超聲電機控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超聲電機控制方法,所述的控制方法包括以下步驟:步驟一、確定熱敏電阻?工作溫度模型;步驟二、確定溫度?系統(tǒng)工作頻率下限模型;步驟三、確定DAC輸出?控制信號頻率模型;步驟四、計算電機溫度及頻率。本發(fā)明采用溫度補償方案,解決電機溫度變化可能帶來的電機轉(zhuǎn)速偏高,而導(dǎo)致超聲電機壽命下降,甚至損壞的問題;采用頻帶限制方案,將控制信號限制在安全有效的范圍中,解決極端情況下電機轉(zhuǎn)速突變,或反轉(zhuǎn)的問題;對舵機控制信號頻率進行頻帶限制,避免超聲電機出現(xiàn)轉(zhuǎn)動異?,F(xiàn)象;采用自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制方案,根據(jù)電機目標位置與當前位置的關(guān)系,實時確定電機的轉(zhuǎn)速,進一步提升超聲電機的轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性。
【專利說明】
超聲電機控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及超聲電機控制技術(shù)領(lǐng)域,具體設(shè)及一種超聲電機控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲電機(ultrasonic motor,USM)是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng),激發(fā)彈性 體在超聲頻段內(nèi)產(chǎn)生微幅振動,并通過定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn) 或直線運動的裝置。相比于傳統(tǒng)的電機,超聲電機因其具有1)無需齒輪減速機構(gòu),結(jié)構(gòu)緊 湊;2)不產(chǎn)生磁場,也不受外界磁場干擾;3)斷電自鎖;4)位置和速度控制精度高,位移分辨 率高;5)響應(yīng)速度快等優(yōu)點,在汽車、航空航天、微型機器人、光學(xué)儀器及武器裝備等領(lǐng)域里 有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 近年來,基于超聲電機技術(shù)的超聲艙機在微小型武器系統(tǒng)的智能化升級改造中嶄 露頭角。超聲艙機由超聲電機(包括高精度熱敏電阻和反饋電位計)、超聲電機控制器和控 制軟件構(gòu)成。由于超聲電機的工作原理和固有特性,其控制器和控制軟件開發(fā)面臨著W下 典型的難題:
[0004] 1)定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦作用將導(dǎo)致電機溫度快速上升,從而使得在相同的控制信 號下電機的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定;
[0005] 2)某些情況下出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速過高,甚至反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象;
[0006] 3)特定條件下,當輸出信號頻率連續(xù)變化時,超聲電機可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)速突變現(xiàn)象;
[0007] 4)低溫條件下超聲電機啟動性能下降,且輸出力矩不足;
[000引 5)超聲艙機特性參數(shù)繁多,且個體差異明顯。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009] 本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種位置閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制相結(jié)合的 控制方法,采取了一系列有效的措施,消除了時變工作溫度的對超聲電機工作穩(wěn)定性的不 良影響,實現(xiàn)了對超聲電機穩(wěn)定、可靠和高精度的控制。
