CN102611376A - 基于控制线圈电流微分反馈的电-机械转换器的控制器 - Google Patents

Abstract

一种基于控制线圈电流微分反馈的电-机械转换器的控制器，它主要包括：采样电阻、微分电路、比例调节电路、信号合成电路和功率放大器；所述的采样电阻与微分电路的输入端口、电-机械转换器的控制线圈分别相连，微分电路的输出端口与比例调节电路的输入端口相连，输入控制信号、比例调节电路的输出端口分别与信号合成电路的输入端口相连，信号合成电路的输出端口与功率放大器的输入端口相连，功率放大器的输出端口与电-机械转换器的控制线圈相连；本发明采用无位移传感器介入的控制线圈电流微分反馈法，实现对电-机械转换器的闭环控制；具有实现方便，结构简单，成本低，效果明显等特点，可用于提高开关型和非开关型等动铁式电-机械转换器的动态响应性能。

Description

基于控制线圈电流微分反馈的电-机械转换器的控制器

技术领域

本发明涉及一种基于控制线圈电流微分反馈的电-机械转换器的控制器。

背景技术

电-机械转换器作为执行元件已广泛应用于电液伺服、机电装备等工业***中，提高其动态响应性能，对于提高***整体性能具有重要意义。除了研究新结构和新材料外，目前已有多种控制策略及控制器被应用以改善电-机械转换器的动态响应性能。

在螺线管电磁铁的驱动中，常采用增大激励初始阶段驱动电流的方法，以及多线圈并联代替单线圈等改进的增大激励初始阶段驱动电流的方法，以提高其响应速度。该方法对提高开关型电-机械转换器的响应速度有一定效果，但对电-机械转换器稳态特性产生不良影响，不适用于非开关型电-机械转换器如永磁力马达、永磁力矩马达等的驱动。

基于位置反馈的闭环控制是提高电-机械转换器动态响应性能的另一种方法。采用LVDT或RVDT等位移传感器实时检测电-机械转换器的位移量并反馈以实现闭环控制，比如：Jinchuan Zheng等人提出的非线性控制法，Lawrence Mianzo等人提出的预测控制法，YangLi等人提出的动态非线性控制策略等，均基于位置反馈。但这些控制策略在某些应用环境下因难以进行位移量的实时检测而无法使用，比如液压阀用电-机械转换器，其周围布满高压油，再如高频永磁力马达和永磁力矩马达的位移量很小，运动件很小且位于大体积金属导体中间，位移传感器的选用和安装存在困难。

Muhammed Fazlur Rahman等人提出了实时位移估值算法，以解决实时位移检测困难情况下的闭环控制，并应用于多相电机和螺线管电磁铁的控制***。但在工业现场中，利用这种估值算法计算所得的位移与实际的实时位移之间的误差无法精确确定，位移估算精度存在不确定性，因此无法用于输出位移仅为几十微米的高频电-机械转换器的闭环控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种实现方便、结构简单、成本低，但效果明显的提高电-机械转换器动态响应性能的基于控制线圈电流微分反馈的电-机械转换器的控制器。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种基于控制线圈电流微分反馈的电-机械转换器的控制器，它主要包括：采样电阻、微分电路、比例调节电路、信号合成电路和功率放大器；所述的采样电阻与微分电路的输入端口、电-机械转换器的控制线圈分别相连，微分电路的输出端口与比例调节电路的输入端口相连，输入控制信号、比例调节电路的输出端口分别与信号合成电路的输入端口相连，信号合成电路的输出端口与功率放大器的输入端口相连，功率放大器的输出端口与电-机械转换器的控制线圈相连；采样电阻实时取样电-机械转换器的控制线圈的电流信号，输出至微分电路，经微分电路变换后得到电-机械转换器的控制线圈的电流微分信号，经比例调节电路变换后，由信号合成电路将其与输入控制信号相叠加，叠加信号经功率放大器放大后输出至电-机械转换器的控制线圈，驱动电-机械转换器动作，形成闭环控制。

