CN103986375A - 基于电枢电流检测与实现多电机同步性方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于电枢电流检测与实现多电机同步性方法，属于电机控制技术领域。该方法具体步骤如下：1)直流电机驱动芯片采样电枢电流信号；2)在计算机上绘制出电枢电流脉动分量的波形，根据电枢电流脉动分量与电机转速的关系检测出电机的转速，并记录电枢电流直流分量的大小；3)设计模糊PID控制器；4)利用步骤3)设计的模糊PID控制器计算出当前控制量并输送到电机驱动器；5)再利用脉宽调制技术PWM对电机转速进行调控，从而实现多台电机的速度同步和位置同步。本发明结构简单、调节方便、可靠性高，运用电枢电流脉动分量检测多电机的速度同步性，没有使用传感器等外部装置。

Description

基于电枢电流检测与实现多电机同步性方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种基于电枢电流检测与实现多电机同步性方法。

背景技术

随着科学技术的快速发展,对各种机械性能和产品质量的要求也在逐渐提高,单单针对一台电机的控制已经不能满足现代技术发展的需求,而需要人们对多台电机进行同步控制。电机的转速是对多台电机实施同步控制的重要参数之一，因此要涉及到对电机转速的检测和调节。

目前国内外检测电机转速的方法很多，按照不同的理论先后产生过模拟测速法、同步测速法以及计数测速法。传统的电机转速检测是在发电机上安装辅助传感设备，包括有光电式(安装光电数字脉冲编码器等光电测速元件)，电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。但是在测量微型直流电机转速时，外加装置测量转速尤为不便，且增加了生产成本。

对直流电机的转速进行调节就是改变电机电枢电流的直流分量。目前，直流电机调速有多种控制算法，应用最多的是PID(Proportion比例、Integration积分、Differentiation微分)控制算法。传统的PID控制器是工业控制中应用最广泛最基本的一种控制器，具有结构简单、稳定性好、可靠性高、调整方便等优点，并且PID调节规律对相当多的工业控制对象，特别是对于线性定常***的控制非常有效。但是多电机驱动***这一“广义控制对象”具有非线性、不完整性、不确定性及模糊性等特征，其精确数学模型不易获得，并且在设计控制***过程中，这类***也无法完全满足经典控制理论和现代控制理论所提出的较为苛刻的条件假设。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于电枢电流检测与实现多电机同步性方法，它利用电枢电流的脉动分量来反映电机的速度同步性，对电机进行测速；利用电枢电流直流分量来反映电机负载的位置同步性，并采用模糊PID作为位置同步补偿的控制算法，并通过脉宽调制技术PWM对电机进行调速；从而达到多电机的速度同步与位置同步。

一种基于电枢电流检测与实现多电机同步性方法，具体步骤如下：

1)直流电机驱动芯片采样电枢电流信号，去除干扰信号后得到影响电机同步运行的电枢电流脉动分量和电枢电流直流分量；

2)在计算机上绘制出电枢电流脉动分量的波形，根据电枢电流脉动分量与电机转速的关系检测出电机的转速，并记录电枢电流直流分量的大小；

3)设计模糊PID控制器，即设计出利用模糊控制器在线整定PID控制器参数的自适应模糊PID控制器；

4)利用步骤3)设计的模糊PID控制器计算出当前控制量并输送到电机驱动器；

5)再利用脉宽调制技术PWM对电机转速进行调控，从而实现多台电机的速度同步和位置同步。

进一步的，步骤2)中所述电枢电流脉动分量与电机转速的关系式为：

$f_n=\frac{C\·K\·n\·P}{60}$

其中，f_n——电流脉动频率(Hz)；

K——换向器片数；

n——电机转速(r/min)；

P——极对数；

C——由换向片数的奇偶所决定的系数，K为偶数时C＝1，K为奇数时C＝2。

进一步的，所述的模糊PID控制器的电路设计结构为：

利用电枢电流直流分量的大小反映负载的大小，并根据负载实际行程偏差e和偏差变化率e_c作为输入变量，经模糊控制器处理后将参数值K_p、K_i、K_d输入到PID控制器中,由PID控制器连接直流电机的电机驱动器后得到输出变量，且输出变量经速度检测电路进行负反馈调节。

进一步的，所述模糊PID控制器的控制算法实现步骤如下：

4-1)输入、输出变量的模糊化，具体为：

选取模糊PID控制器的输入变量和输出变量，其中输入变量为电机负载实际行程偏差e和偏差变化率e_c，输出变量为PID控制器三个参数的修正量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d；

