基于双环控制的直流电机稳速伺服控制器设计
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一般的单速度环调节器没有什么差别 , 所不同的 是速度调节器输出不是直接驱动执行机构而是作
作者简介：刘检荣(1973－)，男，工程师，研究方向：电机产品研制与项目开发及管理。
第6期
刘检荣:基于双环控制的直流电机稳速伺服控制器设计
65
I( k-1 ),依次类推。 采用PID控制算法来进行电流调节器输出计 算,离散化的增量PID控制模型为:
1
系统硬件
控制器的硬件结构图如图1所示。
2
直流电机双环伺服原理
双环调速系统采用电流环和速度环共同完成 系统的速度调节,其结构如图2所示。 图2中, U g 为速度给定信号, U fn 为速度反馈信 号, U gi 为速度调节器输出信号,该信号又作为电流 环给定信号 , U fi 为电流反馈信号 , U k 为电流调节 器输出信号 , 根据这个信号计算 PWM 信号占空 比。从图中可以看到,电流调节环构成系统内环,
64
机电技术
2012 年 12 月
基于双环控制的直流电机稳速伺服控制器设计
刘检荣
(厦门达真电机有限公司,福建 厦门 361005) 摘 要: 提出一种新的跑步机直流电机控制方式,采用转速､电流双闭环控制,该方法具有调速效果好､成本低､安装方
便等特点,很适合用于跑步机的电机调速。 关键词:EM78P459;PWM;PID;跑步机;直流电机调速 中图分类号:TM33 文献标识码:A 文章编号:1672-4801(2012)06-064-03
度差的差值,e(k-1)= Ugi (k-1)- Ufi (k-1),依次类推。 T 为电流采样周期 ,Kp 为比例项系数 ,Ti 为积分时间 常数,Td为微分时间常数。 PID参数由试验方法整定,本次系统设计是采 用临界比例法,首先将控制器选为纯比例控制器, 并形成闭环, 改变比例系数,使系统对阶跃输入的 响应达到临界状态,这时记下比例系数Kr､临界震 荡周期 Tr, 根据 Ziegler-Nichols 提供的经验公式, 就 可以由这两个基准参数达到不同类型控制器的参 数 。 本 系 统 是 设 计 成 PID 控 制 , 则 根 据 Ziegler-Nichols 经验公式有 Kp =0.6Kr,Ti =0.5Tr,Td =0.12Tr。
PWM信号控制通断。设PWM信号周期为T､导通 时间为 ,则电动机得到的供电电压为:
Ua
其中,
1 U1dt U1 U1 T 0 T
(1)
T
为PWM信号占空比,直流电机速度可
由下式确定:
n
U RI K
(2)
其中,n为转速,U为电枢供电电压,R为电枢回路总 电阻,I为电枢电流,为励磁磁通,K为结构系数。 显 然,调节占空比,就可以改变电机供电电压,通过增 减电机驱动电压就可调整转速 , 从而改变电机转 速。 电机工作中 2 个重要的参数电流 I 与转速 n 分 别通过电流采样与测速环节测得 , 通过相应的调 理电路后送入 CPU 作为调整控制的采集样本。 CPU 通过给定的速度以及采集到的速度 ､ 电流样 本调节PWM信号占空比,保证电机速度稳定在给 定的数值上。
图1
控制器原理框图
跟踪速度调节环输出信号 U gi , 使系统始终保持
电路中,继电器作为供电主开关把220 V市电 提供给整流桥,整流桥提供310 V直流驱动电压U1, 该直流电压经 IGBT 管 , 为电动机供电 ,IGBT 管由
*厦门市科技计划项目(3502Z20123013)
U gi = U fi ,实现无差调节。外环是速度调节环,它和
