專利名稱：基于控制線圈電流微分反饋的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于控制線圈電流微分反饋的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制器。
背景技術(shù)：
電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器作為執(zhí)行元件已廣泛應(yīng)用于電液伺服、機(jī)電裝備等工業(yè)系統(tǒng)中， 提聞其動態(tài)響應(yīng)性能，對于提聞系統(tǒng)整體性能具有重要意義。除了研究新結(jié)構(gòu)和新材料外， 目前已有多種控制策略及控制器被應(yīng)用以改善電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的動態(tài)響應(yīng)性能。在螺線管電磁鐵的驅(qū)動中，常采用增大激勵初始階段驅(qū)動電流的方法，以及多線圈并聯(lián)代替單線圈等改進(jìn)的增大激勵初始階段驅(qū)動電流的方法，以提高其響應(yīng)速度。該方法對提高開關(guān)型電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度有一定效果，但對電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器穩(wěn)態(tài)特性產(chǎn)生不良影響，不適用于非開關(guān)型電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器如永磁力馬達(dá)、永磁力矩馬達(dá)等的驅(qū)動。基于位置反饋的閉環(huán)控制是提高電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器動態(tài)響應(yīng)性能的另一種方法。采用LVDT或RVDT等位移傳感器實(shí)時檢測電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的位移量并反饋以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制， 比如Jinchuan Zheng等人提出的非線性控制法，Lawrence Mianzo等人提出的預(yù)測控制法，Yang Li等人提出的動態(tài)非線性控制策略等，均基于位置反饋。但這些控制策略在某些應(yīng)用環(huán)境下因難以進(jìn)行位移量的實(shí)時檢測而無法使用，比如液壓閥用電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，其周圍布滿高壓油，再如高頻永磁力馬達(dá)和永磁力矩馬達(dá)的位移量很小，運(yùn)動件很小且位于大體積金屬導(dǎo)體中間，位移傳感器的選用和安裝存在困難。Muhammed Fazlur Rahman等人提出了實(shí)時位移估值算法，以解決實(shí)時位移檢測困難情況下的閉環(huán)控制，并應(yīng)用于多相電機(jī)和螺線管電磁鐵的控制系統(tǒng)。但在工業(yè)現(xiàn)場中， 利用這種估值算法計(jì)算所得的位移與實(shí)際的實(shí)時位移之間的誤差無法精確確定，位移估算精度存在不確定性，因此無法用于輸出位移僅為幾十微米的高頻電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種實(shí)現(xiàn)方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但效果明顯的提高電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器動態(tài)響應(yīng)性能的基于控制線圈電流微分反饋的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制器。本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的，一種基于控制線圈電流微分反饋的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制器，它主要包括采樣電阻、微分電路、比例調(diào)節(jié)電路、信號合成電路和功率放大器；所述的采樣電阻與微分電路的輸入端口、電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制線圈分別相連，微分電路的輸出端口與比例調(diào)節(jié)電路的輸入端口相連，輸入控制信號、比例調(diào)節(jié)電路的輸出端口分別與信號合成電路的輸入端口相連，信號合成電路的輸出端口與功率放大器的輸入端口相連，功率放大器的輸出端口與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制線圈相連；采樣電阻實(shí)時取樣電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制線圈的電流信號，輸出至微分電路，經(jīng)微分電路變換后得到電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制線圈的電流微分信號，經(jīng)比例調(diào)節(jié)電路變換后，由信號合成電路將其與輸入控制信號相疊加，疊加信號經(jīng)功率放大器放大后輸出至電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制線圈，驅(qū)動電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器動作，形成閉環(huán)控制。所述的微分電路包括運(yùn)算放大器、電阻、電容；調(diào)整電阻值和電容值，從而調(diào)整其時間常數(shù)和電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的動態(tài)響應(yīng)性能。所述的比例調(diào)節(jié)電路包括運(yùn)算放大器、電阻；調(diào)整其電阻值，從而調(diào)整其增益和電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的動態(tài)響應(yīng)性能。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及效果1、采用控制線圈電流微分信號進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)控制，顯著提高電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的動態(tài)響應(yīng)性能；2、無需昂貴的位移傳感器，僅需適當(dāng)調(diào)整微分電路的時間常數(shù)和比例調(diào)節(jié)電路的增益即可實(shí)現(xiàn)對電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器動態(tài)性能的優(yōu)化控制；3、結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易實(shí)現(xiàn)，適用于開關(guān)型與非開關(guān)型等各類動鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制。