[0010] 為解決上述的技術(shù)問題,本發(fā)明采用W下技術(shù)方案:
[0011] -種超聲電機控制方法,所述的控制方法包括W下步驟:
[0012] 步驟一、確定熱敏電阻-工作溫度模型;
[0013] 步驟二、確定溫度-系統(tǒng)工作頻率下限模型;
[0014] 步驟S、確定DAC輸出-控制信號頻率模型;
[0015] 步驟四、計算電機溫度及頻率。
[0016] 更進一步的技術(shù)方案是所述步驟一包括:通過帶溫度補償?shù)暮懔髟措娐穼?br>[0017] 敏電阻隨電機溫度的電阻變換值轉(zhuǎn)換為電壓的變化值,經(jīng)主控忍片的AD對莫
[0018] 塊采集后,由下式轉(zhuǎn)換為超聲電機的當前工作溫度:
[0019]
(1)
[0020]
樹
[0021] 式(4)為超聲艙機的溫度-電阻模型,通過超聲艙機熱敏電阻標定得到;
[0022] 其中,
[002引 3.3為參考電壓值,2"-1為12位ADC的表示范圍;
[0024] valR為ADC采集得到的12位熱敏電阻電壓值;
[0025] Ir為恒流源測量電路的電流值;
[0026] n為熱敏電阻在當前溫度下電阻值;
[0027] kTR表示熱敏電阻溫度-電阻模型曲線的斜率,為超聲艙機配置參數(shù);
[00%] diSTR表示熱敏電阻溫度-電阻模型曲線的截距,為超聲艙機配置參數(shù);
[0029] W表示超聲電機的當前溫度。
[0030] 更進一步的技術(shù)方案是所述步驟二包括:根據(jù)得到的超聲電機實時工作溫度,通 過式(3)計算出超聲電機在該溫度下的工作頻率下限:
[0031] fdown = kxF ? WR+diSTF (3)
[0032] f brake = fdown+f span (4)
[0033] 式(5)為超聲艙機的溫度-工作頻率下限模型,通過超聲艙機高低溫標定得到;其 中,
[0034] fdDwn為超聲電機當前工作溫度下的工作頻率下限;
[0035] kTF表示熱敏電阻溫度-電阻模型曲線的斜率;
[0036] disTF表示熱敏電阻溫度-電阻曲線的截距;
[0037] fbrake為超聲電機當前工作溫度下剎車頻率;
[0038] fspan為超聲電機正常運行與低速運行的控制信號頻率之差。
[0039] 更進一步的技術(shù)方案是所述步驟=包括:
[0040] 根據(jù)得到的超聲電機的實時工作頻率下限,通過下式計算出超聲電機控制器在超 聲電機當前工作溫度下的DAC輸出值:
[0041]
喊
[0042] 式(7)為超聲艙機的DAC輸出-控制信號頻率模型,通過超聲艙機控制器標定得到; 其中,
[0043] dac為超聲電機當前工作溫度下超聲電機控制器的DAC輸出值;
[0044] kDACF表示DAC輸出-控制信號頻率曲線的斜率;
[0045] d i SDACF表示DAC輸出-控制信號頻率的截距。
[0046] 更進一步的技術(shù)方案是還包括:采用增量式PI調(diào)整策略穩(wěn)定電機的轉(zhuǎn)速步
[0047] 驟;PID調(diào)整量由下式計算得到:
[004引 Veer 二 Vse 廣 V (6)
[0049] pk 二 KP ? (Veer_Vpre_eer)+KI ? Veer (7)
[00 日 0] pki 二 pki+pk (8)
[0051] 其中,Vset為電機設(shè)定轉(zhuǎn)速;
[0052] V為電機當前實測轉(zhuǎn)速;
[0化3] Veer為本控制周期轉(zhuǎn)速偏差;
[0化4] Vpre_eer為上一控制周期轉(zhuǎn)速偏差;
[0化5] KP,KI為PID控制參數(shù);
[0化6] 地為PID調(diào)整增量;
[0化7] Pki為PID調(diào)整量。
[0058] 更進一步的技術(shù)方案是還包括:采用電機當前工作頻率下限對每個控制周期計算 得到的電機當前工作頻率進行限幅處理步驟。
[0059] 更進一步的技術(shù)方案是還包括根據(jù)上位機發(fā)來的電機期望位置與實時測量得到 的電機當前位置之間的距離,在每個控制周期均動態(tài)自適應(yīng)地設(shè)定電機的實時運行轉(zhuǎn)速, 并對其進行轉(zhuǎn)速限幅步驟。
