一种电－机械转换器的双模控制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种电－机械转换器的双模控制器，包括：包括控制芯片、数模转换器DAC、滞环比较PWM调制器、电流信号调理电路、差分正交信号调理电路、信号切换开关、H桥驱动模块、保护电路、电?机械转换器、温度传感器、电流传感器、数字光栅尺，输入信号和反馈信号被信号调理电路处理后送入控制芯片，经控制芯片判断和运算后得到控制信号，控制信号送入H桥驱动器驱动电－机械转换器达到预期控制目标，其中控制芯片根据误差信号的大小在PID闭环控制和时间最优的Bang?Bang控制两种控制模式中切换，以实现高响应特性且不损失精度的控制目标。
【专利说明】
一种电一机械转换器的双模控制器
技术领域
[0001]本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种满足动圈式电一机械转换器的高响应控制性能的双模控制器。
【背景技术】
[0002]电一机械转换器(微小型直线电机)是电液比例控制元件的关键部件，它可将外界输入的电气信号(电流或电压)连续成比例地转换成机械量(力或位移)，其动态特性直接影响着液压执行器的关键特性。动圈式电一机械转换器以其高线性、小滞环和较好的响应特性而受到广泛的关注，是一种在高频响、高精度场合下很有发展的驱动元件，但是由于其运动部件惯性大，导致电信号的连续控制特性不够好、线性度差、精度低、单向输出、响应慢，灵敏度低，多用于低频和低精度控制场合。
[0003]传统上广泛采用PID控制器对其进行控制，然而PID控制器限于响应速度、超调量和噪音干扰等矛盾难以使其性能达到最大发挥。随着自动控制技术和信息技术的高速发展，对各类自动控制系统的定位精度和响应速度提出了更高的要求。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种针对动圈式电一机械转换器的双模控制器，大幅缩短了阶跃输入下的过渡时间，在不牺牲控制精度和稳定性的前提下进一步缩短了电一机械转换器的响应时间。
[0005 ]本发明通过以下技术手段解决上述问题:
[0006]—种电一机械转换器的双模控制器，包括控制芯片、数模转换器DAC、滞环比较PWM调制器、电流信号调理电路、差分正交信号调理电路、信号切换开关、H桥驱动模块、保护电路、电-机械转换器、温度传感器、电流传感器、数字光栅尺;所述控制芯片与数模转换器DAC、信号切换开关、差分正交信号调理电路连接，接收位移指令和输出位移信号;所述数模转换器DAC与控制芯片、滞环比较PffM调制器连接，接收控制芯片输出的数字信号，转换后输出为滞环比较PWM调制器可接受的电压信号;所述滞环比较P丽调制器与数模转换器DAC^流信号调理电路、信号切换开关连接，将数模转换器DAC和电流信号调理电路的输出比较后输出Pmi脉冲;所述电流信号调理电路和电流传感器连接，接收电流传感器的输出信号，按所需放大;所述差分正交信号调理电路与控制芯片和数字光栅尺连接，接收数字光栅尺发出的信号，经调理后转换为控制芯片可接受的单端编码脉冲;所述信号切换开关输入端与控制芯片和滞环比较P丽调制器连接，输出端与H桥驱动模块连接，可以在控制芯片的控制下切换选取需要的控制信号;所述H桥驱动模块与信号切换开关和电-机械转换器各组线圈连接，接收选定的控制脉冲，将控制脉冲放大为功率信号驱动电-机械转换器工作;所述保护电路与电流信号调理电路、温度传感器、H桥驱动模块连接，当发生异常时，将H桥驱动模块关断起到保护作用。
[0007]进一步地，所述控制芯片包括决策逻辑、PID控制器、Bang-Bang控制器、以及存储当前位移的正交脉冲计数器，所述决策逻辑始终比较输入位移和输出位移之差，并据此误差控制信号选择开关;所述PID控制器根据位移误差的大小，经过比例、积分、微分运算后得出修正量，所述修正量经过数模转换器DAC和滞环比较HVM调制器变换后得到H桥驱动模块的驱动信号;所述Bang-Bang控制器根据位移误差的大小和被控制的电-机械转换器连同其所带负载的机械、电气数学模型计算后直接得到H桥驱动模块的控制信号，并以时间最短为优化指标。
[0008]进一步地，所述控制芯片还包括辅助单元:上电复位逻辑、对外接口逻辑。
[0009]优选地，所述控制芯片在硬件上采用DSP或FPGA。
[0010]优选地，滞环比较PWM调制器以滞回比较器为核心产生PffM脉冲去稳定和调整线圈电流。
[0011]优选地，所述滞环比较PWM调制器、电流信号调理电路、信号切换开关、H桥驱动模块、保护电路在硬件上可有多组，可并行工作以满足多线圈电-机械转换器的需求。
[0012]优选地，所述温度传感器选热敏电阻，所述电流传感器选霍尔电流传感器，所述数字光栅尺的测量头与电-机械转换器直接相连，输出信号经差分正交信号调理电路调理后由正交脉冲计数器解码得出位移。