作为传统跑步机的更新 , 现代跑步机基本上 采用电机带动 , 这使得跑步机具有了更新的功能 和更有效的锻炼效果。然而,电机的使用给跑步机 的电机伺服控制带来了一些特有的困难和亟待解 决的技术问题:首先,跑步机电机速度调整范围宽, 为0.8~10 km;其次,跑步机电机负载为脉动负载,脚 蹬地那一瞬间对地面的冲力最大 , 即此时电机负 载转矩最大,转速下降。 而脚离地那一瞬间,会有向 后蹬履带的动作,即人为的给电动机一个加速力, 此时负载转矩最小,转速会加快;第三,跑步机电机 控制器成本不能高,因此结构必须简单。由于直接 使用者是普通的人,因此工作必须十分可靠,不能 有爆冲和滞拖的情况发生。 目前大多数的跑步机调速均采用转速单闭环 控制,然而单闭环调速有两个突出的缺点:首先,在 低速情况下快速响应性能不好 , 这使得它不能很 好的抑制跑步机特有的冲爆式负载扰动;其次,无 法用一套调速算法实现在宽速度范围内的稳速控 制,因此必须采用分段控制。 针对这些问题,本文提 出了一种速度､电流双闭环跑步机调速方法。
为电流环的跟踪给定值。这样,当电机Leabharlann Baidu速n跟踪 住速度给定值 U g 时, U g = U fn ,速度调节器的输出
U gi 作为内环给定值维持不变,电流内环保证电枢
电流服从内环给定值 U gi ,表现为恒流调节。当电 机转速 n 偏离速度给定值 U g 时 , U g U fn , 速度调 节器的输出 U gi 同步改变,这个改变带动内环跟踪 新的内环给定值 U gi ,从而改变电机转速,使之向速 度给定值 U g 靠拢,表现为随动调节。 文献 [1] 指出 , 实际系统电磁时间常数一般都 远小于机电时间常数 , 电流调节速度大大快于转 速的变化 , 因此双环控制系统能够及时的捕捉到 突变扰动并加以调节。很好的解决了单速度环在 低速情况下快速响应性能不好的缺点 , 能很好的 抑制跑步机特有的冲爆式负载扰动。同样,由于电 流内环给定值是通过速度外环调节器给定而随动 调节,因此也解决了宽速度范围调节的问题。
4
结语
3
伺服控制系统实现
U k (k ) K p {[e(k ) e(k 1)] Td [e(k ) 2 e(k 1) e(k 2)]} T
图2 双闭环系统结构图
T e( k ) Ti
(5)
U k (k ) 表示本次输出增量,e(k)= Ugi (k)- Ufi (k), 是速度环输出的速度差与电流环计算出的速
作者简介：刘检荣(1973－)，男，工程师，研究方向：电机产品研制与项目开发及管理。
第6期
刘检荣:基于双环控制的直流电机稳速伺服控制器设计
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I( k-1 ),依次类推。 采用PID控制算法来进行电流调节器输出计 算,离散化的增量PID控制模型为:
1
系统硬件
控制器的硬件结构图如图1所示。
2
直流电机双环伺服原理
双环调速系统采用电流环和速度环共同完成 系统的速度调节,其结构如图2所示。 图2中, U g 为速度给定信号, U fn 为速度反馈信 号, U gi 为速度调节器输出信号,该信号又作为电流 环给定信号 , U fi 为电流反馈信号 , U k 为电流调节 器输出信号 , 根据这个信号计算 PWM 信号占空 比。从图中可以看到,电流调节环构成系统内环,
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机电技术
2012 年 12 月
基于双环控制的直流电机稳速伺服控制器设计
刘检荣
(厦门达真电机有限公司,福建 厦门 361005) 摘 要: 提出一种新的跑步机直流电机控制方式,采用转速､电流双闭环控制,该方法具有调速效果好､成本低､安装方
便等特点,很适合用于跑步机的电机调速。 关键词:EM78P459;PWM;PID;跑步机;直流电机调速 中图分类号:TM33 文献标识码:A 文章编号:1672-4801(2012)06-064-03
度差的差值,e(k-1)= Ugi (k-1)- Ufi (k-1),依次类推。 T 为电流采样周期 ,Kp 为比例项系数 ,Ti 为积分时间 常数,Td为微分时间常数。 PID参数由试验方法整定,本次系统设计是采 用临界比例法,首先将控制器选为纯比例控制器, 并形成闭环, 改变比例系数,使系统对阶跃输入的 响应达到临界状态,这时记下比例系数Kr､临界震 荡周期 Tr, 根据 Ziegler-Nichols 提供的经验公式, 就 可以由这两个基准参数达到不同类型控制器的参 数 。 本 系 统 是 设 计 成 PID 控 制 , 则 根 据 Ziegler-Nichols 经验公式有 Kp =0.6Kr,Ti =0.5Tr,Td =0.12Tr。
