CN112994531A - 一种双电机耦合控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双电机耦合控制装置，包括电流环、速度环、速度耦合反馈环和位置耦合反馈环，电流环作为内环包括电流PID调节器，电流环调节电流输出，使电机输出稳定；速度环作为外环包括速度PID调节器，通过调节电流环的输出电压来调节电机转速；速度耦合反馈环包括速度耦合PID控制器，对双电机的速度进行跟踪，加快速度调节的反应速度，减少速度的偏差，间接减少位置累积误差，进行速度同步；位置耦合反馈环包括位置耦合PID控制器，对双电机输出位置跟踪，对位置参数的耦合，间接加快速度调节的反应速度，减少速度的偏差，进而减少位置累积误差，进行位置同步。本发明能够解决双电机同步运行问题，实现速度与位置的跟踪同步。

Description

一种双电机耦合控制装置
技术领域
本发明属于电子电路领域，涉及一种双电机耦合控制装置。
背景技术
随着社会发展，单电机***难以满足人们的需求，多电机控制应运而生，小到电器家居，大到航空航天，多电机控制技术大放光彩，因此多电机同步控制的研究具有非常重要的现实意义。多电机协调同步控制的方法分为机械方法和电同步控制方法，机械方法难以实现精确控制，已逐渐被淘汰，电同步方法可以实现精度更高、同步控制更精确的控制，因而电同步控制的研究成为多电机同步研究的重点。
“同步”在广义上的解释大致可以分为三类，第一即实现两台电机或多台电机的速度相等，同时以某一速度平稳运行；第二即实现两台电机或多台电机的速度成比例运动，这样保证电机负载按照某一约定函数曲线运行；第三即实现多台电机运动形态完全一致，这种情况是应用场合最为广泛的，当然也是难度最大的。
对于类似双电机升降桌的控制，不但需要保持速度同步，更要保持位置同步，而且允许出现的位置偏差不能过大，以免损坏***。仅依靠执行机构与传动机构难以达到高精度控制，而且电机与齿轮等机构会有磨损，随时间推移，整体***的精确度会不断下降。
现有技术中主要有以下两种方案：
(1)主令并行同步控制策略：一台电机由两个或多个闭环控制，但两台电机之间没有联系，只靠各自执行机构的精确执行来达到同步。
(2)偏差耦合同步控制策略：一台电机由两个或多个闭环控制，同时某子单元电机的速度或位置反馈信息与其它子单元电机的同类反馈信息均做差，再将该差值通过补偿器产生补偿信号，再将补偿信号反馈到主电机或者从电机端，进而控制该两台电机同步运转。
上述现有技术的方案存在以下缺点：
1)主令并行同步控制每个电机都是独立***，一旦某个单元收到干扰，不会对其它单元造成影响，以至于不能达到精确同步控制。
2)偏差耦合同步控制策略每个电机除了独立的闭环之外，单元之间还有耦合反馈，任一个单元出现扰动都会反馈到其它单元上，一定情况下可以达到精确同步控制，但是单耦合反馈环只能对单一指标进行补偿。例如速度耦合反馈只能实现速度跟踪，但是位置信息却不能很好的反馈到其它单元，仅仅实现了速度同步，而位置同步却差强人意。
发明内容
为解决上述问题，本发明的技术方案为：一种双电机耦合控制装置，解决双电机同步运行问题，实现速度与位置的跟踪同步，
包括电流环、速度环、速度耦合反馈环和位置耦合反馈环，其中，
所述电流环作为内环，包括电流PID调节器，在有扰动时，电流环调节电流输出，使电机输出稳定；
所述速度环作为外环，包括速度PID调节器，通过调节电流环的输出电压来调节电机转速；
所述速度耦合反馈环包括速度耦合PID控制器，对双电机的速度进行跟踪，加快速度调节的反应速度，减少速度的偏差，间接减少位置累积误差，进行速度同步；
所述位置耦合反馈环包括位置耦合PID控制器，对双电机输出位置跟踪，对位置参数的耦合，间接加快速度调节的反应速度，减少速度的偏差，进而减少位置累积误差，进行位置同步。
优选地，所述电流环包括依次连接的电流PID调节器、PWM控制器、H桥和电流检测器，电流检测器的输出再经加法器输入电流PID调节器，形成环路。
优选地，所述PWM控制器将电流PID调节器输出转换成PWM波形占空比，H桥将PWM波形转换成对应电压并作为电机的电源。
优选地，所述速度环包括速度PID调节器、位置检测器和微分器，所述速度PID调节器的输出经一加法器输入电流PID调节器，依次经PWM控制器和H桥后输出电压给电机，位置检测器对电机进行位置检测后输出给微分器，微分器经一加法器再反馈输入给速度PID调节器，形成环路。
优选地，所述位置耦合反馈环中的位置耦合PID控制器的输入连接一加法器，该加法器的输出为双电机的位置检测器的输出的差值，速度耦合PID控制器的的输出经两个加法器给双电机的两个速度PID调节器，给其中一个速度PID调节器做负反馈，另一个速度PID调节器做正反馈。