[0013]与现有技术相比，本发明的电一机械转换器的双模控制器有Bang-Bang和PID两套控制算法，其决策逻辑在大误差阶段对被控电-机械转换器应用Bang-Bang控制算法，以时间最短作为控制目标;在小误差阶段对被控电-机械转换器应用PID闭环算法以补偿误差，这样的双模控制法大大缩短了总控制时间，同时也保留了精度。
【附图说明】
[0014]图1是本发明被控对象电一机械转换器的控制原理图；
[0015]图2是本发明的电一机械转换器的双模控制器的电路图；
[0016]图3是对细菌觅食算法中趋向操作的改进流程图。
[0017]图中附图标记:
[0018]10、控制芯片20、数模转换器30、滞环比较PffM调制器40、信号切换开关50、H桥驱动模块60、保护电路70、电流信号调理电路80、差分正交信号调理电路101、决策逻辑、102、Bang-Bang控制器、103、PID控制器、104、正交脉冲计数器901、电一机械转换器、902、温度传感器、903、电流传感器、904、数字光栅尺
【具体实施方式】
[0019]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
[0020]图1为本发明的被控对象电一机械转换器的控制原理图，输入信号经控制器处理后，加载到控制线圈，载流控制线圈连同绕线筒在永磁体提供的恒定磁场中，受电磁力作用而产生位移，动圈组件由位置传感器检测位置误差，补偿到输入信号，以保证动圈组件保持在所需要的正确位置。
[0021]图2示出了本发明的一种电一机械转换器的双模控制器，包括控制芯片10、及其内含的算法单元:决策逻辑101、1^]^-1^1^控制器102、？10控制器103、存储当前位移正交脉冲计数器104，还包括数模转换器20、滞环比较PWM调制器30、信号切换开关40、H桥驱动模块50、保护电路60、电流信号调理电路70、差分正交信号调理电路80所组成的控制器，还包括被控对象电一机械转换器901、温度传感器902、电流传感器903、数字光栅尺904;所述控制芯片10与数模转换器20、信号切换开关40、差分正交信号调理电路80连接，接收位移指令和输出位移信号，所述决策逻辑101始终比较输入位移和输出位移之差，并据此误差控制信号选择开关40，所述PID控制器103根据位移误差的大小，经过比例、积分、微分运算后得出修正量，所述修正量经过数模转换器20和滞环比较PffM调制器30变换后得到H桥驱动模块50的驱动信号;所述Bang-Bang控制器102根据位移误差的大小和被控制的电-机械转换器901连同其所带负载的机械、电气数学模型计算后直接得到H桥驱动模块50的控制信号，并以时间最短为优化指标，所述数模转换器20与控制芯片10和滞环比较PffM调制器30连接，接收控制芯片10输出的数字信号，转换后输出为滞环比较PffM调制器30可接受的电压信号;所述滞环比较P丽调制器30与数模转换器20、电流信号调理电路70和信号切换开关40连接，将数模转换器20和电流信号调理电路70的输出比较后输出PWM脉冲;所述电流信号调理电路70和电流传感器903连接，接收电流传感器903的输出信号，按所需放大;所述差分正交信号调理电路80与控制芯片10和数字光栅尺904连接，接收数字光栅尺904发出的信号，经调理后转换为控制芯片10可接受的单端编码脉冲;所述信号切换开关40输入端与控制芯片10和滞环比较PWM调制器30连接，输出端与H桥驱动模块50连接，可以在控制芯片10的控制下切换选取需要的控制信号；所述H桥驱动模块50与信号切换开关40和电-机械转换器901各组线圈连接，接收选定的控制脉冲，将控制脉冲放大为功率信号驱动电-机械转换器901工作;所述保护电路60与电流信号调理电路70、温度传感器902、H桥驱动模块50连接，当发生异常时，将H桥驱动模块50关断起到保护作用。
[0022]控制芯片10中正交脉冲计数器104存储并实时更新着数字光栅尺904的输出位移，决策逻辑101始终比较输入位移和输出位移之差，即位移误差的大小，并据此控制信号选择开关40，当大于设定阈值时，将信号选择开关40切换至Bang-Bang控制器102的输出端，此时被控对象在Bang-Bang控制器102的控制下；反之，则切换至PID控制器103的输出端，此时被控对象在PID控制器103的控制下。
[0023]所述控制芯片10还包括辅助单元:上电复位逻辑、对外接口逻辑。
[0024]所述控制芯片10在硬件上采用DSP或并行处理能力更强的FPGA。
[0025]滞环比较PffM调制器30是由滞回比较器为主要元件的PffM调制器，通过比较目标电流和实际输出电流闭环地把线圈电流稳定在控制值。
[0026]所述滞环比较PffM调制器30、电流信号调理电路70、信号切换开关40、H桥驱动模块50、保护电路60在硬件上可有多组，可并行工作以满足多线圈电-机械转换器901的需求。