PWM信号控制通断。设PWM信号周期为T､导通 时间为 ,则电动机得到的供电电压为:
Ua
其中,
1 U1dt U1 U1 T 0 T
(1)
T
为PWM信号占空比,直流电机速度可
由下式确定:
n
U RI K
(2)
其中,n为转速,U为电枢供电电压,R为电枢回路总 电阻,I为电枢电流,为励磁磁通,K为结构系数。 显 然,调节占空比,就可以改变电机供电电压,通过增 减电机驱动电压就可调整转速 , 从而改变电机转 速。 电机工作中 2 个重要的参数电流 I 与转速 n 分 别通过电流采样与测速环节测得 , 通过相应的调 理电路后送入 CPU 作为调整控制的采集样本。 CPU 通过给定的速度以及采集到的速度 ､ 电流样 本调节PWM信号占空比,保证电机速度稳定在给 定的数值上。
图1
控制器原理框图
跟踪速度调节环输出信号 U gi , 使系统始终保持
电路中,继电器作为供电主开关把220 V市电 提供给整流桥,整流桥提供310 V直流驱动电压U1, 该直流电压经 IGBT 管 , 为电动机供电 ,IGBT 管由
*厦门市科技计划项目(3502Z20123013)
U gi = U fi ,实现无差调节。外环是速度调节环,它和
作为传统跑步机的更新 , 现代跑步机基本上 采用电机带动 , 这使得跑步机具有了更新的功能 和更有效的锻炼效果。然而,电机的使用给跑步机 的电机伺服控制带来了一些特有的困难和亟待解 决的技术问题:首先,跑步机电机速度调整范围宽, 为0.8~10 km;其次,跑步机电机负载为脉动负载,脚 蹬地那一瞬间对地面的冲力最大 , 即此时电机负 载转矩最大,转速下降。 而脚离地那一瞬间,会有向 后蹬履带的动作,即人为的给电动机一个加速力, 此时负载转矩最小,转速会加快;第三,跑步机电机 控制器成本不能高,因此结构必须简单。由于直接 使用者是普通的人,因此工作必须十分可靠,不能 有爆冲和滞拖的情况发生。 目前大多数的跑步机调速均采用转速单闭环 控制,然而单闭环调速有两个突出的缺点:首先,在 低速情况下快速响应性能不好 , 这使得它不能很 好的抑制跑步机特有的冲爆式负载扰动;其次,无 法用一套调速算法实现在宽速度范围内的稳速控 制,因此必须采用分段控制。 针对这些问题,本文提 出了一种速度､电流双闭环跑步机调速方法。
为电流环的跟踪给定值。这样,当电机Leabharlann Baidu速n跟踪 住速度给定值 U g 时, U g = U fn ,速度调节器的输出
U gi 作为内环给定值维持不变,电流内环保证电枢
电流服从内环给定值 U gi ,表现为恒流调节。当电 机转速 n 偏离速度给定值 U g 时 , U g U fn , 速度调 节器的输出 U gi 同步改变,这个改变带动内环跟踪 新的内环给定值 U gi ,从而改变电机转速,使之向速 度给定值 U g 靠拢,表现为随动调节。 文献 [1] 指出 , 实际系统电磁时间常数一般都 远小于机电时间常数 , 电流调节速度大大快于转 速的变化 , 因此双环控制系统能够及时的捕捉到 突变扰动并加以调节。很好的解决了单速度环在 低速情况下快速响应性能不好的缺点 , 能很好的 抑制跑步机特有的冲爆式负载扰动。同样,由于电 流内环给定值是通过速度外环调节器给定而随动 调节,因此也解决了宽速度范围调节的问题。
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结语
3
伺服控制系统实现
U k (k ) K p {[e(k ) e(k 1)] Td [e(k ) 2 e(k 1) e(k 2)]} T
图2 双闭环系统结构图
T e( k ) Ti
(5)
U k (k ) 表示本次输出增量,e(k)= Ugi (k)- Ufi (k), 是速度环输出的速度差与电流环计算出的速