圖1為本發(fā)明的工作原理框圖；圖2為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)施例高頻永磁力矩馬達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的控制性能曲線；圖4為本發(fā)明微分電路的時間常數(shù)對控制性能的影響；圖5為本發(fā)明比例調(diào)節(jié)電路的增益對控制性能的影響；圖中的標(biāo)號有信號合成電路1，比例調(diào)節(jié)電路2，功率放大器3，微分電路4， 電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器5 (圖中僅示出其控制線圈)，采樣電阻6，底座7，左導(dǎo)磁體8，銜鐵9，扭軸 10，控制線圈11，右導(dǎo)磁體12，永久磁鋼13，磁通旁路調(diào)整機(jī)構(gòu)14，輸入控制信號15，電流微分信號16，開環(huán)控制的階躍響應(yīng)曲線17，本發(fā)明的階躍響應(yīng)曲線18，不同時間常數(shù)時的階躍響應(yīng)特性曲線19，不同增益時的階躍響應(yīng)特性曲線20。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖I所示，本發(fā)明主要包括采樣電阻6、微分電路4、比例調(diào)節(jié)電路2、信號合成電路 I和功率放大器3 ;所述的米樣電阻6與微分電路4的輸入端口、電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器5的控制線圈分別相連，微分電路4的輸出端口與比例調(diào)節(jié)電路2的輸入端口相連，輸入控制信號、 比例調(diào)節(jié)電路2的輸出端口分別與信號合成電路I的輸入端口相連，信號合成電路I的輸出端口與功率放大器3的輸入端口相連，功率放大器3的輸出端口與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器5的控制線圈相連。采樣電阻實(shí)時取樣電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制線圈的電流信號，輸出至微分電路，經(jīng)微分電路變換后得到電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制線圈的電流微分信號，經(jīng)比例調(diào)節(jié)電路變換后，由信號合成電路將其與輸入控制信號相疊加，疊加信號經(jīng)功率放大器放大后輸出至電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制線圈，驅(qū)動電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器動作，形成閉環(huán)控制。所述的微分電路4包括運(yùn)算放大器、電阻、電容(圖中均未示出)，調(diào)整電阻值和電容值，從而調(diào)整其時間常數(shù)和電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器5的動態(tài)響應(yīng)性能。
所述的比例調(diào)節(jié)電路3包括運(yùn)算放大器、電阻(圖中均未示出)，調(diào)整其電阻值， 從而調(diào)整其增益和電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器5的動態(tài)響應(yīng)性能。采用本發(fā)明對如圖2所示的高頻永磁力矩馬達(dá)實(shí)施控制。高頻永磁力矩馬達(dá)由永久磁鋼13、左導(dǎo)磁體8、右導(dǎo)磁體12、銜鐵9、控制線圈11、扭軸10、磁通旁路調(diào)整裝置14和底座7組成；銜鐵9固定在扭軸10上，左導(dǎo)磁體、右導(dǎo)磁體與銜鐵共同形成四個氣隙5
S 2，S 3和S 4 ;永久磁鋼13產(chǎn)生極化磁場，使銜鐵9工作在最佳工作段；通過調(diào)整使得銜鐵9在控制線圈11未通電時，在磁場中處于中位和相對平衡狀態(tài)，各氣隙的長度相等；當(dāng)控制線圈11輸入一定極性的電流時，產(chǎn)生控制磁場，控制磁場與極化磁場差動疊加，氣隙S 1； S4的磁場增強(qiáng)，而s2，S3的減弱，銜鐵9受力不再平衡，在電磁力矩的作用下，克服扭軸 10的彈力矩和負(fù)載力矩，向磁場增強(qiáng)方向轉(zhuǎn)動一個角度，直至電磁力矩與扭軸10的彈力矩和負(fù)載力矩達(dá)到平衡為止；當(dāng)輸入電流極性相反時，銜鐵9將向另一方向轉(zhuǎn)動。高頻永磁力矩馬達(dá)是典型的二階系統(tǒng)，其銜鐵9的運(yùn)動方程為
^ 2/3M=JBK0(I)
dt dt式中，M為電磁力矩J為銜鐵9的轉(zhuǎn)動慣量；K為扭軸10形成的高剛度彈簧的剛度；B為粘性阻尼系數(shù)；e為銜鐵9的轉(zhuǎn)角。電磁力矩由磁場能量產(chǎn)生，由虛功原理得M =(2)
dG式中，X為磁鏈。假定以電壓方式驅(qū)動控制線圈11，則高頻永磁力矩馬達(dá)的電路方程為
T, D . " 51 di dX dO/9xV = Ri+ (L +——)—+----(3)
di dt d6 dt
式中，v為輸入控制線圈11的電壓；R為控制線圈11的電阻；i為控制線圈11的
電流；電感項(xiàng)Le代表磁鏈。綜合式(I)、式(2)和式(3)得
± = (V-Ri-E(0,i)^)L(0,i)1(4)
atdt由式(4)可見，控制線圈11的電流微分信號#與銜鐵9的運(yùn)動速度、位移及控制
dt
線圈11的電流等參數(shù)相關(guān)，包含了銜鐵9的速度、位移等運(yùn)動量的信息，因此，在不使用位
移傳感器的情況下，以控制線圈11的電流微分#作為反饋信號可以取得良好的控制效果。
at圖3所示，輸入控制信號15為電壓為4V的階躍信號，微分電路4的時間常數(shù)為
