CN102882463B - 一种力矩电机调速装置中调速控制器的控制参数整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力矩电机调速装置中调速控制器的控制参数整定方法，该方法基于的调速装置由调速指令发生器、调速控制器、功率驱动模块、调速执行机构和速度传感器组成；整定方法的步骤包括：组建调速执行机构参数辨识装置，根据调速执行机构阶跃输出响应特性，辨识调速执行机构的等效粘性阻尼系数和等效惯量，将功率驱动模块最大输出电压除以调速指令的最大值，所得之商进行平方，乘五倍再除以等效惯量，得到调速控制器的积分系数；将调速控制器的积分系数乘以等效惯量再开平反根，乘以二倍，所得之积减去等效粘性阻尼系数得到调速控制器的PDF系数。本发明做到调速控制器控制参数精准整定，确保力矩电机在宽范围内平稳调速。

Description

一种力矩电机调速装置中调速控制器的控制参数整定方法

技术领域：

本发明涉及一种力矩电机宽范围调速装置设计和调试方法，特别涉及一种力矩电机宽范围调速装置中调速控制器的控制参数大小整定方法。

背景技术：

速度调节装置中，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，如机械臂的回转，加工设备的旋转运动，自动化生产线中工件的传送，雷达天线的搜索等。力矩电机调速装置中，调节的变量是机械负载的运动速度。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。究其原因，传统的反馈控制方法或其它控制方法通常的改进措施是对误差增加控制运算。事实上，前向控制回路中对误差每增加一种运算，对调速指令信号和反馈信号同时增加了控制运算。对调速指令信号的每一种运算就相当于在调速装置的动态微分方程的右边增加一个强迫项，使控制装置出现多个强迫项。这样，调速装置输出就不能精确复现调速指令信号。

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之目的，采用新的调速装置是进一步提高调速性能所要解决的问题之一。

目前，力矩电机调速装置公知的现有技术中的调速控制器，其控制参数并不是根据调速执行机构的参数有的放矢进行设计，而是直接采用试凑法或经验法整定调速控制器的控制参数。这就造成调速控制器的控制参数大小的整定存在盲目的现象，力矩电机调速装置的调试费时费力，调速性能难以满足工程要求。因此，力矩电机调速装置设计和调试时，如何根据调速执行机构的特性参数定量地整定调速控制器的控制参数，则是现有技术中有待解决的问题之二。

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，并确保力矩电机速度在可调范围内具有优良的静态和动态性能。提供一种力矩电机调速装置中调速控制器的控制参数整定方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种力矩电机调速装置中调速控制器的控制参数整定方法，该整定方法基于一种力矩电机调速装置由调速指令发生器、调速控制器、功率驱动模块、调速执行机构和速度传感器组成；其中所述调速控制器由比较器、积分器、积分系数乘法器、减法器、PDF（Pseudo-Derivative-Feedback)系数乘法器、PDF跟随器、反馈跟随器和积分饱和限制器组成；所述调速执行机构由力矩电机、联轴节和机械负载组成；比较器、积分器、积分系数乘法器、减法器、功率驱动模块、力矩电机、联轴节、机械负载、速度传感器和反馈跟随器按序顺时针方向环形连接；所述比较器还与所述调速指令发生器连接；所述减法器还依次与PDF系数乘法器、PDF跟随器、速度传感器相连接；所述积分饱和限制器分别与积分系数乘法器的输出和积分器相连接。

所述力矩电机调速装置的性能不仅与调速控制器的结构形式密切相关，而且还受到调速控制器中积分系数和PDF系数这两个控制参数大小的影响。只有准确地整定这两个控制参数的大小，才能使力矩电机获得优良的调速性能。

要准确地整定这两个控制参数的大小，首先要对调速执行机构的特性参数进行定量辨识。“知己知彼，方能百战百胜”，只有在调速执行机构特性参数定量辨识的基础上，才能对调速控制器的控制参数进行定量的准确整定。

本发明的力矩电机调速装置中调速控制器的控制参数整定方法，包括以下步骤：

（1）组建力矩电机调速装置中调速执行机构的参数辨识装置，该装置由阶跃信号发生器、功率驱动模块、调速执行机构、速度传感器和记录仪器组成，所述阶跃信号发生器、功率驱动模块、调速执行机构、机械负载、速度传感器和记录仪器按顺序连接；所述阶跃信号发生器还与记录仪器连接；

