有限转角力矩电机的转角位置控制方法技术

本发明专利技术涉及一种有限转角力矩电机的转角位置控制方法，通过数学分析的方法得到被控对象（有限转角力矩电机）的数学表达式，并根据该表达式确定需要获得的电机参数；表达式中不能直接获得的参数，通过实验测量得出输入输出的关系以求出该参数的数学表达式；对所得到的具体被控对象的数学模型进行分析，并相应设计改进的控制器结构：对被控对象中的非线性部分做插补处理并作为软件补偿参数传输至控制器中；对被控对象中的高阶部分通过硬件新增闭环的方法，实现控制系统的降阶处理；针对被控对象负载的波动问题，通过设计EKF观测器软件，预测控制对象下一时刻的加速度和速度情况，改善控制系统的动态特性。制系统的动态特性。制系统的动态特性。

【技术实现步骤摘要】
有限转角力矩电机的转角位置控制方法


[0001]本专利技术涉及电机控制领域，尤其涉及一种有限转角力矩电机的转角位置控制方法。

技术介绍

[0002]有限转角力矩电机(Limited Angle Torque Motor, LATM)作为一种机电旋转执行器，具有通常小于
ꢀ±
180
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的有限角运动，已广泛应用于精密伺服系统，如光学扫描系统、航空航天系统和简单的切换阀。与传统的旋转电机相比，LATM具有更高的扭矩/功率比、更低的成本、更高的可靠性和更少的机械连接部件等诸多优势。由有限转角力矩电机组成的伺服阀通过一个内置在电机轴上的偏心机构来直接驱动阀芯，该伺服阀结构简单、紧凑、体积小、重量轻、静动态性能好，具有良好的市场前景。转矩系数是评价有限转角力矩电机输出特性的重要指标，转矩系数等于单位电流输入下的力矩输出大小，转矩系数越大，电机的动态性能也越好。
[0003]现有的有限转角力矩电机的控制系统的普遍设计方法是，将控制对象视为一个近似的线性模型，并根据该模型设计简单的闭环位置控制系统。在控制器结构上，通常采用位置传感器构成的单闭环位置控制；在控制器硬件上，通常采用微处理器生成驱动控制信号，经功率放大电路放大后直接驱动电机；在控制器的控制算法上，通常采用PID的闭环控制算法。
[0004]现有的有限转角力矩电机的控制系统设计不足之处如下：1）控制对象模型建立具有较大偏差。现有的设计方法认为：有限转角力矩电机的转矩系数为定值，即在所有工作条件下，输入电流与输出转矩的呈严格线性关系。然而实际上，有限转角电机的电机模型存在较多非线性因素，如电枢电感与磁链，其转矩非线性偏差随电流与转子位置的变化而变化。这些非线性因素将导致转矩系数随着输入电流和转子转角的变化而发生变化。若输出非线性偏差较大，将会引发较为严重的转矩波动问题。即电机是一个主要受到转子角度和输入电流影响的非线性模型，这种模型建立的偏差将直接影响控制系统的性能。在高精度、快速性的应用场合中，将非线性模型视为线性模型所产生的模型偏差将会极大的制约控制系统的控制精度和响应的提高。
[0005]2）采用的PID控制算法与控制对象不匹配。PID控制算法是一种基于数据驱动的，不需要被控对象的精确模型就能设计的控制算法。PID控制算法对二阶以内的线性系统具有良好的控制效果。然而，在有限转角力矩电机的驱动控制中，由处理器端的电压输入到电机的转角位置的输出实际上是一个三阶受控对象，PID的控制不能实现较高的控制精度。与此同时，由于有限转角力矩电机的非线性特性的存在，被控对象实际上是一个非线性系统，当被控对象的非线性特性较明显时，采用PID控制算法的控制系统很难达到良好的控制效果。
[0006]3）被控对象的负载波动问题。在实际的应用过程中，电机上的负载力不是一个恒定不变的力，该力的大小会随着时间的变化而变化。于此同时，应用工况上的振动、摩擦力
等的干扰力存在，同样会影响负载力大小的波动。在负载力波动量较大的应用工况中，电机控制不能及时响应负载的变化，会导致控制响应时间的滞后。这些问题会导致控制系统的响应速度受到负载力制约，不能达到较高的动态性能。

