CN109546917A - 针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节***及方法 - Google Patents
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Abstract
针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节***及方法,属于航天伺服电机控制技术领域。本发明通过每个周期内伺服控制驱动器中的控制指令类型判断装置判断伺服控制驱动器接收到控制指令状态,达到可靠退出初始限幅的效果,解决了伺服控制驱动器与上位机之间指令复杂的问题,实现快速限幅器优先级高的目的;并通过改变伺服控制驱动器中输出限幅器,不仅可以实现在初始状态下慢速回零,还能实现推动额定负载的目的。
Description
技术领域
本发明涉及针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节***及方法,具体涉及一种控制基于永磁同步电机的机电作动器的变控制结构控制***及方法,属于航天伺服电机控制技术领域。
背景技术
伺服控制驱动器为伺服控制装置,控制作动器按照上位机发送的相应位置指令实现位置动作。作动器分为永磁同步电机、滚珠丝杠组件、位移传感器几部分。伺服控制驱动器的被控对象为使用永磁同步电机的机电作动器;一个伺服控制驱动器可以控制四个机电作动器。当机电作动器初始位置不在默认位置(零位)时,默认情况下,在伺服控制驱动器的功率部分供电电源(功率电)加电时,伺服控制驱动器会控制机电作动器回归至零位(回零)。
在伺服控制驱动器对作动器实现伺服控制时,需要控制作动器在响应速度上满足一定指标要求。因此在实现阶跃相应,如回零动作时,伺服控制驱动器会在瞬时对功率电产生较大需求。本伺服控制驱动器所使用的功率电电压为160V。在进行阶跃相应时,往往对功率电源电流瞬时需求在20A左右。此时需要地面电源产生约3.2kw的功率输出。然而对于某些条件有限的环境中,其可提供的功率电源的输出能力远远小于20A,仅为1A。若此时机电作动器不在零位,功率电加电时会导致该功率电源频繁保护,即功率电源自动关断,导致本伺服控制驱动器无法正常使用。因此在某些试条件有限的环境中,伺服控制驱动器初始状态的高动态响应会严重影响使用。
若实现以上功能,现有技术为在伺服控制驱动器控制电源加电后,第一时间采集该伺服控制驱动器各个作动器的当前位置,按照每秒1mm的速度向零位执行“自回零”运动。同时监测上位机是否发送“退出自回零”指令。若上位机发出“退出自回零”指令,则伺服控制驱动器进入正式闭环控制。
因此现有控制方法存在以下不足:
1.需要上位机发送“退出自回零”指令,增加了伺服控制驱动器与上位机之间的控制复杂度。
2.伺服控制驱动器需要在控制电源加电后,自动产生指令,使得多路机电作动器以产生指令的速度回归零位。该方式需要伺服控制驱动器增加回零控制指令自动生成算法。该方法需对伺服控制驱动器的每一路负载进行单独控制,同时需要针对不同初始位置自动生产不同的“自回零”指令。该方法需实现一个不同于正常闭环控制的新功能单元,大大增加了控制算法复杂度。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供了一种针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节***及方法,通过每个周期内伺服控制驱动器中的控制指令类型判断装置判断伺服控制驱动器接收到控制指令状态,达到可靠退出初始限幅的效果,解决了伺服控制驱动器与上位机之间指令复杂的问题。