定义输入、输出变量的论域；

根据输入、输出变量的情况，确定其模糊化的语言变量及其语言值；

在各语言变量的所属论域上定义其语言值的隶属函数，并利用隶属函数计算语言值的隶属度；

4-2)建立模糊PID控制器的控制规则，即根据对模糊PID控制器的设计经验，总结得出模糊规则；

4-3)输出变量的解模糊化，即根据输出变量的模糊化语言值的隶属度计算输出的确定值；

4-4)建立模糊控制表。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1、结构简单、调节方便、可靠性高，运用电枢电流脉动分量检测多电机的速度同步性，没有使用传感器等外部装置；

2、通过电枢电流直流分量检测每个负载的大小，负载的差值反映电机负载位置同步性；

3、通过模糊PID控制，减小了超调和缩短了响应时间，同时具有一定的鲁棒性；

4、利用脉宽调制技术PWM改变电机电枢上电压的占空比，从而改变平均电压，控制电机的转速，最终实现多台电机的同步运转。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明基于电枢电流检测与实现多电机同步性方法的流程图；

图2为模糊PID控制器结构图；

图3为PWM实现程序流程图。

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。

本发明首先利用直流电机驱动芯片采样电枢电流信号，得到影响电机同步运行电枢电流分量，包括有电枢电流直流分量与电枢电流脉动分量。通过电枢电流脉动分量与电机转速的关系可检测电机转速，从而反映出电机的速度同步性。设计出模糊PID控制器，利用电枢电流直流分量的大小反映负载的大小，并根据电机负载实际行程值偏差e和偏差变化率e_c输出相应的PID控制器的参数值K_p、K_i、K_d。模糊PID控制器根据得到的参数值计算出当前控制量并将其送入电机驱动器，再利用脉宽调制技术PWM对电机转速进行调控，最终实现多台电机的速度与位置同步。

图1为电枢电流脉动分量的波形图，参照图1，一种基于电枢电流检测与实现多电机同步性方法，具体步骤如下：

1)直流电机驱动芯片采样电枢电流信号，去除干扰信号后得到影响电机同步运行的电枢电流脉动分量和电枢电流直流分量；

2)在计算机上绘制出电枢电流脉动分量的波形，根据电枢电流脉动分量与电机转速的关系检测出电机的转速，并记录电枢电流直流分量的大小；

3)设计模糊PID控制器，即设计出利用模糊控制器在线整定PID控制器参数的自适应模糊PID控制器；

4)利用步骤3)设计的模糊PID控制器计算出当前控制量并输送到电机驱动器；

5)再利用脉宽调制技术PWM对电机转速进行调控，从而实现多台电机的速度同步和位置同步。

其中，步骤2)中所述电枢电流脉动分量与电机转速的关系为：

$f_n=\frac{C\·K\·n\·P}{60}$

其中，f_n——电流脉动频率(Hz)；

K——换向器片数；

n——电机转速(r/min)；

P——极对数；

C——由换向片数的奇偶所决定的系数，K为偶数时C＝1，K为奇数时C＝2。

在计算机上可以获得电枢电流脉动频率f_n，通过以上公式，便可检测到电机转速n，即可得知电机是否速度同步。

其中，步骤3)中所述的模糊PID控制器的结构为：

利用电枢电流直流分量的大小反映负载的大小，并根据负载实际行程偏差e和偏差变化率e_c作为输入变量，经模糊控制器处理后将参数值K_p、K_i、K_d输入到PID控制器中,由PID控制器连接直流电机的电机驱动器后得到输出变量，且输出变量经速度检测电路进行负反馈调节。其具体结构如图2所示。

所述模糊PID控制器的控制算法实现步骤如下：

4-1)输入、输出变量的模糊化，具体为：

选取模糊PID控制器的输入变量和输出变量，其中输入变量为电机负载实际行程偏差e和偏差变化率e_c，输出变量为PID控制器三个参数的修正量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d；