优选地，所述速度耦合反馈环包括速度耦合PID控制器的输入连接一加法器，该加法器的输出为双电机的速度环的微分器的输出的差值，速度耦合PID控制器的的输出给双电机的两个电流PID调节器，其中一个电流PID调节器做负反馈，另一个电流PID调节器做正反馈。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)本发明提出一种双电机同步控制策略，该策略能够让双电机实现位置与速度跟踪，具有位置偏差峰值小、调节时间短、控制精度高的优点；
2)本发明控制策略中有两个偏差耦合反馈(速度同步环和位置同步环)，速度同步环实现速度跟踪，在***受到扰动(或者承受负载不一致)时，速度同步环可以弥补速度差值，让两电机的速度实现跟踪；
3)位置同步环可以实现位置同步。经过时间的积累，速度的偏差所造成的位置偏差会变大，位置同步环可以弥补位置差值，让两电机快速达到平衡态，实现位置的跟踪同步；
附图说明
图1为本发明具体实施例的双电机耦合控制装置的结构框图；
图2为本发明又一具体实施例的双电机耦合控制装置的结构框图；
图3为本发明具体实施例的双电机耦合控制装置的双耦合反馈环下位置误差随动图；
图4为本发明具体实施例的双电机耦合控制装置的三种情况下双电机速度差波形图；
图5为本发明具体实施例的双电机耦合控制装置的三种情况下双电机位置差波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参见图1，所示为本发明实施例的一种双电机耦合控制装置的结构框图，包括电流环、速度环、速度耦合反馈环和位置耦合反馈环，其中，
电流环作为内环，包括电流PID调节器31，在有扰动时，电流环调节电流输出，使电机40输出稳定；
速度环作为外环，包括速度PID调节器11，通过调节电流环的输出电压来调节电机40转速；
速度耦合反馈环包括速度耦合PID控制器12，对双电机40的速度进行跟踪，加快速度调节的反应速度，减少速度的偏差，间接减少位置累积误差，进行速度同步；
位置耦合反馈环包括位置耦合PID控制器20，对双电机40输出位置跟踪，对位置参数的耦合，间接加快速度调节的反应速度，减少速度的偏差，进而减少位置累积误差，进行位置同步。
电流环包括依次连接的电流PID调节器31、PWM控制器32、H桥33和电流检测器34，电流检测器34的输出再经加法器21输入电流PID调节器31，形成环路。
PWM控制器32将电流PID调节器31输出转换成PWM波形占空比，H桥33将PWM波形转换成对应电压并作为电机40的电源，电机40为负载50提供动力。
速度环包括速度PID调节器11、位置检测器13和微分器14，所述速度PID调节器11的输出经一加法器21输入电流PID调节器31，依次经PWM控制器32和H桥33后输出电压给电机40，位置检测器13对电机40进行位置检测后输出给微分器14，微分器14经一加法器21再反馈输入给速度PID调节器11，形成环路。
位置耦合反馈环中的位置耦合PID控制器20的输入连接一加法器21，该加法器21的输出为双电机40的位置检测器13的输出的差值，速度耦合PID控制器12的的输出经两个加法器21给双电机40的两个速度PID调节器11，给其中一个速度PID调节器11做负反馈，另一个速度PID调节器11做正反馈。
速度耦合反馈环包括速度耦合PID控制器12的输入连接一加法器21，该加法器21的输出为双电机40的速度环的微分器14的输出的差值，速度耦合PID控制器12的的输出给双电机40的两个电流PID调节器31，其中一个电流PID调节器31做负反馈，另一个电流PID调节器31做正反馈。
通过上述设置，速度规划10：即速度设定值(可以是固定值)，其值由人为设定，可取最大速度的80％；
位置检测器13与微分器14：位置检测、获得***实时位置，经微分器14转换成实时速度；
PID控制器：位置耦合PID控制器20、速度耦合PID控制器12、速度PID调节器11、电流PID调节器31都是基本PID算法的控制器，PID控制器由比例、积分、微分三项组成，只要调节Kp、Ti、Td三个系数就能调节PID***输出，而输入是所要调节目标的设定值与实际值之差，例如速度PID调节器11输入u(t)就是设定速度与实际速度差值；
PID公式：
Figure BDA0002955335480000061
其中：Kp：控制器的比例系数；Ti：控制器的积分时间，也称积分系数；Td：控制器的微分时间，也称微分系数。
工作过程如下：
(1)通过速度规划10的方式设置速度目标值，并与实际速度值作差；
(2)位置耦合PID控制器20将两电机40位置差值(一电机40位置减去另一电机40位置)转换为速度补偿值，其中只对一速度PID调节器11做负反馈，对另一速度PID调节器11做正反馈，并由(1)所得速度差值与反馈值相加作为速度PID调节器11的输入；
该控制器由于将两电机40实际位置差值作为输入，故而最终能将位置差值消除，实现位置的跟踪，这也是本控制策略最终的目的；
(3)速度耦合PID控制器12将两电机40实际速度差值转换为电流补偿值，该补偿值与速度PID调节器11和实际电流值相加作为电流PID调节器31的输入值；
该控制器由于将两电机40实际速度差值作为输入，故而最终能将速度差值消除，实现速度的跟踪；