本发明的技术解决方案是:针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节方法,实时检测机电作动器的位置状态,生成位置传感信号,并发送给位置控制器;所述位置控制器实时接收位置传感信号,同时判断是否接收到上位机实时发送的位置控制指令;若未接收到位置控制指令,则将位置控制器的输出发送至第一限幅器,所述第一限幅器对位置控制器的输出进行限幅,使得经第一限幅器限幅后的第一限幅信号依次经过速度闭环和电流闭环后,控制机电作动器以保护速度退回零位;若位置控制器接收到位置控制指令,则将位置控制器的输出发送至第二限幅器,所述第二限幅器根据接收到的位置控制指令对位置控制器的输出进行限幅,使得经第二限幅器限幅后的第二限幅信号依次经过速度闭环和电流闭环后,控制机电作动器以指令速度运动到指令位置;所述位置控制指令为机电作动器运动位置的设定值;所述指令位置为所述位置控制指令对应的位置,所述指令速度的大小与所述第二限幅信号的值相等;所述速度闭环为所述速度控制器、速度传感器和机电作动器构成的速度反馈回路,所述电流闭环为所述电流控制器、电流传感器和机电作动器构成的速度反馈回路。
进一步地,所述位置控制器为PID控制器,所述位置控制器的比例增益为0.5~2。
进一步地,所述第一限幅信号为控制机电作动器转速的归一化值,大小为0.5~1.5。
进一步地,所述保护速度为0.8~1.2mm/s。
进一步地,所述第二限幅信号为控制机电作动器转速的归一化值,大小为2.0~4.0。
进一步地,所述第二限幅信号控制机电作动器从当前位置移动到所述任务指令要求位置的速度为10~14mm/s。
进一步地,所述机电作动器有四个,所述位置控制器分别对四个机电作动器进行控制。
进一步地,所述控制指令的初始值为0。
进一步地,所述机电作动器为永磁同步电机。
进一步地,包括位置控制器、第一限幅器、第二限幅器、位置传感器、速度控制器、速度传感器、电流控制器、电流传感器、机电作动器;
所述速度控制器、速度传感器和机电作动器构成速度闭环,所述电流控制器、电流传感器和机电作动器构成电流闭环;
所述位置传感器实时检测机电作动器的位置状态,生成位置传感信号,并发送给位置控制器;
所述位置控制器实时接收位置传感信号,同时判断是否接收到上位机实时发送的位置控制指令;若未接收到位置控制指令,则将位置控制器的输出发送至第一限幅器,所述第一限幅器对位置控制器的输出进行限幅,使得经第一限幅器限幅后的第一限幅信号依次经过速度闭环和电流闭环后,控制机电作动器以保护速度退回零位;若位置控制器接收到位置控制指令,则将位置控制器的输出发送至第二限幅器,所述第二限幅器根据接收到的位置控制指令对位置控制器的输出进行限幅,使得经第二限幅器限幅后的第二限幅信号依次经过速度闭环和电流闭环后,控制机电作动器以指令速度运动到指令位置;所述位置控制指令为机电作动器运动位置的设定值;所述指令位置为所述位置控制指令对应的位置,所述指令速度的大小与所述第二限幅信号的值相等。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明通过改变伺服控制驱动器中位置控制器的不同输出限幅器,达到对伺服作动器不同运动速度控制的效果。
(2)本发明通过每个周期内伺服控制驱动器中的控制指令类型判断装置判断伺服控制驱动器接收到控制指令状态,达到可靠退出初始限幅的效果,实现快速限幅器优先级高的目的。
(3)本发明通过改变伺服控制驱动器中输出限幅器,不仅可以实现在初始状态下慢速回零,还能实现推动额定负载的目的。
(4)本发明通过改变控制架构的输出限幅器输出值,还达到对最多四路机电伺服作动器的控制效果。
(5)本发明通过改变控制架构的输出限幅器输出值的方法,与传统回零控制方法相比,可达到功能不变,软件代码量减小的效果。
(6)本发明通过改变控制架构的输出限幅器输出值的方法,可达到不需要新增加回零指令即可兼容初始状态和正常闭环状态两种工况,对外部接口没有影响。
(7)本发明通过改变控制架构的输出限幅器输出值的方法,可达到不需要伺服控制驱动器高性能工作条件下,使用小功率驱动电源的目的。
附图说明
图1为本发明所提供的自适应调节方法的功能框图;
图2为本发明所提供的自适应调节方法的硬件连接图;
图3为本发明所提供的自适应调节方法的原理框图图;
图4为本发明所提供的自适应调节方法的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明。