定义输入、输出变量的论域；

根据输入、输出变量的情况，确定其模糊化的语言变量及其语言值；

在各语言变量的所属论域上定义其语言值的隶属函数，并利用隶属函数计算语言值的隶属度；

4-2)建立模糊PID控制器的控制规则，即根据对模糊PID控制器的设计经验，总结得出模糊规则；

4-3)输出变量的解模糊化，即根据输出变量的模糊化语言值的隶属度计算输出的确定值；

4-4)建立模糊控制表。

本发明的具体实施方法包括以下几个方面：

一、输入变量的模糊化

1)模糊PID控制器的输入变量选取电机负载实际行程值偏差e和偏差变化率e_c；

2)根据偏差e和偏差变化率e_c的实际论域，将其进行离散化E和Ec的论域：

E＝Ec＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

3)模糊化的语言变量的语言值可根据电机的实际负载大小，设电机的正向运行为“正”，反向运行为“负”，具体为：

“负大”(NB)：[-6，-4]，反向运行特大；

“负中”(NM)：[-4，-2]，反向运行较大；

“负小”(NS)：[-2，0]，反向运行较小；

“零”(ZE)：[0，0]，正中；

“正小”(PS)：[0，2]，正向运行较小；

“正中”(PM)：[2，4]，正向运行较大；

“正大”(PB)：[4，6]，正向运行特大；

则确定的语言值为：“负大”、“负中”、“负小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”七个语言变量，模糊PID控制器的输入量语言值模糊子集选取为：

{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}

4)各语言变量的论域上定义其语言值的隶属函数：

设E、Ec的隶属度函数同为三角函数分布，表示启闭机副轴的离散形式行程小于-5时，其语言规则都可表示为“负大”(NB)；当其行程在4-5期间时，其语言规则都可表示为“正大”(PB)；由此可以用语言将启闭机副轴的整个行程表示出来。

二、输出变量的模糊化

模糊PID控制器中PID控制器是用模糊控制器校正的，因此输出变量选为PID控制器三个参数的修正量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d。定义输出变量论域为：

K_p的论域为：{-0.3，-0.2，-0.1，0，0.2，0.2，0.3}

K_i的论域为：{-0.06，0.04，0.02，0，0.02，0.04，0.06}

K_d的论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}

同输入变量选取相似，可定义模糊PID控制器的输出变量语言值模糊子集为：

{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}

隶属度函数及其意义同输入变量选取相同，利用模糊语言对输出量进行表述。

三、建立确定模糊PID控制器的控制规则

模糊PID控制器就是不同时刻的输入变量的组合与PID控制器的参数K_p、K_i、K_d之间的控制关系。***运行时，根据不同的输入变量组合，控制器根据控制规则给出K_p、K_i、K_d的变化量，达到好的控制效果。控制规则一般规律为：

1)***偏差较大时，选用较大的K_p值，使***响应速度增快；使用较小的K_d值，避免应突然过大的偏差引起的微分饱和，产生过控制作用；令K_i值取零，防止***出现的过超调，去掉积分作用；

2)***偏差和偏差变化率中等大时，选用较小的K_p，减小***超调；使用适中的K_i值；也选用适中的K_d值，保证***响应速度；

3)***偏差较小时，适当增大K_p和K_i的值；K_d只得选取在此处显得较为重要，它影响***的抗干扰性与振荡；当较大，取较小的K_d值，当较小时，可适当增大K_d的值；

4)当***偏差变化率较大时，适当减小K_p值，加大K_i值。

利用以上原理用e、e_c、K_p、K_i、K_d来描述模糊PID控制规则，得：

If(e is NB)and(e_c is NB)then(K_p is PB)(K_i is NB)(K_d is PS)

If(e is NB)and(e_c is NM)then(K_p is PB)(K_i is NB)(K_d is NS)

If(e is NB)and(e_c is NS)then(K_p is PM)(K_i is NM)(K_d is NB)

If(e is NB)and(e_c is Z)then(K_p is PM)(K_i is NM)(K_d is NB)

If(e is NB)and(e_c is PS)then(K_p is PS)(K_i is NS)(K_d is NB)

......