技术实现思路

[0007]为解决以上问题，本专利技术提供一种动态性能好、精度高、稳定性强的有限转角力矩电机的转角位置控制方法。
[0008]本专利技术采用的技术方案是：一种有限转角力矩电机的转角位置控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：被控对象的建模与分析有限转角力矩电机的电机模型可以分为电磁力模型和动力学模型，在电机驱动的控制分析中，主要分析的是其动力学模型。电机的动力学模型可以由系统的运动方程组表达，而运动方程主要由电机的压电平衡方程、电磁力方程和力平衡方程得出；有限转角力矩电机的数学表达式如下： 1
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1式中， 为电机的端口电压， 为电机的输入电流， 为电机绕线电阻， 为电机绕线电感， 为电机的磁通量 1
‑
2式中， 为电机的转矩系数，由于电机的非线性特性，该系数会随着 的变化而发生变化； 1
‑
3式中， 为转子和转子上负载的转动惯量， 为电机转子转角， 为时间， 为摩擦系数， 为应用系统中回位弹簧的刚度， 为电机输出的电磁转矩， 为负载转矩；式1
‑
1、1
‑
2、1
‑
3分别为有限转角力矩电机的电气模型、电磁力模型和力学模型的数学表达式，在有限转角力矩电机的位置控制系统中，需要通过电机控制器对电机两端电压 的动态输入控制，实现被控电机转子转角 的精确控制；转子转角的输出值的精确度影响着位置控制系统的精度；电机转子的加速度决定控制系统的响应速度，加速度 的计算公式：
ꢀꢀꢀ1‑
4其中， 为电机转子的角速度， 为电机转子的加速度，在有限转角力矩电机的位置控制系统中，若要保证位置控制的位置响应的快速性和稳定性，则 需要保证在一定的数值范围内；当 的值小时会造成响应时间的滞后，当 的值大时会造成位置响应的稳定性变差；S2：基于数据驱动的模型参数获取：根据有限转角力矩电机的动力学模型数学表达式可知：要获得准确的数学模型，
电机的参数：电机绕线电阻 、电机绕线电感 、转子和转子上负载的转动惯量 、摩擦系数、应用系统中回位弹簧的刚度和电机的转矩系数 ，都需要得到较为准确的测量；其中，除了 参数外，其他参数都能够通过现有的仪器进行简单的测量，并且能够获得较高的测量精度；电机的转矩系数 参数受到多种电机设计参数影响，当加工工艺的精度不能保证时，其值的波动量不能得到有效控制；针对无法直接获得的参数，可以通过搭建电机的测试实验平台，通过测试获得电机的输入输出数据，根据该数据的分析和处理，描述电机的参数特性。利用基于数据驱动方法：设计能够获得被控对象模型参数的设备，通过一定的测试方法获得大量的电机工况数据和电机实际输出数据，通过数据处理手段获得电机的转矩系数 的数学表达形式；针对该测试平台，其通过控制电机的 输入量改变电机的工况，测量在不同的输入量下的转矩 的输出值，并记录以上的输入和输出数据，采用特定的数据处理方法描绘出的关系曲线，即可得到 的数学函数表达式；S3：基于模型驱动的模型分析通过以上方法，数学表达式中的电机参数都能够得到精度较高的测量；因此可以用以上的数学模型参数描述出较为准确的电机模型；为了根据运动方程指导控制器的设计，需要对该方程做拉斯变换处理，1
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1和1
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2经过拉斯变换处理后得到： 3
‑1ꢀꢀ3‑
2根据3
‑
1，3
‑
2联合可以得到，当电机的端口电压作为输入量，电机的转角位置作为输出量时，系统的传递函数如下：
ꢀꢀꢀ3‑
3由以上传递模型的分析可知：当忽略负载力 的变化时，该数学模型为三阶系统；传统的控制器采用的是PID控制算法，而PID控制算法更适用于二阶线性控制系统。若采用PID控制算法直接进行控制，被控对象的阶数较高，控制精度无法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
ꢀꢀꢀꢀ3‑
2根据3
‑
1，3
‑
2联合可以得到，当电机的端口电压作为输入量，电机的转角位置作为输出量时，系统的传递函数如下：
ꢀꢀꢀ3‑
3。2.根据权利要求1所述的有限转角力矩电机的转角位置控制方法，其特征在于：通过引入电流闭环，使得原先对电机的驱动控制由电压控制变为电流控制，此时式3
‑
1的压电方程被约去，控制量为电机的电流，其表达式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀ4‑
1。3. 根据权利要求2所述的有限转角力矩电机的转角位置控制方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：程鑫，莫佳坤，陈强，邓伟建，黄涛，韩屏，
申请(专利权)人：武汉至驱动力科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：