[0060] 更進一步的技術(shù)方案是還包括電機位置閉環(huán)控制步驟,包括:通過比較電機當前 位置和期望位置的關(guān)系,控制電機工作在正常運行狀態(tài)、剎車狀態(tài)和停止狀態(tài)。
[0061] 更進一步的技術(shù)方案是所述電機位置閉環(huán)控制步驟包括:在每個控制周期內(nèi),W 無限循環(huán)的方式進行位置檢測與控制,直到電機轉(zhuǎn)動到期望位置的精度范圍W內(nèi)。
[0062] 更進一步的技術(shù)方案是所述電機位置閉環(huán)控制步驟包括:當檢測到電機到達剎車 位置時,立即輸出當前工作溫度下的剎車頻率工作信號。
[0063] 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明實施例的有益效果之一是:
[0064] 1)采用溫度補償方案,解決電機溫度變化可能帶來的電機轉(zhuǎn)速偏高,而導(dǎo)致超聲 電機壽命下降,甚至損壞的問題;
[0065] 2)采用頻帶限制方案,將控制信號限制在安全有效的范圍中,解決極端情況下電 機轉(zhuǎn)速突變,或反轉(zhuǎn)的問題;對艙機控制信號頻率進行頻帶限制,避免超聲電機出現(xiàn)轉(zhuǎn)動異 ?,F(xiàn)象(轉(zhuǎn)速突變或反轉(zhuǎn));
[0066] 3)采用自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制方案,根據(jù)電機目標位置與當前位置的關(guān)系,實時確定電 機的轉(zhuǎn)速,進一步提升超聲電機的轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性;
[0067] 4)采用增量式PI控制方案,解決電機溫度變化帶來的轉(zhuǎn)速變化問題;
[0068] 5)采用電機位置的閉環(huán)控制方案,并結(jié)合轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制,改善了超聲電機的動 態(tài)性能,實現(xiàn)了電機位置的精確控制;
[0069] 6)采用參數(shù)可配置方案,解決超聲艙機特性參數(shù)繁多,且個體差異明顯的問題,從 而顯著增強超聲艙機控制軟件的硬件適應(yīng)性。
【附圖說明】
[0070] 圖1為本發(fā)明一個實施例中超聲電機閉環(huán)控制流程圖。
[0071] 圖2為本發(fā)明一個實施例中超聲電機控制數(shù)據(jù)流圖。
[0072] 圖3為本發(fā)明一個實施例中超聲電機轉(zhuǎn)速自適應(yīng)設(shè)定流程圖。
[0073] 圖4為本發(fā)明一個實施例中超聲電機溫度及工作頻率計算流程圖。
[0074] 圖5為本發(fā)明一個實施例中超聲電機運動路徑圖。
[0075] 圖6為本發(fā)明一個實施例中超聲電機實時轉(zhuǎn)速計算流程圖。
[0076] 圖7為本發(fā)明一個實施例中超聲電機調(diào)速流程圖。
[0077] 圖8為本發(fā)明一個實施例中超聲電機位置閉環(huán)控制流程圖。
[0078] 圖9為本發(fā)明一個實施例中向艙機控制發(fā)送幅度為5,頻率為5的艙控信號時,判斷 空載條件下超聲電機對控制信號的跟蹤能力示意圖。
[0079] 圖10為本發(fā)明一個實施例中向艙機控制發(fā)送幅度為5,頻率為10的艙控信號時,判 斷空載條件下超聲電機對控制信號的跟蹤能力示意圖。
[0080] 圖11為本發(fā)明一個實施例中向艙機控制發(fā)送幅度為10,頻率為5的艙控信號時,判 斷空載條件下超聲電機對控制信號的跟蹤能力示意圖。
[0081] 圖12為本發(fā)明一個實施例中向艙機控制發(fā)送幅度為10,頻率為10的艙控信號時, 判斷空載條件下超聲電機對控制信號的跟蹤能力示意圖。
[0082] 圖13為本發(fā)明一個實施例中向艙機控制發(fā)送幅度為5,頻率為5的艙控信號時,判 斷彈性負載條件下超聲電機對控制信號的跟蹤能力示意圖。
[0083] 圖14為本發(fā)明一個實施例中向艙機控制發(fā)送幅度為5,頻率為10的艙控信號時,判 斷彈性負載條件下超聲電機對控制信號的跟蹤能力示意圖。
[0084] 圖15為本發(fā)明一個實施例中向艙機控制發(fā)送幅度為10,頻率為5的艙控信號時,判 斷彈性負載條件下超聲電機對控制信號的跟蹤能力示意圖。