(4)PWM控制器32将电流PID调节器31输出转换成PWM波形占空比，H桥33将PWM转换成对应电压并作为电机40的电源。
具体实施例中，要实现速度与位置的同步还可以使用三环偏差同步耦合控制策略，即在电流环和速度环之外再加上一个位置环，但是同步环只使用速度同步环。
参见图2，该位置环作为三环串联的首环，包括两个位置PID调节器22，预定位置100经加法器21输入两个位置PID调节器22，位置PID调节器22的输入是预定位置100与位置检测器13的差值，即设定位置与实际位置的差值，故而最终能将位置差值消除，但由于没有位置耦合环，两电机40都不知道对方的位置信息，其位置差的消除依赖各自执行器的精密控制，即“闷头追赶”，会使得两电机40在较长时间内位置差仍然存在。
双耦合反馈环工作过程与原理：在某单元受到干扰时，速度发生突变，但由于时间短，位置偏差不大，参见图3，此时t1部分主要由速度同步环起作用，实现双电机40的速度跟踪同步，速度的同步一定程度上可以减小位置偏差的累积；经过一段时间的调节后t2部分，位置偏差达到顶峰，此时位置同步环的作用达到最大，调节向着减小位置偏差的方向进行；调节后期t3部分，位置同步环与速度环共同作用使得位置同步的同时速度慢慢同步，最终实现速度与位置的双同步状态。
本发明的技术效果参见图4、图5，波形1为具有双耦合环，波形2为只含速度耦合环，波形3为不含耦合环，三种情况最终都实现了速度的跟踪同步，但是波形2(含速度耦合环)与波形1(含速度和位置耦合环)的最大速度偏差比波形3(不含耦合环)减少了60％；time是时间(s)，min(*)是对应曲线速度差的最小值，max(o)是对应曲线速度差的最大值；图中实线对应双耦合环的速度差，断线对应只含速度环的速度差，虚线对应不含耦合环的速度差。由图可知不含耦合环的速度差的最小值为-34.7，而其它两种情况有明显改善；图中只有双耦合环有正最大值(max)，这是因为要消除位置误差就必须实现速度反超；三种情况在1.5s后都实现了速度差的消除(速度差为零)。
在图5中，波形3(不含耦合环)与波形2(含速度耦合环)最终都不能实现位置的完全同步，但是波形2比波形3的位置偏差减少了70％，而本发明实施例的波形1不但实现了最终位置的完全同步，而且位置最大偏差比波形2减少了65％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双电机耦合控制装置，其特征在于，包括电流环、速度环、速度耦合反馈环和位置耦合反馈环，其中，
所述电流环作为内环，包括电流PID调节器，在有扰动时，电流环调节电流输出，使电机输出稳定；
所述速度环作为外环，包括速度PID调节器，通过调节电流环的输出电压来调节电机转速；
所述速度耦合反馈环包括速度耦合PID控制器，对双电机的速度进行跟踪，加快速度调节的反应速度，减少速度的偏差，间接减少位置累积误差，进行速度同步；
所述位置耦合反馈环包括位置耦合PID控制器，对双电机输出位置跟踪，对位置参数的耦合，间接加快速度调节的反应速度，减少速度的偏差，进而减少位置累积误差，进行位置同步。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流环包括依次连接的电流PID调节器、PWM控制器、H桥和电流检测器，电流检测器的输出再经加法器输入电流PID调节器，形成环路。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述PWM控制器将电流PID调节器输出转换成PWM波形占空比，H桥将PWM波形转换成对应电压并作为电机的电源。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述速度环包括速度PID调节器、位置检测器和微分器，所述速度PID调节器的输出经一加法器输入电流PID调节器，依次经PWM控制器和H桥后输出电压给电机，位置检测器对电机进行位置检测后输出给微分器，微分器经一加法器再反馈输入给速度PID调节器，形成环路。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述位置耦合反馈环中的位置耦合PID控制器的输入连接一加法器，该加法器的输出为双电机的位置检测器的输出的差值，速度耦合PID控制器的的输出经两个加法器给双电机的两个速度PID调节器，给其中一个速度PID调节器做负反馈，另一个速度PID调节器做正反馈。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述速度耦合反馈环包括速度耦合PID控制器的输入连接一加法器，该加法器的输出为双电机的速度环的微分器的输出的差值，速度耦合PID控制器的的输出给双电机的两个电流PID调节器，其中一个电流PID调节器做负反馈，另一个电流PID调节器做正反馈。
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