四绕组永磁直流力矩电机控制系统的制作方法

本实用新型涉及航空舵机测试平台，尤其涉及一种四绕组永磁直流力矩电机控制系统。

背景技术：

永磁直流力矩电机作为直流电机的一种，是近年来随着永磁技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电机。作为现代工业设备、现在科学技术和军事装备中的重要的机电元件之一，直流力矩电机不但具有直流电机的诸多优点，更具有低转速、大转矩、过载能力强、响应快、特性线性度好和力矩波动小等特点，可直接驱动负载，因而具有较高的运行精度，被广泛应用于纺织、电线电缆、金属加工、造纸、橡胶和塑料等民用工业，同时近年在国家大力支持的航空航天、机器人领域也有这广泛应用。由于航空航天要求装置具有高精度、高稳定性和可靠性，需要对力矩电机进行相应的闭环控制系统设计，以满足其使用要求。

技术实现要素：

为了满足航空舵机测试系统中对直流力矩电机系统运行精度和动态响应的要求，本实用新型提出了一种四绕组永磁直流力矩电机控制系统。

本实用新型所采用的技术方案是：

本实用新型提供的一种四绕组永磁直流力矩电机控制系统，包括P调节器、第一PI调节器、第二PI调节器、双极性PWM模块、H桥模块、直流力矩电机、位置传感器、电流传感器、电流检测模块和角度与速度计算模块；所述P调节器、第一PI调节器、第二PI调节器、双极性PWM模块、H桥模块和所述直流力矩电机依次电连接；

所述电流传感器用以对所述直流力矩电机的电流进行采样，获得的采样值经所述电流检测模块处理后得到一反馈电流，将所述反馈电流与输入电流作差分后输入至所述第二PI调节器；

所述位置传感器用以检测所述直流力矩电机的位置信息，获得的所述位置信息经所述角度与速度计算模块处理后得到一速度反馈信号，所述角度与速度计算模块将所述速度反馈信号与速度输入指令作差分后输入至所述第一PI调节器；

所述角度与速度计算模块根据所述位置信息获得一位置信号，并将所述位置信号与位置输入指令作差分后输入至所述P调节器。

可选的，所述采样值在输入所述电流检测模块之前进行漏电消除处理。

可选的，所述位置传感器为编码器。

可选的，所述直流力矩电机为四绕组结构。

本实用新型提供的另一种四绕组永磁直流力矩电机控制系统，包括P调节器、第一PI调节器、第二PI调节器、双极性PWM模块、H桥模块、直流力矩电机、位置传感器、电流传感器、电流检测模块和角度与速度计算模块；所述P调节器、第一PI调节器、第二PI调节器、双极性PWM模块、H桥模块和所述直流力矩电机依次电连接；所述电流传感器设置在所述H桥模块和所述直流力矩电机之间；所述电流检测模块的输入端与所述电流传感器的输出端电连接，输出端与所述PI调节器的输入端连接；所述位置传感器用于检测所述直流力矩电机的位置信息；所述角度与速度计算模块的输入端与所述位置传感器的输出端电连接，两个输出端分别与所述P调节器和所述第一PI调节器电连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型根据航天舵机的用途特点，采用四绕组结构的直流力矩电机独立工作，提高了系统工作的可靠性，并且位置环采用了比例加前馈的调节方式，一定程度上克服了传统PI调节缺陷，提高了系统的精度，加快了动态响应。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为永磁直流电机等效电路图；

图2为直流电动机电磁转矩及负载转矩示意图；

图3为本实用新型一实施例的直流电机闭环控制策略图；

图4为本实用新型一实施例的直流电机系统动态结构图；

图5为本实用新型一实施例的电流环动态结构图；

图6为本实用新型一实施例的转度环动态结构图；

图7为本实用新型一实施例的位置环结构图；

图8为本实用新型一实施例的系统总体动态结构图；

图9为本实用新型一实施例的转速环阶跃给定响应波形图；

图10为本实用新型一实施例的突加负载时转速与转矩响应波形图；

图11为本实用新型一实施例的突加负载时转速响应波形图；

图12为本实用新型一实施例的突加负载时转矩响应波形图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。

永磁直流电机等效电路如图1所示。当电机作电动运行时，由电网向其供电，转化为机械能，由图1可知

U＝E+IaRa+2ΔUs (1)