[0085] 圖16為本發(fā)明一個實施例中向艙機控制發(fā)送幅度為10,頻率為10的艙控信號時, 判斷彈性負載條件下超聲電機對控制信號的跟蹤能力示意圖。
【具體實施方式】
[0086] 本說明書中公開的所有特征,或公開的所有方法或過程中的步驟,除了互相排斥 的特征和/或步驟W外,均可W W任何方式組合。
[0087] 本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征,除非特別敘 述,均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加 W替換。即,除非特別敘述,每個特征只 是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
[0088] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細描述。
[0089] 如圖1所示,根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,本實施例公開一種超聲電機控制方法,超 聲電機轉(zhuǎn)動過程中,隨著電機工作溫度的變化,電機的轉(zhuǎn)速將變得不穩(wěn)定,嚴重情況下,將 會影響到電機對控制信號的跟蹤性能。為了確保電機轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性,本實施例采用PID方法 對電機轉(zhuǎn)動速度進行閉環(huán)控制(如圖1所示)。同時,為了保證電機的定位精度,減小位置控 制過程中可能出現(xiàn)的超調(diào)、振蕩和位置偏差,本實施例為超聲電機預(yù)先設(shè)定了正常運行、減 速運行和停止=種工作模式,對電機的位置也采用了閉環(huán)控制策略(如圖1所示)。
[0090] 超聲電機控制過程中,信號的采集、數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)的傳輸是有效控制的基本 前提。圖2給出了單個控制周期內(nèi)的數(shù)據(jù)流圖W及數(shù)據(jù)處理過程。
[0091] 電機當前位置的準確計算是后續(xù)電機轉(zhuǎn)動方向確定、電機轉(zhuǎn)速自適應(yīng)計算W及艙 返數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。本實施例采用12位ADC采集反饋電位計的電壓值,來實現(xiàn)對電機位置的精確 測量。電機的當前位置可通過式(1 -2)進行計算。
[0092] loc = 2.0 ? Iociim ? (val-zero)/scal (9)
[OOW] Ioc = Ioc ? amp (10)
[0094] 其中,Ioc表示電機當前位置;
[00M] Iociim表示電機極限位置,為根據(jù)用戶需求設(shè)定的常量;
[0096] va I為ADC采集得到的12位反饋電位計電壓值;
[0097] zero為電機的電氣零位值,電機配置參數(shù);
[0098] seal為電機滿刻度值,電機配置參數(shù);
[0099] amp為放大倍數(shù)(由通信協(xié)議確定),常量。
[0100] 正常情況下,電機當前位置應(yīng)該在極限范圍W內(nèi)。為了保證超聲艙機運行的可靠 性,測量得到的電機位置如果超出其極限范圍,應(yīng)被限幅在極限范圍W內(nèi)。
[0101] 接收到上位機發(fā)來的艙控量(期望位置)后,首先對其進行限幅處理,避免電機轉(zhuǎn) 動到極限范圍之外。
[0102] 在滿足系統(tǒng)動態(tài)特性的前提下,降低電機的實時轉(zhuǎn)動速度可有效減小系統(tǒng)超調(diào)和 增強電機轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性。本實施例根據(jù)上位機發(fā)來的電機期望位置與實時測量得到的電機 當前位置之間的距離,在每個控制周期均動態(tài)自適應(yīng)地設(shè)定電機的實時運行轉(zhuǎn)速,并對其 進行轉(zhuǎn)速限幅(如圖3所示)。在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制過程中,W自適應(yīng)設(shè)定的轉(zhuǎn)速為PID控制的目 標轉(zhuǎn)速。