所述的微分电路包括：运算放大器、电阻、电容；调整电阻值和电容值，从而调整其时间常数和电-机械转换器的动态响应性能。

所述的比例调节电路包括：运算放大器、电阻；调整其电阻值，从而调整其增益和电-机械转换器的动态响应性能。

本发明具有以下优点及效果：

1、采用控制线圈电流微分信号进行反馈，实现电-机械转换器的闭环控制，显著提高电-机械转换器的动态响应性能；

2、无需昂贵的位移传感器，仅需适当调整微分电路的时间常数和比例调节电路的增益即可实现对电-机械转换器动态性能的优化控制；

3、结构简单，成本低，容易实现，适用于开关型与非开关型等各类动铁式电-机械转换器的控制。

附图说明

图1为本发明的工作原理框图；

图2为本发明应用实施例高频永磁力矩马达的结构示意图；

图3为本发明的控制性能曲线；

图4为本发明微分电路的时间常数对控制性能的影响；

图5为本发明比例调节电路的增益对控制性能的影响；

图中的标号有：信号合成电路1，比例调节电路2，功率放大器3，微分电路4，电-机械转换器5(图中仅示出其控制线圈)，采样电阻6，底座7，左导磁体8，衔铁9，扭轴10，控制线圈11，右导磁体12，永久磁钢13，磁通旁路调整机构14，输入控制信号15，电流微分信号16，开环控制的阶跃响应曲线17，本发明的阶跃响应曲线18，不同时间常数时的阶跃响应特性曲线19，不同增益时的阶跃响应特性曲线20。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1所示，本发明主要包括采样电阻6、微分电路4、比例调节电路2、信号合成电路1和功率放大器3；所述的采样电阻6与微分电路4的输入端口、电-机械转换器5的控制线圈分别相连，微分电路4的输出端口与比例调节电路2的输入端口相连，输入控制信号、比例调节电路2的输出端口分别与信号合成电路1的输入端口相连，信号合成电路1的输出端口与功率放大器3的输入端口相连，功率放大器3的输出端口与电-机械转换器5的控制线圈相连。采样电阻实时取样电-机械转换器的控制线圈的电流信号，输出至微分电路，经微分电路变换后得到电-机械转换器的控制线圈的电流微分信号，经比例调节电路变换后，由信号合成电路将其与输入控制信号相叠加，叠加信号经功率放大器放大后输出至电-机械转换器的控制线圈，驱动电-机械转换器动作，形成闭环控制。

所述的微分电路4包括：运算放大器、电阻、电容(图中均未示出)，调整电阻值和电容值，从而调整其时间常数和电-机械转换器5的动态响应性能。

所述的比例调节电路3包括：运算放大器、电阻(图中均未示出)，调整其电阻值，从而调整其增益和电-机械转换器5的动态响应性能。

采用本发明对如图2所示的高频永磁力矩马达实施控制。高频永磁力矩马达由永久磁钢13、左导磁体8、右导磁体12、衔铁9、控制线圈11、扭轴10、磁通旁路调整装置14和底座7组成；衔铁9固定在扭轴10上，左导磁体、右导磁体与衔铁共同形成四个气隙δ₁，δ₂，δ₃和δ₄；永久磁钢13产生极化磁场，使衔铁9工作在最佳工作段；通过调整使得衔铁9在控制线圈11未通电时，在磁场中处于中位和相对平衡状态，各气隙的长度相等；当控制线圈11输入一定极性的电流时，产生控制磁场，控制磁场与极化磁场差动叠加，气隙δ₁，δ₄的磁场增强，而δ₂，δ₃的减弱，衔铁9受力不再平衡，在电磁力矩的作用下，克服扭轴10的弹力矩和负载力矩，向磁场增强方向转动一个角度，直至电磁力矩与扭轴10的弹力矩和负载力矩达到平衡为止；当输入电流极性相反时，衔铁9将向另一方向转动。高频永磁力矩马达是典型的二阶***，其衔铁9的运动方程为：

$M=J\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+B\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{K\θ}---\left(1\right)$

式中，M为电磁力矩；J为衔铁9的转动惯量；K为扭轴10形成的高刚度弹簧的刚度；B为粘性阻尼系数；θ为衔铁9的转角。

电磁力矩由磁场能量产生，由虚功原理得：

$M=\frac{\∂\mathrm{\λ}(\mathrm{\θ},i)}{\∂\mathrm{\θ}}i---\left(2\right)$

式中，λ为磁链。

假定以电压方式驱动控制线圈11，则高频永磁力矩马达的电路方程为：

$V=\mathrm{Ri}+(L_e+\frac{\∂\mathrm{\λ}}{\∂i})\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\frac{\∂\mathrm{\λ}}{\∂\mathrm{\θ}}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