式中，2ΔUs为一对电刷上的接触压降，对石墨电刷，2ΔUs≈2V，对金属石墨电刷，2ΔUs≈0.6V。当ΔUs远小于U，E并且仅作定性分析时，可将2ΔUs省略，即

U＝E+IaRa (2)

如图2所示，在电动机中，电枢电流与感应电势反向，故当电枢逆时针旋转时，N极下导体中的电流流入，S极下则为流出，于是电枢将受到一个逆时针方向的电磁转矩。此时电动机的电磁转矩是一个与转向相同的驱动转矩。

若电动机自身空载转矩为T0，轴上输出转矩为T2，则电动机的转矩方程为

Te＝T0+T2 (3)

稳态时，输出转矩T2与负载转矩TL相平衡，即T2＝TL。

负载运行时，电枢绕组的感应电动势E和电枢电流Ia的乘积，便是电磁功率Pe，即

Pe＝EIa (4)

考虑到转子角速度Ω满足

Ω＝2πn/60 (5)

得

EIa＝TeΩ (6)

式中，EIa为电机所吸收的电功率，TeΩ为电磁转矩对负载所做机械功率。由能量守恒知，二者相等。

电动机使用是以驱动生产机械为目的，根据负载的需要，常常希望电动机的转速能在一定或宽广的范围内进行调节，且调节的方法要简单、经济。直流电动机在这些方面有其独到的优点。

由下式，可知

E＝Cenφ (7)

再结合式(2)，得到直流电动机的转速公式

式中，U，Ia，Ra分别为电枢电压，电枢电流和电枢回路电阻；φ为励磁磁通；Ce为取决于电动机结构的电动势常数。

由式(8)可知，调速方法有三种：

(1)电枢控制(调压调速)，即调节电枢电压U来调速。这种调速方式能够实现驱动系统转速的大范围平滑调节，且具有较快的响应速度，属恒转矩调节。可实现无级调速，工作效率较高。

(2)磁场调速(变磁调速)，即用调节励磁φ来调速。直流电机用于磁场主要由永磁体产生，较难实现调磁调速。通常采用提前换向导通的方式，实现近似弱磁控制的效果。但弱磁调速属恒功率调节，虽能平滑调速，但调节范围小，动态响应慢，通常与调压调速配合使用。

(3)改变电枢回路电阻Ra，但只能实现有级调速。

综上，就目前来说，调压调速是比较理想的直流电机调速方式。

当电机仅有一个绕组工作时，系统控制策略见图3。本控制策略采用三闭环控制方式，内环电流环采用PI调节，中间转速环采用PI调节，外环位置环采用“比例加前馈”的调节方式。

电流环首先通过电流传感器对电机定子电流进行采样，将采样值进行漏电消除处理，通过电流检测装置后，得到反馈电流ia，反馈电流ia与输入电流ia^*作差分，经过比例积分(PI)调节后，输出PWM电压控制信号，最后经过H桥模块驱动电机旋转；转速环是由指令信号和反馈信号组成跟踪环节，将编码器传送过来的位置信号经过微分之后得到速度反馈信号n，与转速环的输入指令n^*作差分，再进行比例积分(PI)调节得到电流环的输入信号；位置环是将位置传感器传送过来的位置信号θ与位置输入指令θ^*作差分，乘以增益Kp得到转速换的输入信号，位置环采用的是比例(P)调节。

直流电机通常以电枢电压为输入量，并以电机转速为输出量。在忽略电枢反应、涡流效应和磁滞的影响，并且永磁体励磁恒定的前提下，便得到直流电机运动方程为：

式中，Te，TL分别为电机电磁转矩和负载转矩；J是电力拖动系统整个运动部分折算到电机轴上的转动惯量。

整理得电流与电压以及电动势与电流之间的传递函数分别为：

E＝Cφn (12)

式中T1为电枢回路电磁时间常数(s)，T1＝L/R；Tm为机电时间常数(s)；Ud，Id，IL分别为电枢电压(V)、电枢电流(A)和负载电流(A)；CΦ为恒定励磁下的电势系数(V/rpm)。

直流电机系统动态结构如图4所示：

(1)电流环模型

为使电流环稳态上无静差，以获得理想的堵转特性，动态上保证电动机电枢电流无超调，保证系统的跟随性，把电流环校正成Ⅰ型系统，应采用PI调节，其传递函数为

式中，Ki，τi分别是电流调节器的比例放大系数和时间常数。

根据对消原理，为完全对消掉控制系统较大的惯性环节，以使校正后的系统响应速度明显加快，取τi＝T1。PI调节器比例放大倍数取决于系统的动态性能指标。根据二阶最佳系统原理，取