[0103] 進一步的,本實施例采用高精度熱敏電阻來監(jiān)測超聲電機的實時工作溫度。超聲 電機設(shè)計階段,應(yīng)通過熱敏電阻-工作溫度試驗(高低溫試驗)確定系統(tǒng)的熱敏電阻-工作溫 度模型。通過帶溫度補償?shù)暮懔髟措娐穼崦綦娮桦S電機溫度的電阻變換值轉(zhuǎn)換為電壓的 變化值,經(jīng)主控忍片的AD對莫塊(12位)采集后,由下式轉(zhuǎn)換為超聲電機的當前工作溫度。
[0104] Ou
[0105] (1巧
[0106] 式(4)為超聲能機的溫度-電阻模型,可通過超聲艙機熱敏電阻標定得到。其中,
[0107] 3.3為參考電壓值,為12位ADC的表示范圍;
[0108] valR為ADC采集得到的12位熱敏電阻電壓值;
[0109] Ir為恒流源測量電路的電流值,為5mA;
[0110] n為熱敏電阻在當前溫度下電阻值;
[0111] kTR表示熱敏電阻溫度-電阻模型曲線的斜率,為超聲艙機配置參數(shù);
[0112] diSTR表示熱敏電阻溫度-電阻模型曲線的截距,為超聲艙機配置參數(shù);
[0113] W表示超聲電機的當前溫度。
[0114] 超聲電機的工作頻率下限(保證超聲電機正常工作的控制信號頻率下限,如果控 制信號頻率低于該值,則電機將持續(xù)超高速旋轉(zhuǎn),將帶來電機轉(zhuǎn)動不穩(wěn),嚴重時電機可能發(fā) 生永久性損壞)隨著電機工作溫度的變化而變化。超聲電機設(shè)計階段,應(yīng)通過溫度-工作頻 率試驗(高低溫試驗)確定系統(tǒng)的溫度-系統(tǒng)工作頻率下限模型。根據(jù)得到的超聲電機實時 工作溫度,可通過式(3)計算出超聲電機在該溫度下的工作頻率下限。
[0115] fdown = kxF ? WR+diSTF (13)
[0116] f brake = fdown+f span (14)
[0117] 式(5)為超聲艙機的溫度-工作頻率下限模型,可通過超聲艙機高低溫標定得到。 超聲電機控制過程中,當電機當前位置距離目標位置小于設(shè)定值(剎車距離)時,可通過式 (6)計算出超聲電機當前工作溫度下的剎車頻率,從而實現(xiàn)快速剎車。其中,
[011引fdDwn為超聲電機當前工作溫度下的工作頻率下限;
[0119] kTF表示熱敏電阻溫度-電阻模型曲線的斜率,為超聲艙機配置參數(shù);
[0120] diSTF表示熱敏電阻溫度-電阻曲線的截距,為超聲艙機配置參數(shù);
[0121] fbrake為超聲電機當前工作溫度下剎車頻率;
[0122] fspan為超聲電機正常運行與低速運行(剎車)的控制信號頻率之差,為超聲艙機配 置參數(shù)。
[0123] 進一步的,本實施例采用DAC輸出模擬直流電壓,經(jīng)驅(qū)動電路進行電壓范圍縮放、 壓頻轉(zhuǎn)換W及功率放大后向超聲電機輸出控制信號。對于不同的超聲電機控制器,應(yīng)通過 控制器標定試驗確定DAC輸出-控制信號頻率模型(對于不同的超聲電機控制器,該模型會 有所不同)。根據(jù)得到的超聲電機的實時工作頻率下限,可通過下式計算出超聲電機控制器 在超聲電機當前工作溫度下的DAC輸出值。
[0124]
(城
[0125] 式(7)為超聲能機的DAC輸出-控制信號頻率模型,可通過超聲艙機控制器標定得 至。。其中,
[0126] dac為超聲電機當前工作溫度下超聲電機控制器的DAC輸出值;
[0127] kDACF表示DAC輸出-控制信號頻率曲線的斜率,為超聲艙機配置參數(shù);
[01測 diSDACF表示MC輸出-控制信號頻率的截距,為超聲艙機配置參數(shù);
[0129] 通過如圖4所示流程計算電機的當前工作溫度、當前工作頻率下限和當前剎車頻 率。
[0130] 進一步的,電機實時轉(zhuǎn)速的有效計算是電機轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制的關(guān)鍵因素。如圖5 所示,當電機從位置A開始向著期望位置運動時,如果一個控制周期W內(nèi)電機轉(zhuǎn)動方向沒有 發(fā)生改變(距離較遠,電機沒有能夠轉(zhuǎn)動到期望位置,電機的運動路徑為位置A-〉位置B),貝^ 電機實時轉(zhuǎn)速=運動距離/控制周期;另一種情況是,一個控制周期內(nèi)電機轉(zhuǎn)動方向發(fā)生改 變(距離較近,電機的運動路徑為位置A-〉位置B-〉位置C-〉位置B),上述計算轉(zhuǎn)速的方式將 會出現(xiàn)錯誤,從而影響PID調(diào)速過程。