如图1所示,上位机1的输出连接至伺服控制驱动器2的输入端相连,伺服控制驱动器2的输出连接至机电作动器3的输入。机电作动器3存在3个输出,均连接至伺服控制驱动器2的3个不同的输入端。上位机1发送控制指令至伺服控制驱动器2,伺服控制驱动器2接收上位机1发送的控制指令,同时接收机电作动器3的三种反馈信号,经过信号处理后,将输出结果传递至伺服控制驱动器3,控制伺服驱动器执行相关操作。
如图2和图3所示,控制指令101发送到伺服控制驱动器2后,被控制指令类型判断器202和控制指令限幅器201分别接收。控制指令类型判断器202用于区分控制指令101发送的指令类型;并将输出结果发送至位置环输出限幅开关203。位置环输出限幅开关203接收到控制指令类型判断器202传输的结果,控制位置环PID调节器220的输出去向。若控制指令类型判断器202输出的结果为“不是位置指令”,则位置环输出限幅开关203控制位置环PID调节器220的输出至位置环输出限幅器(慢速限幅器)204;若控制指令类型判断器202输出的结果为“是位置指令”,则位置环输出限幅开关203控制位置环PID调节器220的输出至位置环输出限幅器(正常限幅器)205;位置环输出限幅器(慢速限幅器)204和位置环输出限幅器(正常限幅器)205均将输出结果传递至速度环PID调节器206。
其中位置环输出限幅器(正常限幅器)205的作用为:限制正常工作状态下的位置闭环的输出,以防止在位置闭环控制中产生的较大的计算结果,进而影响到速度环PID调节器206的正常工作。位置环输出限幅器(慢速限幅器)204的作用为控制位置闭环的输出足够小,进而限制伺服控制驱动器2的控制能力,以至于其被控对象机电作动器3不会有足够快的速度运动,以实现在没有接收到控制指令时,同时机电作动器3不在初始位置时,可以以慢速向初始位置运动。
控制指令限幅器201在接收到控制指令101后,对控制指令101中的位置指令进行限幅,该限幅器作用为限制位置指令的范围不超过位置环PID调节器220的控制范围。位置环PID调节器220接收到控制指令限幅器201的输出结果后,与执行机构位置解算器223的输出结果进行PID运算,并将输出的结果传递至位置环输出限幅开关203。
速度环PID调节器206在接收到位置环输出限幅器(慢速限幅器)204或位置环输出限幅器(正常限幅器)205的输出结果后,与转速解算器213的输出结果进行PID运算,并将输出的结果传递至速度环输出限幅开关207。转速解算器213接收转子角度解算器221的输出结果,将机电作动器3中的永磁同步电机301的变化的转子角度计算出电机转子转动的速度,用于转速闭环使用。转子角度解算器221接收旋转变压器222的输出结果,将机电作动器3中的永磁同步电机301的转子角度解算,最终用于速度环PID调节器206和坐标转换器217使用。旋转变压器222用于采集机电作动器3中的永磁同步电机301的转子角度。
电流环Iq分量PID调节器208接收坐标转换器217的输出结果和速度环输出限幅器207的输出结果,并将两个结果进行PID运算后将输出结果传递至Iq分量输出限幅器209。Iq分量输出限幅器209对电流环Iq分量PID调节器208的输出结果进行限幅,以防止该计算结果超出SVPWM计算器210的输入范围。
电流环Id分量PID调节器215接收坐标转换器217的输出结果和Id为零204的给定值,并将两个结果进行PID运算后将输出结果传递至Id分量输出限幅器216。Id分量输出限幅器216对电流环Id分量PID调节器215的输出结果进行限幅,以防止该计算结果超出SVPWM计算器210的输入范围。
SVPWM计算器210接收Iq分量输出限幅器209和Id分量输出限幅器216的输出结果,对以上两个结果进行SV运算,将输出的结果传递至PWM生成器211用于生成PWM波。PWM生成器211接收SVPWM计算器210的输出,将其输出转换为PWM波并传递至IGBT 212。IGBT 212接收PWM生成器211的输出结果,将其信号电压值、输出电流放大,以实现对机电作动器3的永磁同步电机301的控制。