（2）利用阶跃输入信号测量调速执行机构的输出响应，记录仪器将阶跃输入信号和调速执行机构输出响应随时间变化过程同时记录下来，直至输出响应达到稳态值；

（3）将阶跃输入信号的幅值除以调速执行机构输出响应的稳态值，辨识出调速执行机构的等效粘性阻尼系数；

（4）获取调速执行机构输出响应达到稳态值的0.632倍处的时间值；

（5）将上述等效粘性阻尼系数和时间值相乘，辨识出调速执行机构的等效惯量；

（6）确定所选功率驱动模块最大输出电压；

（7）根据力矩电机调速要求和实际能够达到的最高转速，设定调速指令信号的最大值；

（8）将功率驱动模块最大输出电压除以调速指令信号的最大值，所得之商进行平方，然后乘以五倍再除以调速执行机构的等效惯量，得到调速控制器的积分系数；

（9）将调速控制器的积分系数乘以等效惯量开平反根，再乘以二倍，所得之积减去调速执行机构的等效粘性阻尼系数得到调速控制器的PDF系数。

本发明的优点和有益效果是：

（1）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的连续调节，缩小调速装置的体积并降低成本。

（2）本发明的调速装置不仅具有调节变量本身状态信息的反馈，而且具有调节变量变化率状态信息的反馈，实现了调节变量两种状态信息的反馈。但是，调速装置中只采用了一种传感器就实现了两种状态信息的反馈，调速控制器的结构具有独到之处，在工程实施中方便易行。

（3）调速控制器的控制参数整定是建立在对调速执行机构特性参数定量辨识的基础上进行的。力矩电机调速装置控制参数的整定有的放矢，减少调速装置控制参数整定的盲目性，提高工作效率。

（4）由于该调速装置中调速控制器与众不同的结构形式，以及控制参数的精准整定，无论是高速运行还是低速运行，都能大幅度提高力矩电机调速装置的静态性能和动态性能。低速和极低速时运行十分平稳，无爬行现象。

附图说明

图1是本发明实施例的力矩电机调速装置构成方框图；

图2是本发明实施例的力矩电机调速装置中调速控制器的控制参数整定方法流程图。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图1和图2对本发明的具体实施例作进一步的详细叙述。

如图1所示，是本发明实施例的力矩电机调速装置构成方框图。该力矩电机调速装置由调速指令发生器110、调速控制器120、功率驱动模块130、调速执行机构140和速度传感器150组成；其中所述调速控制器120由比较器121、积分器122、积分系数乘法器123、减法器124、PDF系数乘法器125、PDF跟随器126、反馈跟随器127和积分饱和限制器128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；所述调速指令发生器110、比较器121、积分器122、积分系数乘法器123、减法器124、功率驱动模块130、力矩电机141、联轴节142、机械负载143、速度传感器150和反馈跟随器127按序顺时针方向连接；所述比较器121还与调速指令发生器110连接，所述减法器124还通过PDF系数乘法器125和PDF跟随器126与速度传感器150连接，所述积分饱和限制器128分别与积分系数乘法器123的输出和积分器122连接。

当调速指令发生器110给出调速指令后，比较器121将其与速度传感器150经反馈跟随器127反馈回来的机械负载143的实际运行速度信号进行比较，产生的误差信号首先由积分器122进行积分运算，然后再由积分系数乘法器123乘以积分系数，这时产生的信号与速度传感器150经PDF跟随器126和PDF系数乘法器125运算后的信号相减，在此实际上实现了速度的变化率——加速度状态信息的反馈。因此，本发明的力矩电机宽范围调速装置比公知的反馈装置实现更多的变量状态信息的反馈，调速性能可大幅度提高。另一个巧妙之处在于，这里既没有采用加速度传感器，也没有对速度信号进行微分运算，但是在控制功能上却实现了加速度的反馈，对于工程实施，方便易行，具有十分重要的意义。调速控制器输出信号然后控制功率驱动模块130向力矩电机提供适时适量的能量，经联轴节对机械负载的运动速度进行调节。功率驱动模块可以是直流功率放大器、双向可控硅整流装置等。

特别应该引起重视的是，调速装置的性能不仅与调速控制装置的结构形式密切相关，而且还与调速控制器中积分系数和PDF系数这两个控制参数密切相关。只有准确地整定这两个控制参数的大小，才能使调速装置获得优良的动态性能和静态性能，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平稳连续调节的目的。