[0131] 本實施例采用如圖6所示的方法,在每個控制周期計算電機的累計轉(zhuǎn)動距離,從而 實現(xiàn)電機實時轉(zhuǎn)速的準確計算。
[0132] 進一步的,本實施例采用增量式PI調(diào)整策略穩(wěn)定電機的轉(zhuǎn)速。PID調(diào)整量可由式 (8-10)計算得到。
[013;3] Veer = Vset-V (16)
[0134] pk = KP ? (Vee廣Vpre_eer)+KI ? Veer (17)
[013 引 pki =地 1+pk (18)
[0136] 其中,Vset為電機設(shè)定轉(zhuǎn)速;
[0137] V為電機當前實測轉(zhuǎn)速;
[013引 Veer為本控制周期轉(zhuǎn)速偏差;
[0139] Vpre_eer為上一控制周期轉(zhuǎn)速偏差;
[0140] KP,KI為PID控制參數(shù);
[0141] 地為PID調(diào)整增量;
[0142] pki 為 PID 調(diào)整量。
[0143] 電機PID調(diào)速及最終輸出控制信號頻率計算流程如圖7所示。為防止電機轉(zhuǎn)速過 快,采用電機當前工作頻率下限來對每個控制周期計算得到的電機當前工作頻率進行限幅 處理。
[0144] 通過比較電機當前位置和期望位置的關(guān)系,控制電機工作在正常運行狀態(tài)、剎車 狀態(tài)和停止狀態(tài),確保電機在一定精度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動到期望位置。超聲電機位置閉環(huán)控制策 略如圖8所示:
[0145] W上控制策略的關(guān)鍵點在于:
[0146] 1)在每個控制周期內(nèi),W無限循環(huán)的方式進行位置檢測與控制,直到電機轉(zhuǎn)動到 期望位置的精度范圍W內(nèi);
[0147] 2)當檢測到電機到達剎車位置時,立即輸出當前工作溫度下的剎車頻率工作信 號,保證電機轉(zhuǎn)速的即刻下降,有效降低位置閉環(huán)控制過程中的超調(diào)和振動,從而顯著提高 了電機位置的控制精度,同時也改善了電機的動態(tài)性能。
[0148] 進一步的,本實施例中通信協(xié)議設(shè)計如下:
[0149] 艙機控制器與上位機通過RS422端口進行數(shù)據(jù)通信(波特率115200,停止位1,數(shù)據(jù) 位8,奇校驗)。上位機發(fā)送給艙機控制器的指令數(shù)據(jù)帖格式見表1所示。
[0154] 上位機發(fā)送給艙機控制器的配置數(shù)據(jù)帖格式見表3所示。[0155] 表3艙機配置參數(shù)數(shù)據(jù)帖格式
[0150] 表1指令數(shù)據(jù)帖格式 [01511
[(
[(
[0156] I 1
[0161]表5艙機狀態(tài)字格式
[0162]
[
[0164]本實施例通過空載試驗和彈性負載試驗,來驗證本實施例超聲艙機控制系統(tǒng)及軟 件設(shè)計的有效性。
[01化]空載試驗
[0166] 如圖9至圖12所示,本試驗中,艙機不帶負載。采用PC機模擬上位機,通過串口向艙 機控制器發(fā)送不同幅度和不同頻率的艙控信號(頻率范圍1~15化和幅度范圍-10°~10°的 正弦信號),并實時讀取艙機的當前位置,然后發(fā)送回上位機。通過對比控制信號和艙返信 號,判斷空載條件下超聲艙機對控制信號的跟蹤能力。
[0167] 空載試驗結(jié)果表明,在本實施例設(shè)計的超聲艙機控制系統(tǒng)及軟件的作用下,超聲 電機對艙控信號有非常良好的跟蹤作用,在頻率范圍1~15化和幅度范圍-10°~10°的幅度 衰減均低于5%,相位滯后均低于10°。限于篇幅,圖9~12僅列出了部分幅度和頻率的艙控 信號和艙返信號對照曲線。
[016引彈性負載試驗