因此，根据e和e_c语言值的模糊子集可分别得到K_p、K_i、K_d的49条模糊规则，具体模糊控制规则根据实际现场调试进行制定。

四、***输出量的解模糊化

本发明采用重心法进行解模糊化，由得到的模糊控制规则，根据***计算的偏差及偏差变化率可得***的输出量。其中ΔK_p模糊控制规则的隶属度μ_Δp1由以下公式求得：

μ_Δp1＝μ_NB(E)*μ_NB(Ec)

其中，μ_NB(E)为偏差的隶属度值，μ_NB(Ec)为偏差变化率的隶属度值，*是取小运算符，上式可写为：

μ_Δp1＝min{μ_NB(E),μ_NB(Ec)}

ΔK_p在不同偏差与偏差变化率下的其他隶属度函数也可类似求出。

在某一输入量下，输出量ΔK_p的值为：

$\mathrm{\Δ}{K}_p=\frac{\underset{j=1}{\overset{49}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{pj}}\left(\mathrm{\Δ}{K}_p\right)\·\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{pj}}}{\underset{j=1}{\overset{49}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{pj}}\left(\mathrm{\Δ}{K}_p\right)}$

其中，u_pj(ΔK_p)(j＝1,2…49)为某时刻E和Ec的隶属度对应的ΔK_p的各种组合隶属度，ΔK_pj为论域K_p上的实数值。类似的，ΔK_i、ΔK_d的隶属度可由类似过程求出。由上述过程推导出的输出值是模糊量，乘以比例因子之后才能应用于PID控制器的参数修正。

PID控制器的调整控制式为：

K_p＝K_p0+ΔK_p、K_i＝K_i0+ΔK_i、K_d＝K_d0+ΔK_d

其中，K_p0、K_i0、K_d0为K_p、K_i、K_d的初始值，ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d为控制其输出的调整值。PID控制器计算出当前控制量，并将其送入电机驱动器实现电机调速。

图3为PWM实现程序流程图，采用脉宽调制技术PWM对电机转速进行调控，若以AVR单片机作为控制主体则实现转速调控的程序流程参照图3，包括1、定时器T0中断；2、定时器T0赋初值；3、Lset用来控制低电平脉冲的时间，Allset-Lset用来控制高电平脉冲的时间，同时通过控制定时器的定时时间即可实现方波周期的变化，至此主程序通过控制定时器中断的执行次数即可产生占空比和周期可调的方波信号。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于电枢电流检测与实现多电机同步性方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)直流电机驱动芯片采样电枢电流信号，去除干扰信号后得到影响电机同步运行的电枢电流脉动分量和电枢电流直流分量；

2)在计算机上绘制出电枢电流脉动分量的波形，根据电枢电流脉动分量与电机转速的关系检测出电机的转速，并记录电枢电流直流分量的大小；

3)设计模糊PID控制器，即设计出利用模糊控制器在线整定PID控制器参数的自适应模糊PID控制器；

4)利用步骤3)设计的模糊PID控制器计算出当前控制量并输送到电机驱动器；

5)再利用脉宽调制技术PWM对电机转速进行调控，从而实现多台电机的速度同步和位置同步。

2.如权利要求1所述的基于电枢电流检测与实现多电机同步性方法，其特征在于，步骤2)中所述电枢电流脉动分量与电机转速的关系式为：

$f_n=\frac{C\·K\·n\·P}{60}$

其中，f_n——电流脉动频率(Hz)；

K——换向器片数；

n——电机转速(r/min)；

P——极对数；

C——由换向片数的奇偶所决定的系数，K为偶数时C＝1，K为奇数时C＝2。

3.如权利要求1所述的基于电枢电流检测与实现多电机同步性方法，其特征在于，所述的模糊PID控制器的电路设计结构为：

利用电枢电流直流分量的大小反映负载的大小，并根据负载实际行程偏差e和偏差变化率e_c作为输入变量，经模糊控制器处理后将参数值K_p、K_i、K_d输入到PID控制器中,由PID控制器连接直流电机的电机驱动器后得到输出变量，且输出变量经速度检测电路进行负反馈调节。

4.如权利要求1所述的基于电枢电流检测与实现多电机同步性方法，其特征在于，所述模糊PID控制器的控制算法实现步骤如下：

4-1)输入、输出变量的模糊化，具体为：

选取模糊PID控制器的输入变量和输出变量，其中输入变量为电机负载实际行程偏差e和偏差变化率e_c，输出变量为PID控制器三个参数的修正量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d；

定义输入、输出变量的论域；

根据输入、输出变量的情况，确定其模糊化的语言变量及其语言值；

在各语言变量的所属论域上定义其语言值的隶属函数，并利用隶属函数计算语言值的隶属度；

4-2)建立模糊PID控制器的控制规则，即根据对模糊PID控制器的设计经验，总结得出模糊规则；

4-3)输出变量的解模糊化，即根据输出变量的模糊化语言值的隶属度计算输出的确定值；

4-4)建立模糊控制表。