前向通道各项相乘并经简化得到近似电流环开环传函为

电流环闭环传函为

在设计电流环时，由于系统电磁时间常数T1远小于机电时间常数Tm，故电流的调节过程远比速度调节快，此时可认为电流环的控制对象是具有双惯性的，并且反电势变化较慢，可认为基本不变，再省略滤波环节，得到电流环近似动态结构如图5所示。图中，Ks，Ts分别是系统整流装置的放大系数和滞后时间常数，β是电流环反馈系数。

转速环设计时，可以把已经设计好的电流环简化作为速度环的一个环节，为了实现转速无静差，并提高系统的动态抗扰性能，把转速环设计成典型的Ⅱ型系统，在负载扰动作用点后需加一个积分环节，ASR采用PI调节器，其传递函数为

式中，Kn，τn分别是转速调节器比例放大系数和时间常数。

经化简，等效成单位负反馈系统和小惯性环节，得到转速环的闭环传递函数为

在上述假设成立的前提下，由此得到转速环的动态结构如图6所示。

本系统采用“前馈+比例”环节作为位置调节器。其中前馈控制一般采用专用调节器，其主要特点有：

1)对所测干扰反应快，控制及时；

2)一般只能克服系统所能测量的干扰。

将已整定好的转速环等效为二阶环节，以实现位置无稳态误差。根据以上分析，选取前馈环节传递函数为

F(s)＝K1s+K2s² (19)

可看成是速度前馈和加速度前馈两部分。这样，当输入位置给定θ^*为恒定，或速度信号时，主要由速度前馈K1s起作用；当位置给定θ^*为加速度，正弦或高阶信号时，主要由加速度前馈K2s²起作用，减缓给定信号的上升速度。因而，所选取的前馈环节传递函数可很好的实现对多种给定信号的较好补偿。

于是得到位置环的动态结构如图7所示。

综合以上对三个调节器的设计，得到三闭环控制系统动态结构如图8所示，图中Cr是电势反馈系数。

系统仿真参数如下所示：

直流电压源输出为30V，四绕组直流永磁电机参数为电枢回路电阻Ra＝2.65Ω，回路电感La＝0.01324H，转动惯量J＝0.003kgm2，反电势常量Ce为0.121V/rpm。由于simulink模块库中所提供的直流电机模型中输出不含转子位置，因而将输出转速(单位rad/s)经一级初始条件为0的积分环节，得到实际转子转角，与给定转子位置比较，结果送速度调节器。

转速环采用PI调节，经整定在KP＝0.15，KI＝0.3时，系统动态响应较好。此次采用阶跃信号作为给定，阶跃时间为0.02s，终值为100r/min，仿真波形见图9。

由图9波形可知，系统跟踪性能较好，实际转速信号能很好的跟踪给定信号，在0.02s阶跃后，实际转速能很快跟随，在不超过0.01s内达到稳态，超调量很小，在允许范围内并且稳态误差很小，不超过1rpm/min。

当恒转速时突加负载转矩时的速度，转矩响应波形见图10。恒定转速为20rpm/min。在0.08s时，将负载转矩由3Nm变为6Nm。

由上两图可知，当转矩突然加倍时，转速立刻下降至约16rpm/min，经过0.02s重新恢复稳态转速20rpm/min，产生转速波动，系统响应迅速，恢复时间较短。

系统控制电路以DSP芯片TMS320F2812为核心，主要包括直流力矩电机、功率电路、控制电路、传感器、上位机以及示波器、电流钳等测量设备。通过对直流电机的电压电流信号采样，算法实现等功能，完成对功率开关器件通断的控制，从而间接控制电机的运行，完成调压调速。实验参数与仿真参数一致。

从图11可以看出转速以20rpm/min恒转速运行，在0.3s时刻，负载转矩由2Nm突变为6Nm，转矩波形如图12所示，在经过0.03s左右电机恢复稳态运行，电机运行平稳。

永磁直流力矩电机是一种机电一体化的高新技术产品，它具有重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点，广泛应用于伺服控制系统，比如航天舵机。本实用新型根据航天舵机的用途特点，采用四绕组独立工作，提高了系统工作的可靠性并且位置环采用比例加前馈的调节方式，一定程度上克服了传统PI调节的缺陷，提高了系统的精度，加快了动态响应。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。