[0169] 如圖13至16所示,本試驗中,艙機帶彈性負載(通過??谠O(shè)計的方形長條彈性桿來 模擬彈性負載,負載力矩梯度為〇.〇4N.m/°)。采用PC機模擬上位機,通過串口向艙機控制器 發(fā)送不同幅度和不同頻率的正弦控制信號,并實時讀取艙機的當前位置,然后發(fā)送回上位 機。通過對比控制信號和反饋信號,判斷彈性負載條件下超聲艙機對控制信號的跟蹤能力。
[0170] 彈性負載試驗結(jié)果表明,在超聲電機的最大工作力矩范圍內(nèi)(本實施例中為 0.5N. m),在本實施例設(shè)計的超聲艙機控制系統(tǒng)及軟件的作用下,超聲電機對艙控信號的跟 蹤性能與空載條件下幾乎一致,有非常良好的跟蹤作用,在所要求的頻率范圍(1~15化)內(nèi) 的幅度衰減均低于5%,相位滯后均低于10°。限于篇幅,圖13~16僅列出了彈性負載條件下 部分幅度和頻率的艙控信號和艙返信號對照曲線。
[0171] 本實施例針對超聲艙機轉(zhuǎn)速隨著溫度發(fā)生變化、超速轉(zhuǎn)動、反轉(zhuǎn)、構(gòu)成復(fù)雜且特性 參數(shù)繁多等特點,提出了自適應(yīng)轉(zhuǎn)速確定、溫度補償、頻帶限制、增量式PI控制等超聲艙機 控制系統(tǒng)設(shè)計解決方案,空載試驗和負載試驗表明,在本實施例提出的超聲艙機控制系統(tǒng) 設(shè)計方法和軟件實現(xiàn)方法的作用下,超聲艙機轉(zhuǎn)動非常穩(wěn)定,未發(fā)生超速、反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速突變 等不良現(xiàn)象,同時,對于頻率范圍1~15化和幅度范圍-10°~10°的正弦艙控信號,有非常優(yōu) 良的動態(tài)跟蹤性能(幅度衰減均低于5%,相位滯后均低于10°)。本實施例提出的超聲艙機 參數(shù)可配置解決方案,有效地提升了超聲艙機控制軟件對不同硬件構(gòu)成的適應(yīng)能力,可實 現(xiàn)超聲艙機幾大模塊(超聲電機、反饋電位計和艙機控制器)的靈活組合。
[0172] 在本說明書中所談到的"一個實施例"、"另一個實施例"、"實施例"等,指的是結(jié)合 該實施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或者特點包括在本申請概括性描述的至少一個實施例中。 在說明書中多個地方出現(xiàn)同種表述不是一定指的是同一個實施例。進一步來說,結(jié)合任一 個實施例描述一個具體特征、結(jié)構(gòu)或者特點時,所要主張的是結(jié)合其他實施例來實現(xiàn)運種 特征、結(jié)構(gòu)或者特點也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0173] 盡管運里參照發(fā)明的多個解釋性實施例對本發(fā)明進行了描述,但是,應(yīng)該理解, 本領(lǐng)域技術(shù)人員可W設(shè)計出很多其他的修改和實施方式,運些修改和實施方式將落在本申 請公開的原則范圍和精神之內(nèi)。更具體地說,在本申請公開權(quán)利要求的范圍內(nèi),可W對主題 組合布局的組成部件和/或布局進行多種變型和改進。除了對組成部件和/或布局進行的變 型和改進外,對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說,其他的用途也將是明顯的。
【主權(quán)項】
1. 一種超聲電機控制方法,其特征在于所述的控制方法包括W下步驟: 步驟一、確定熱敏電阻-工作溫度模型; 步驟二、確定溫度-系統(tǒng)工作頻率下限模型; 步驟Ξ、確定DAC輸出-控制信號頻率模型; 步驟四、計算電機溫度及頻率。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲電機控制方法,其特征在于所述的步驟一包括:通過帶溫 度補償?shù)暮懔髟措娐穼崦綦娮桦S電機溫度的電阻變換值轉(zhuǎn)換為電壓的變化值,經(jīng)主控忍 片的AD對莫塊采集后,由下式轉(zhuǎn)換為超聲電機的當前工作溫度:式(4)為超聲艙機的溫度-電阻模型,通過超聲艙機熱敏電阻標定得到;其中, 3.3為參考電壓值,212-1為12位40賄]表示范圍; valR為ADC采集得到的12位熱敏電阻電壓值; Ir為恒流源測量電路的電流值; η為熱敏電阻在當前溫度下電阻值; kTR表示熱敏電阻溫度-電阻模型曲線的斜率,為超聲艙機配置參數(shù); diSTR表示熱敏電阻溫度-電阻模型曲線的截距,為超聲艙機配置參數(shù); WR表示超聲電機的當前溫度。