如图2所示，本发明的力矩电机调速装置中调速控制器的控制参数整定方法，包括以下步骤：

（1）第01步，组建调速执行机构参数辨识装置，将图1中的功率驱动模块130、调速执行机构140、速度传感器150并另外增加阶跃信号发生器和记录仪器，组建调速装置中调速执行机构的参数辨识装置，所述阶跃信号发生器、功率驱动模块130、调速执行机构140、速度传感器150和记录仪器按顺序连接；所述阶跃信号发生器还与记录仪器连接；

（2）第02步，利用阶跃输入信号测量调速执行机构的输出响应、记录仪器将阶跃输入信号和执行机构输出响应随时间变化过程同时记录下来，直至输出响应达到稳态值；

（3）第03步，将阶跃输入信号的幅值除以调速执行机构输出响应的稳态值，辨识出调速执行机构的等效粘性阻尼系数；

（4）第04步，获取调速执行机构输出响应达到稳态值的0.632倍处的时间值；

（5）第05步，将上述等效粘性阻尼系数和时间值相乘，辨识出调速执行机构的等效惯量；

（6）第06步，确定所选功率驱动模块最大输出电压；

（7）第07步，根据力矩电机调速要求和实际能够达到的最高转速，设定调速指令信号的最大值；

（8）第08步，将功率驱动模块最大输出电压除以调速指令信号的最大值，所得之商进行平方，然后乘以五倍再除以调速执行机构的等效惯量，得到调速控制器的积分系数；

（9）第09步，将调速控制器的积分系数乘以等效惯量开平反根，再乘以二倍，所得之积减去调速执行机构的等效粘性阻尼系数得到调速控制器的PDF系数。

由上述步骤可见，力矩电机调速装置中调速控制器的控制参数整定时，利用阶跃响应法，首先将调速执行机构的等效粘性阻尼系数和等效惯量辨识出来，然后就可根据所选的其它已知条件，定量确定调速控制器中的控制参数即积分系数和PDF系数的大小。实践证明，本发明所述方法在力矩电机宽范围调速装置设计和调试中不仅可以节省精力和时间，而且可使调速装置获得良好的静态性能和动态性能。不仅高速时能够平稳运行，而且低速和极低速时也能平稳运行，无爬行现象，实现力矩电机无减速机构情况下在宽范围内平稳调速。

Claims (1)

1.一种力矩电机调速装置中调速控制器的控制参数整定方法，该整定方法基于的一种力矩电机调速装置由调速指令发生器、调速控制器、功率驱动模块、调速执行机构和速度传感器组成；其中所述调速控制器由比较器、积分器、积分系数乘法器、减法器、PDF系数乘法器、PDF跟随器、反馈跟随器和积分饱和限制器组成；所述调速执行机构由力矩电机、联轴节和机械负载组成；所述比较器、积分器、积分系数乘法器、减法器、功率驱动模块、力矩电机、联轴节、机械负载、速度传感器和反馈跟随器按序顺时针方向环形连接；所述比较器还与所述调速指令发生器连接；所述减法器还依次与PDF系数乘法器、PDF跟随器、速度传感器相连接；所述积分饱和限制器分别与积分系数乘法器的输出和积分器相连接；其特征是：整定方法包括如下步骤：

（1）组建力矩电机调速装置中调速执行机构的参数辨识装置，该装置由阶跃信号发生器、功率驱动模块、调速执行机构、速度传感器和记录仪器组成，所述阶跃信号发生器、功率驱动模块、调速执行机构、机械负载、速度传感器和记录仪器按顺序连接；所述阶跃信号发生器还与记录仪器连接；

（2）利用阶跃输入信号测量调速执行机构的输出响应，记录仪器将阶跃输入信号和调速执行机构输出响应随时间变化过程同时记录下来，直至输出响应达到稳态值；

（3）将阶跃输入信号的幅值除以调速执行机构输出响应的稳态值，辨识出调速执行机构的等效粘性阻尼系数；

（4）获取调速执行机构输出响应达到稳态值的0.632倍处的时间值；

（5）将上述等效粘性阻尼系数和时间值相乘，辨识出调速执行机构的等效惯量；

（6）确定所选功率驱动模块最大输出电压；

（7）根据力矩电机调速要求和实际能够达到的最高转速，设定调速指令信号的最大值；

（8）将功率驱动模块最大输出电压除以调速指令信号的最大值，所得之商进行平方，然后乘以五倍再除以调速执行机构的等效惯量，得到调速控制器的积分系数；

（9）将调速控制器的积分系数乘以等效惯量开平反根，再乘以二倍，所得之积减去调速执行机构的等效粘性阻尼系数得到调速控制器的PDF系数。