0.Olms,比例調(diào)節(jié)電路2的增益為15 ;采樣電阻6實(shí)時取樣電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器5的控制線圈 11的電流信號，輸出至微分電路4，經(jīng)微分電路4變換后得到電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器5的控制線圈11的電流微分信號16，經(jīng)比例調(diào)節(jié)電路2變換后，由信號合成電路I將其與輸入控制信號15相疊加,疊加信號經(jīng)功率放大器3放大后輸出至電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器5的控制線圈11,驅(qū)動電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器5動作,形成閉環(huán)控制，電流微分信號16在輸入控制信號15上升的初始階段迅速上升，然后又迅速下降并趨于穩(wěn)定，電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器5的階躍響應(yīng)上升時間為
0.20ms (參見曲線18)，比開環(huán)控制時的0.8ms (參見曲線17)大大減小，電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器5 的動態(tài)響應(yīng)性能得到了提聞。
圖4示出了微分電路4的時間常數(shù)T為0，0. 005，0. 01和0. 015時的一組階躍響應(yīng)曲線19，微分電路4的時間常數(shù)T越大，電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器5的階躍響應(yīng)的上升時間越短， 響應(yīng)速度越快，但是，當(dāng)微分電路4的時間常數(shù)T過大時，會出現(xiàn)超調(diào)甚至震蕩。圖5示出了比例調(diào)節(jié)電路2的增益K為0，5，10，15和20時的一組階躍響應(yīng)曲線 20，比例調(diào)節(jié)電路2的增益K越大，電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器5的階躍響應(yīng)的上升時間越短，響應(yīng)速度越快，但是，當(dāng)比例調(diào)節(jié)電路2的增益K過大時，會出現(xiàn)超調(diào)甚至震蕩。因此，采用本發(fā)明時應(yīng)適當(dāng)選擇微分電路4的時間常數(shù)T和比例調(diào)節(jié)電路2的增益K這兩個關(guān)鍵參數(shù)以達(dá)到最優(yōu)控制。
權(quán)利要求
1.一種基于控制線圈電流微分反饋的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制器，它主要包括采樣電阻(6)、微分電路(4)、比例調(diào)節(jié)電路(2)、信號合成電路(I)和功率放大器(3);其特征在于所述的采樣電阻(6)與微分電路(4)的輸入端口、電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器(5)的控制線圈分別相連， 微分電路(4)的輸出端口與比例調(diào)節(jié)電路(2)的輸入端口相連，輸入控制信號、比例調(diào)節(jié)電路(2 )的輸出端口分別與信號合成電路(I)的輸入端口相連，信號合成電路(I)的輸出端口與功率放大器(3)的輸入端口相連,功率放大器(3)的輸出端口與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器(5)的控制線圈相連；采樣電阻(6)實(shí)時取樣電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器(5)的控制線圈的電流信號，輸出至微分電路(4)，經(jīng)微分電路(4)變換后得到電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器(5)的控制線圈的電流微分信號， 經(jīng)比例調(diào)節(jié)電路(2)變換后，由信號合成電路(I)將其與輸入控制信號相疊加，疊加信號經(jīng)功率放大器(3 )放大后輸出至電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器(5)的控制線圈，驅(qū)動電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器(5)動作，形成閉環(huán)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于控制線圈電流微分反饋的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制器，其特征在于所述的微分電路(4)包括運(yùn)算放大器、電阻、電容；調(diào)整電阻值和電容值，從而調(diào)整其時間常數(shù)和電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器(5)的動態(tài)響應(yīng)性能。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于控制線圈電流微分反饋的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制器，其特征在于所述的比例調(diào)節(jié)電路(2)包括運(yùn)算放大器、電阻；調(diào)整其電阻值，從而調(diào)整其增益和電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器(5)的動態(tài)響應(yīng)性能。
全文摘要
一種基于控制線圈電流微分反饋的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制器，它主要包括采樣電阻、微分電路、比例調(diào)節(jié)電路、信號合成電路和功率放大器；所述的采樣電阻與微分電路的輸入端口、電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制線圈分別相連，微分電路的輸出端口與比例調(diào)節(jié)電路的輸入端口相連，輸入控制信號、比例調(diào)節(jié)電路的輸出端口分別與信號合成電路的輸入端口相連，信號合成電路的輸出端口與功率放大器的輸入端口相連，功率放大器的輸出端口與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的控制線圈相連；本發(fā)明采用無位移傳感器介入的控制線圈電流微分反饋法，實(shí)現(xiàn)對電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)控制；具有實(shí)現(xiàn)方便，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，效果明顯等特點(diǎn)，可用于提高開關(guān)型和非開關(guān)型等動鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的動態(tài)響應(yīng)性能。
文檔編號H02P13/00GK102611376SQ201210062588
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者方平 申請人:方平