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲電機控制方法,其特征在于所述的步驟二包括:根據(jù)得到 的超聲電機實時工作溫度,通過式(3)計算出超聲電機在該溫度下的工作頻率下限: fdown = kxF · WR+diSTF (3) f brake - fdown+fspan ( 4 ) 式巧)為超聲艙機的溫度-工作頻率下限模型,通過超聲艙機高低溫標定得到;其中, fdDwn為超聲電機當前工作溫度下的工作頻率下限; kTF表示熱敏電阻溫度-電阻模型曲線的斜率; diSTF表示熱敏電阻溫度-電阻曲線的截距; fbrake為超聲電機當前工作溫度下剎車頻率; fspan為超聲電機正常運行與低速運行的控制信號頻率之差。 4 .根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲電機控制方法,其特征在于所述的步驟Ξ包括:根據(jù)得到 的超聲電機的實時工作頻率下限,通過下式計算出超聲電機控制器在超聲電機當前工作溫 度下的DAC輸出值:式(7)為超聲艙機的DAC輸出-控制信號頻率模型,通過超聲艙機控制器標定得到;其 中, dac為超聲電機當前工作溫度下超聲電機控制器的DAC輸出值; kDACF表示DAC輸出-控制信號頻率曲線的斜率; diSDACF表示DAC輸出-控制信號頻率的截距。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲電機控制方法,其特征在于還包括:采用增量式PI調(diào)整策 略穩(wěn)定電機的轉(zhuǎn)速步驟;PID調(diào)整量由下式計算得到: Veer = Vset-V (6) pk = KP · (Veer-Vpre_eer)+KI · Veer (7) pki = pki+pk (8) 其中,Vset為電機設(shè)定轉(zhuǎn)速; V為電機當前實測轉(zhuǎn)速; Veer為本控制周期轉(zhuǎn)速偏差; Vpre_eer為上一控制周期轉(zhuǎn)速偏差; ΚΡ,ΚΙ為PID控制參數(shù); 地為PID調(diào)整增量; pki為PID調(diào)整量。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲電機控制方法,其特征在于還包括:采用電機當前工作頻 率下限對每個控制周期計算得到的電機當前工作頻率進行限幅處理步驟。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲電機控制方法,其特征在于還包括根據(jù)上位機發(fā)來的電 機期望位置與實時測量得到的電機當前位置之間的距離,在每個控制周期均動態(tài)自適應(yīng)地 設(shè)定電機的實時運行轉(zhuǎn)速,并對其進行轉(zhuǎn)速限幅步驟。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲電機控制方法,其特征在于還包括電機位置閉環(huán)控制步 驟,包括:通過比較電機當前位置和期望位置的關(guān)系,控制電機工作在正常運行狀態(tài)、剎車 狀態(tài)和停止狀態(tài)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲電機控制方法,其特征在于所述的電機位置閉環(huán)控制步 驟包括:在每個控制周期內(nèi),W無限循環(huán)的方式進行位置檢測與控制,直到電機轉(zhuǎn)動到期望 位置的精度范圍W內(nèi)。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲電機控制方法,其特征在于所述的電機位置閉環(huán)控制步 驟包括:當檢測到電機到達剎車位置時,立即輸出當前工作溫度下的剎車頻率工作信號。
【文檔編號】H02N2/14GK105978400SQ201610414821
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月14日
【發(fā)明人】敖永才, 周保琢, 李雪, 閆格, 楊筱倩, 嚴明, 谷永艷
【申請人】四川航天系統(tǒng)工程研究所