加积分；（6）将累加积分乘以积分系数得积分乘积；（7）将速度数字反馈信号值乘以PDF系数得PDF乘积；（8）将所述积分乘积减去PDF乘积得到差值；（9）将所述差值与计算机数/模转换所对应的上下限数字量进行判别并作相应处理；（10）将所述差值进行数/模转换得到模拟量控制信号值，并返回到步骤（2）；（11）将模拟量控制信号值输入到功率驱动模块。权利要求书CN 102882470 A 1/3页 3 一种力矩电机宽。

5、范围调速数字控制装置及控制方法技术领域： 0001 本发明涉及一种力矩电机数字调速装置，特别涉及一种力矩电机宽范围数字控制装置及控制方法。背景技术： 0002 力矩电机调速在许多机械设备和武器装备中是经常遇到的，为了获得机械负载较低的运行速度，力矩电机与机械负载之间必须配置减速装置。这样，不仅增加了调速装置的成本，而且增大了调速装置的体积和重量。即使在配置减速装置的情况下，力矩电机调速装置在低速运行时性能仍不稳定，特别是在极低速度运行时，由于负载变化或外界干扰，经常会发生不能连续平稳运行的情况，即所谓的爬行现象。 0003 为了获得优良的速度调节性能，力矩电机调速装置必须采用。

6、调速控制装置。也就是说，机械装备中运动部件的速度必须经检测传感器反馈到调速装置输入端，与调速指令信号进行比较产生误差信号，然后再由调速控制器对误差信号进行控制运算后发出控制信号，对运动部件的速度实施控制。然而，即使采用目前广泛使用的反馈控制方法或其它所谓的现代控制方法，力矩电机调速性能虽能获得一定的改进，但在低速时仍不能平稳运行，特别在负载变动或外界干扰情况下，爬行现象较为明显。 0004 随着各种机械设备和武器装备的运行精度、响应速度以及自动化程度的提高，对力矩电机调速性能提出了越来越高的要求。当今广泛使用的一般反馈控制方法已不能满足要求，特别是无法满足低速或极低速运行条件下的。

7、性能要求。为了保证力矩电机不仅能在高速情况下正常运转，而且在低速和极低速情况下也能平稳运转，实现力矩电机在无减速机构情况下其速度在零至数千转宽范围内可以平稳连续调节的目的，采用新的调速装置势在必行。特别是计算机的出现为数字调速装置的实施创造了条件，力矩电机调速装置如何采用数字计算机进行数字控制是所要解决的问题之一。 0005 力矩电机数字调速装置中，为了实现宽范围调速，特别是在低速或极低速情况下平稳运行，数字控制计算机如何实现新颖的控制运算方法才能获得优良的调速性能是现有技术中有待解决的问题之二，也是本发明所要解决的关键问题所在。发明内容： 0006 本发明的目的是针对上述现有。

8、技术中存在的问题和缺陷，为拓宽力矩电机调速范围，进一步提高调速装置的性能，提供一种新颖而简便的由数字控制计算机控制的力矩电机宽范围调速数字控制装置及其控制方法。 0007 为了达到上述目的，本发明实现目的所采取的技术方案是： 0008 一种力矩电机宽范围调速数字控制装置，由数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动模块、调速执行机构、光电编码器和高速计数模块组成，其中所述调速执行机构由力矩电机、联轴节和机械负载组成；所述数字控制计算机、数/模转换模块、功率驱动模块、力矩电机、联轴节、机械负载、光电编码器和高速计数模块按序顺时针方向环形连接。说明书CN 102882470 A 2/。

9、3页 4 0009 为了达到上述目的，本发明采用的另一个技术方案是： 0010 本发明的一种力矩电机宽范围调速数字控制装置的控制方法，包括下列步骤： 0011 （1）初始化积分器，对积分器清零； 0012 （2）读取速度数字指令信号值； 0013 （3）采集由光电编码器送来的速度数字反馈信号值； 0014 （4）将速度数字指令信号值和速度数字反馈信号值进行比较得到误差信号值； 0015 （5）将误差信号值累加积分； 0016 （6）将累加积分乘以积分系数得积分乘积； 0017 （7）将速度数字反馈信号值乘以PDF系数得PDF乘积； 0018 （8）将所述积分乘积减去PDF乘积得差值； 0019。