式中，V为输入控制线圈11的电压；R为控制线圈11的电阻；i为控制线圈11的电流；电感项L_e代表磁链。综合式(1)、式(2)和式(3)得：

$\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=(V-\mathrm{Ri}-E(\mathrm{\θ},i)\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}})L{(\mathrm{\θ},i)}^{-1}---\left(4\right)$

由式(4)可见，控制线圈11的电流微分信号

与衔铁9的运动速度、位移及控制线圈11的电流等参数相关，包含了衔铁9的速度、位移等运动量的信息，因此，在不使用位移传感器的情况下，以控制线圈11的电流微分

作为反馈信号可以取得良好的控制效果。

图3所示，输入控制信号15为电压为4V的阶跃信号，微分电路4的时间常数为0.01ms，比例调节电路2的增益为15；采样电阻6实时取样电-机械转换器5的控制线圈11的电流信号，输出至微分电路4，经微分电路4变换后得到电-机械转换器5的控制线圈11的电流微分信号16，经比例调节电路2变换后，由信号合成电路1将其与输入控制信号15相叠加，叠加信号经功率放大器3放大后输出至电-机械转换器5的控制线圈11，驱动电-机械转换器5动作，形成闭环控制，电流微分信号16在输入控制信号15上升的初始阶段迅速上升，然后又迅速下降并趋于稳定，电-机械转换器5的阶跃响应上升时间为0.20ms(参见曲线18)，比开环控制时的0.8ms(参见曲线17)大大减小，电-机械转换器5的动态响应性能得到了提高。

图4示出了微分电路4的时间常数T为0，0.005，0.01和0.015时的一组阶跃响应曲线19，微分电路4的时间常数T越大，电-机械转换器5的阶跃响应的上升时间越短，响应速度越快，但是，当微分电路4的时间常数T过大时，会出现超调甚至震荡。

图5示出了比例调节电路2的增益K为0，5，10，15和20时的一组阶跃响应曲线20，比例调节电路2的增益K越大，电-机械转换器5的阶跃响应的上升时间越短，响应速度越快，但是，当比例调节电路2的增益K过大时，会出现超调甚至震荡。

因此，采用本发明时应适当选择微分电路4的时间常数T和比例调节电路2的增益K这两个关键参数以达到最优控制。

Claims (3)

1.一种基于控制线圈电流微分反馈的电-机械转换器的控制器，它主要包括：采样电阻（6）、微分电路（4）、比例调节电路（2）、信号合成电路（1）和功率放大器（3）；其特征在于所述的采样电阻（6）与微分电路（4）的输入端口、电-机械转换器（5）的控制线圈分别相连，微分电路（4）的输出端口与比例调节电路（2）的输入端口相连，输入控制信号、比例调节电路（2）的输出端口分别与信号合成电路（1）的输入端口相连，信号合成电路（1）的输出端口与功率放大器（3）的输入端口相连，功率放大器（3）的输出端口与电-机械转换器（5）的控制线圈相连；采样电阻（6）实时取样电-机械转换器（5）的控制线圈的电流信号，输出至微分电路（4），经微分电路（4）变换后得到电-机械转换器（5）的控制线圈的电流微分信号，经比例调节电路（2）变换后，由信号合成电路（1）将其与输入控制信号相叠加，叠加信号经功率放大器（3）放大后输出至电-机械转换器（5）的控制线圈，驱动电-机械转换器（5）动作，形成闭环控制。

2.根据权利要求1所述的基于控制线圈电流微分反馈的电-机械转换器的控制器，其特征在于所述的微分电路（4）包括：运算放大器、电阻、电容；调整电阻值和电容值，从而调整其时间常数和电-机械转换器（5）的动态响应性能。

3.根据权利要求1所述的基于控制线圈电流微分反馈的电-机械转换器的控制器，其特征在于所述的比例调节电路（2）包括：运算放大器、电阻；调整其电阻值，从而调整其增益和电-机械转换器（5）的动态响应性能。

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