对于机电作动器3,其包含永磁同步电机301和作动杆302。永磁同步电机301转动带动螺母与丝杠传动,使作动杆302伸缩,是实现位置运动。线位移传感器224连接于作动杆上,将作动杆的实际位移转换为电信号。执行机构位置解算器223接收线位移传感器224的输出信号,将所接收到的电信号调理,用于位置环PID调节器220使用。
以上实现方法为单路实现方法,对其余机电作动器3的控制方法与单路实现方法一致。
实施例
如图4所示。
1.初始化状态为慢速回零,回到零位后接收到控制指令,跳出自动回零操作,进入正常闭环状态。
如图2和图3所示,当控制指令101没有发送到伺服控制驱动器2,同时四路机电作动器分别在+12mm、+8mm、-5mm、-15mm位置(均不在0mm位置),此时伺服控制驱动器完成初始化同时功率电源加电,伺服***工作,同时将四路机电作动器指令赋值为0mm。此时控制指令类型判断器202判断当前状态为慢速闭环控制状态。控制指令类型判断器202控制位置环输出限幅开关203将控制位置环PID调节器220运算结果输出至位置环输出限幅器(慢速限幅器)204。控制位置环PID调节器220的比例系数Kp范围为0.5至2,以1.1为佳;此时位置环输出限幅器(慢速限幅器)204的限制值范围为0.5至1.5,以1.5为佳。
此时每路误差值不同,以第一路为例,与默认的零指令相比,此时误差为12与比例系数相乘后数值为13.2,经过位置环输出限幅器(慢速限幅器)204的限制后,将输出值限制为1.5。之后将该数值传输值速度环PID调节器206及之后的调整单元,执行速度闭环和电流闭环。此时对应机电作动器的运动速度为1mm/s。其余三路机电作动器的控制方法与第一路相同,但由于每路位置偏差不同,运动到零位的时间不同。
在充足时间以至四路机电作动器均回到零位后,此时若控制指令类型判断器202收到控制指令101发过来的任何指令,包括零指令,会控制位置环输出限幅开关203将控制位置环PID调节器220运算结果输出至位置环输出限幅器(正常限幅器)205,其限制范围为2.0至4.0,以3.8为佳。
以第一路为例,该路已经回到零位,此时收到控制指令为20mm,此时误差为20与比例系数相乘后数值为22,经过位置环输出限幅器(正常限幅器)205,将输出值限制为3.8。之后将该数值传输值速度环PID调节器206及之后的调整单元,执行速度闭环和电流闭环。此时对应机电作动器的运动速度为12mm/s。
2.初始化状态为慢速回零,在其中一路尚未回到零位时接收到控制指令,跳出自动回零操作,进入正常闭环状态。
如图2和图3所示,当控制指令101没有发送到伺服控制驱动器2,同时四路机电作动器分别在+12mm、+8mm、-5mm、-15mm位置(均不在0mm位置),此时伺服控制驱动器完成初始化同时功率电源加电,伺服***工作,同时将四路机电作动器指令赋值为0mm。此时控制指令类型判断器202判断当前状态为慢速闭环控制状态。控制指令类型判断器202控制位置环输出限幅开关203将控制位置环PID调节器220运算结果输出至位置环输出限幅器(慢速限幅器)204。控制位置环PID调节器220的比例系数Kp范围为0.5至2,以1.1为佳;此时位置环输出限幅器(慢速限幅器)204的限制值范围为0.5至1.5,以1.5为佳。此时按照实施例1中开始执行慢速回零过程。
若在第一路向零位运行,并运行值+3mm处时,此时收到第一路控制指令为运行至-5mm位置,控制指令类型判断器202控制位置环输出限幅开关203将控制位置环PID调节器220运算结果输出至位置环输出限幅器(正常限幅器)205,其限制范围为2.0至4.0,以3.8为佳。此时误差为8与比例系数相乘后数值为8.8,经过位置环输出限幅器(正常限幅器)205,将输出值限制为3.8。之后将该数值传输值速度环PID调节器206及之后的调整单元,执行速度闭环和电流闭环。此时对应机电作动器的运动速度为12mm/s,并以该速度运行值-5mm位置。