[0027]温度传感器902优选热敏电阻，电流传感器903优选霍尔电流传感器。数字光栅尺904的测量头与被控对象直接相连，输出信号经差分正交信号调理电路80调理后由正交脉冲计数器104解码得出位移。
[0028]Bang-Bang控制器102需要预知被控对象的系统特性和负载特性，当给出被控对象的始末状态后，算法会以时间最短为优化目标输出控制信号，其控制信号特点是在正最大值和负最大值反复跳跃取值，故此信号可直接通过信号切换开关40去控制H桥驱动模块50而无需其他信号转换。
[0029]下面简述一种利用细菌觅食算法实现的时间最优Bang-Bang控制器102:
[0030]首先需要已知被控对象的各特性参数，如线圈电感、电阻、力常数和负载的质量、阻尼系数。依据这些参数建立系统微分方程组，对于线性时不变系统，由上述微分方程组可求出解析解。根据系统阶数和Bang-Bang控制特点，我们设11时间取正(负)最大值，t2时间取负(正)最大值，依次类推交替取正负最大值到tn，其中η为系统阶数。显然t l+t2+.._+tn为所需总时间，越小则被控系统响应越快，作为优化指标。系统的位移、速度和加速度可由上述解析解表示，作为约束指标。由上述优化指标和约束指标可构造指标函数，当指标函数取最小值时为时间最优控制。然后利用细菌觅食算法搜索使指标函数取最小时tl，t2,…，tn的值。
[0031]为了加快细菌觅食算法的搜索速度和精度，本发明对其中的趋向操作做出了如图3的改进，其中增设的反向移动和步长缩短行为可达到上述目的。
[0032]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种电一机械转换器的双模控制器，其特征在于，包括控制芯片、数模转换器DACdf环比较PWM调制器、电流信号调理电路、差分正交信号调理电路、信号切换开关、H桥驱动模块、保护电路、电-机械转换器、温度传感器、电流传感器、数字光栅尺;所述控制芯片与数模转换器DAC、信号切换开关、差分正交信号调理电路连接，接收位移指令和输出位移信号;所述数模转换器DAC与控制芯片、滞环比较PWM调制器连接，接收控制芯片输出的数字信号，转换后输出为滞环比较PWM调制器可接受的电压信号;所述滞环比较PWM调制器与数模转换器DAC、电流信号调理电路、信号切换开关连接，将数模转换器DAC和电流信号调理电路的输出比较后输出PWM脉冲;所述电流信号调理电路和电流传感器连接，接收电流传感器的输出信号，按所需放大;所述差分正交信号调理电路与控制芯片和数字光栅尺连接，接收数字光栅尺发出的信号，经调理后转换为控制芯片可接受的单端编码脉冲;所述信号切换开关输入端与控制芯片和滞环比较PWM调制器连接，输出端与H桥驱动模块连接，可以在控制芯片的控制下切换选取需要的控制信号;所述H桥驱动模块与信号切换开关和电-机械转换器各组线圈连接，接收选定的控制脉冲，将控制脉冲放大为功率信号驱动电-机械转换器工作;所述保护电路与电流信号调理电路、温度传感器、H桥驱动模块连接，当发生异常时，将H桥驱动模块关断起到保护作用。2.根据权利要求1所述的电一机械转换器的双模控制器，其特征在于，所述控制芯片包括决策逻辑、PID控制器、Bang-Bang控制器、以及存储当前位移的正交脉冲计数器，所述决策逻辑始终比较输入位移和输出位移之差，并据此误差控制信号选择开关;所述PID控制器根据位移误差的大小，经过比例、积分、微分运算后得出修正量，所述修正量经过数模转换器DAC和滞环比较PffM调制器变换后得到H桥驱动模块的驱动信号;所述Bang-Bang控制器根据位移误差的大小和被控制的电-机械转换器连同其所带负载的机械、电气数学模型计算后直接得到H桥驱动模块的控制信号，并以时间最短为优化指标。3.根据权利要求1所述的电一机械转换器的双模控制器，其特征在于，所述控制芯片还包括辅助单元:上电复位逻辑、对外接口逻辑。4.根据权利要求1所述的电一机械转换器的双模控制器，其特征在于，所述控制芯片在硬件上采用DSP或FPGA。5.根据权利要求1所述的电一机械转换器的双模控制器，其特征在于，滞环比较HVM调制器以滞回比较器为核心产生PWM脉冲去稳定和调整线圈电流。6.根据权利要求1所述的电一机械转换器的双模控制器，其特征在于，所述滞环比较PWM调制器、电流信号调理电路、信号切换开关、H桥驱动模块、保护电路在硬件上可有多组，可并行工作以满足多线圈电-机械转换器的需求。7.根据权利要求1所述的电一机械转换器的双模控制器，其特征在于，所述温度传感器选热敏电阻，所述电流传感器选霍尔电流传感器，所述数字光栅尺的测量头与电-机械转换器直接相连，输出信号经差分正交信号调理电路调理后由正交脉冲计数器解码得出位移。
【文档编号】H02P25/06GK105827172SQ201610162557
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】张弓, 徐征, 王卫军, 盛亚, 顾星, 林宁, 梁松松
【申请人】广州中国科学院先进技术研究所, 深圳先进技术研究院