10、（9）将所述差值与计算机数/模转换所对应的上下限数字量进行判别并作相应处理； 0020 （10）将所述差值进行数/模转换得到模拟量控制信号值，并返回到步骤（2）； 0021 （11）将所述模拟量控制信号值输入到功率驱动模块。 0022 本发明的优点和有益效果是： 0023 （1）本发明所述力矩电机宽范围调速数字控制装置结构简单，所采用的控制运算方法与众不同，不仅实现调速变量速度的反馈，而且实现了调速变量速度的变化率加速度的反馈。实现了调速变量两种状态信息的反馈。但只使用了一个光电编码器，无需其它检测传感器，在工程实施中不仅方便易行，而且节省成本。 0024 （2）本发明在力矩电机和所。

11、带的机械负载之间不需要任何减速箱，可实现零转速至每分钟几千转的宽范围内连续调节。低速和极低速运行十分平稳，无爬行现象。 0025 （3）由于该力矩电机宽范围数字控制装置和控制方法的新颖性和独到之处，不仅拓宽了力矩电机的调速范围，而且提高了调速装置的静态和动态性能。静态精度可以达到无静差，动态时对于速度指令信号的阶跃瞬时突变，其响应时间缩短且无超调和振荡，动态跟踪精度高；对于外界环境的干扰和机械负载本身参数的变化，力矩电机调速装置的调速性能变化不敏感。附图说明 0026 图1是本发明实施例的力矩电机宽范围调速数字控制装置构成方框图； 0027 图2是本发明实施例的力矩电机宽范围调速数。

12、字控制方法流程图。具体实施方式： 0028 为了加深对本发明的理解，下面结合附图1和附图2对本发明的具体实施例作进一步的详细叙述。 0029 如附图1所示，是本发明实施例的力矩电机宽范围调速数字控制装置构成方框图。该力矩电机宽范围调速数字控制装置，由数字控制计算机110、数/模转换模块120，功率驱动模块130、调速执行机构140、光电编码器150和高速计数模块160组成，所述调速执行机构140由力矩电机141、联轴节142和机械负载143组成；所述数字控制计算机110、数 /模转换模块120，功率驱动模块130、力矩电机141、联轴节142、机械负载143、光电编码器说明书。

13、CN 102882470 A 3/3页 5 150和高速计数模块160按序顺时针方向环形连接，组成闭环的反馈装置。 0030 如图2所示，是本发明实施例的力矩电机宽范围调速数字控制方法流程图，所述数字控制方法步骤如下： 0031 （1）步骤110对积分器进行初始化处理，对积分器清零,即INT=0； 0032 （2）步骤120读取速度数字指令信号值R； 0033 （3）步骤130采集由光电编码器送来的速度数字反馈信号值F； 0034 （4）步骤140将速度数字指令信号值和速度数字反馈信号值进行比较得到误差信号值,即ER=R-F； 0035 （5）步骤150对误差信号值进行累加积分,即INT=。

14、INT+ER； 0036 （6）步骤160对累加积分乘以积分系数Ki得积分乘积P1=INT*Ki； 0037 （7）步骤170对速度数字反馈信号值乘以PDF系数Kf得PDF乘积P2=f*Kf； 0038 （8）步骤180将积分乘积P1减去PDF乘积P2得到差值M=P1-P2； 0039 （9）步骤190至220将差值M与计算机数/模转换所对应的上下限数字量进行判别并作相应处理； 0040 （10）步骤230将差值M的数字量信号值转换成模拟量信号值，工作流程同时又返回到步骤120，如此循环不断地对力矩电机调速装置进行控制运行； 0041 （11）步骤240将模拟量控制信号值输入到功率驱动模块。 0042 本发明所提供的力矩电机宽范围调速数字控制装置和控制方法，无需减速机构，不仅实现了力矩电机从零至每分钟几千转范围内的连续可调，而且确保无论高速、低速还是极低速情况下都能平稳运行，具有优良的静态性能和动态性能。说明书CN 102882470 A 1/2页 6 图1 说明书附图CN 102882470 A 2/2页 7 图2 说明书附图CN 102882470 A 。

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