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节方法,其特征在于,实时检测机电作动器的位置状态,生成位置传感信号,并发送给位置控制器;所述位置控制器实时接收位置传感信号,同时判断是否接收到上位机实时发送的位置控制指令;若未接收到位置控制指令,则将位置控制器的输出发送至第一限幅器,所述第一限幅器对位置控制器的输出进行限幅,使得经第一限幅器限幅后的第一限幅信号依次经过速度闭环和电流闭环后,控制机电作动器以保护速度退回零位;若位置控制器接收到位置控制指令,则将位置控制器的输出发送至第二限幅器,所述第二限幅器根据接收到的位置控制指令对位置控制器的输出进行限幅,使得经第二限幅器限幅后的第二限幅信号依次经过速度闭环和电流闭环后,控制机电作动器以指令速度运动到指令位置;所述位置控制指令为机电作动器运动位置的设定值;所述指令位置为所述位置控制指令对应的位置,所述指令速度的大小与所述第二限幅信号的值相等;所述速度闭环为所述速度控制器、速度传感器和机电作动器构成的速度反馈回路,所述电流闭环为所述电流控制器、电流传感器和机电作动器构成的速度反馈回路。
2.根据权利要求1所述的针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节方法,其特征在于:所述位置控制器为PID控制器,所述位置控制器的比例增益为0.5~2。
3.根据权利要求2所述的针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节方法,其特征在于:所述第一限幅信号为控制机电作动器转速的归一化值,大小为0.5~1.5。
4.根据权利要求3所述的针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节方法,其特征在于:所述保护速度为0.8~1.2mm/s。
5.根据权利要求2所述的针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节方法,其特征在于:所述第二限幅信号为控制机电作动器转速的归一化值,大小为2.0~4.0。
6.根据权利要求5所述的针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节方法,其特征在于:所述第二限幅信号控制机电作动器从当前位置移动到所述任务指令要求位置的速度为10~14mm/s。
7.根据权利要求1所述的针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节方法,其特征在于:所述机电作动器有四个,所述位置控制器分别对四个机电作动器进行控制。
8.根据权利要求1所述的针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节方法,其特征在于:所述控制指令的初始值为0。
9.根据权利要求1所述的针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节方法,其特征在于:所述机电作动器为永磁同步电机。
10.针对交流永磁同步电机执行机构的多路调节***,其特征在于:包括位置控制器、第一限幅器、第二限幅器、位置传感器、速度控制器、速度传感器、电流控制器、电流传感器、机电作动器;
所述速度控制器、速度传感器和机电作动器构成速度闭环,所述电流控制器、电流传感器和机电作动器构成电流闭环;
所述位置传感器实时检测机电作动器的位置状态,生成位置传感信号,并发送给位置控制器;
所述位置控制器实时接收位置传感信号,同时判断是否接收到上位机实时发送的位置控制指令;若未接收到位置控制指令,则将位置控制器的输出发送至第一限幅器,所述第一限幅器对位置控制器的输出进行限幅,使得经第一限幅器限幅后的第一限幅信号依次经过速度闭环和电流闭环后,控制机电作动器以保护速度退回零位;若位置控制器接收到位置控制指令,则将位置控制器的输出发送至第二限幅器,所述第二限幅器根据接收到的位置控制指令对位置控制器的输出进行限幅,使得经第二限幅器限幅后的第二限幅信号依次经过速度闭环和电流闭环后,控制机电作动器以指令速度运动到指令位置;所述位置控制指令为机电作动器运动位置的设定值;所述指令位置为所述位置控制指令对应的位置,所述指令速度的大小与所述第二限幅信号的值相等。
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