[发明专利]一种光电跟踪系统水平轴双电机装置及同步驱动跟踪控制方法

权利要求书

1.一种光电跟踪系统水平轴双电机装置，其特征在于包括：第一直流力矩电机（1）、第二直流力矩电机（2）、第一功率驱动模块（3）、第二功率驱动模块（4）、测速机（5）、位置编码器（6）、水平轴负载（7）和控制处理器（8）；第一直流力矩电机（1）和测速机（5）安装在水平轴（9）一侧；第二直流力矩电机（2）和位置编码器（6）安装在水平轴（9）的另一侧；水平轴负载（7）安装在水平轴（9）的中间位置；控制处理器（8）输出两路PWM脉冲调宽控制量，其中一路控制量经第一功率驱动模块（3）驱动放大后，驱动第一直流力矩电机（1），另一路控制量经第二功率驱动模块（4）驱动放大后，驱动第二直流力矩电机（2）；工作时，水平轴（9）两端的第一直流力矩电机（1）、第二直流力矩电机（2）同时工作，共同驱动水平轴（9）旋转进行稳定跟踪；

所述控制处理器（8）是一个多回路闭环的控制结构，包括一个位置回路、一个速度回路和两个电流回路；位置回路输入给定为跟踪目标轨迹位置或引导跟踪的理论位置，把位置回路的输入给定与位置编码器（6）的数据相减，得到位置回路误差量，将位置回路误差量代入位置回路校正传递函数Gp，计算后得到速度回路的给定量，再把速度回路给定量与测速机（5）的数据相减，得到速度回路误差量，再将速度回路误差量代入速度回路校正传递函数Gv，计算后得到电流回路给定量，由于只有一个速度回路输出，因此第一直流力矩电机（1）、第二直流力矩电机（2）的电流给定也是共用的，即第一直流力矩电机（1）电流给定量等于第二直流力矩电机（2）电流给定量；在第一直流力矩电机（1）和第二直流力矩电机（2）的电流回路中，分别用电流给定量与各自的电流反馈值，即第一电流反馈和第二电流反馈相减得到各自的电流回路输入误差，同时把第一直流力矩电机（1）、第二直流力矩电机（2）的电流反馈值相减，得到一个差电流反馈值，用这个差电流 反馈值来分别修正两个电机的电流回路输入误差量，即在某时刻，对电流反馈值大的电机，电流回路输入误差量再减去该差电流反馈值，而对电流反馈值小的电机，电流回路输入误差量再加上该差电流反馈值，再分别把修正后的电流回路输入误差量代入各自的电流回路进行计算，分别得到两个电机的PWM脉冲调宽控制量，即修正后的第一直流电机的电流回路输入误差量经过第一直流力矩电机（1）的电流回路校正传递函数Ga1和第一直流力矩电机（1）的电流回路控制对象特性的传递函数Gi1后，得到第一直流力矩电机（1）的PWM脉冲调宽控制量；同理，修正后的第二直流电机的电流回路输入误差量经过第二直流力矩电机（2）的电流回路校正传递函数Ga2和第二直流力矩电机（2）的电流回路控制对象特性的传递函数Gi2后，得到第二直流力矩电机（2）的PWM脉冲调宽控制量。最后再将各自的PWM脉冲调宽控制量分别送各自的功率驱动模块K1和K2进行功率驱动放大处理，驱动放大后的控制量直接驱动各自对应的电机Gd1和Gd2，由于Gd1和Gd2安装于同一水平轴Go，因此实现双电机Gd1和Gd2同步驱动水平轴Go运行工作。

2.根据权利要求1所述的光电跟踪系统水平轴双电机装置，其特征在于：所述第一直流力矩电机（1）和第二直流力矩电机（2）是同一型号电机，具有相同设计规格参数。

3.一种利用权利要求1所述装置实现同步驱动跟踪的控制方法，其特征在于实现步骤如下：

A．在设计前，按照权利要求1所述的各部分连接起来构成一个完整系统，把位置回路输入给定与编码器反馈相减，得到位置回路输入误差，将该位置回路输入误差代入位置回路校正传递函数Gp，得到速度回路输入给定，再将速度回路输入给定与测速机反馈相减，得到速度回路输入误差，再将该速度回路输入误差代入速度回路校正传递函数Gv，得到电流回路的输入给定，把这个电流回路的输入给定分别同时送给两个电机的电流回路，也就是 说，两个电机的电流回路给定是一样的，在这里，在第一直流力矩电机（1）和第二直流力矩电机（2）的电流回路中，分别用电流给定量与各自的电流反馈值，即第一电流反馈和第二电流反馈相减得到各自的电流回路输入误差，同时把第一直流力矩电机（1）、第二直流力矩电机（2）的电流反馈值相减，得到一个差电流反馈值，用这个差电流反馈值来分别修正两个电机的电流回路输入误差量，即在某时刻，对电流反馈值大的电机，电流回路输入误差量再减去该差电流反馈值，而对电流反馈值小的电机，电流回路输入误差量再加上该差电流反馈值，再分别把修正后的电流回路输入误差量代入各自的电流回路进行计算，分别得到两个电机的PWM脉冲调宽控制量，即修正后的第一直流电机的电流回路输入误差量经过直流力矩电机（1）的电流回路校正传递函数Ga1和直流力矩电机（1）的电流回路控制对象特性的传递函数Gi 1后，得到直流力矩电机（1）的PWM脉冲调宽控制量；同理，修正后的第二直流电机的电流回路输入误差量经过直流力矩电机（2）的电流回路校正传递函数Ga2和直流力矩电机（2）的电流回路控制对象特性的传递函数Gi2后，得到直流力矩电机（2）的PWM脉冲调宽控制量；最后再将各自的PWM脉冲调宽控制量分别送各自的功率驱动模块K1和K2进行功率驱动放大处理，驱动放大后的控制量直接驱动各自对应的电机Gd1和Gd2，由于Gd1和Gd2安装于同一水平轴Go，即实现了双电机Gd1和Gd2同步驱动水平轴Go运行工作；

B.在整个系统设计过程中，各回路的设计先后顺序是由内往外逐层设计的，即先是电流回路，其次是速度回路，最后为位置回路；

C．设计电流回路，先分别测得第一直流力矩电机（1）和第二直流力矩电机（2）的电流开环频率特性Gi1和Gi2，一般电流回路反映的是控制系统的电气特性，因此电流回路的控制对象特性为一个惯性环节，它的传递函数可设为：                                                   式中R为电机内阻，T_a为电机电磁时间常数，设计出其电流回路校正传递函为一个纯比例校正网络，有Ga1=Ga2=常数； 

D．设计速度回路，将第一直流力矩电机（1）和第二直流力矩电机（2）视为一个整体，在电流回路闭环的基础上，测得两个电机和水平轴负载（7）同时对正弦激励信号的响应，得到整个水平轴其速度开环频率特性，运用频域分析法，设计水平轴速度回路校正传递函数；速度回路校正传递函数设计好后，测试其速度闭环带宽；

E．设计位置回路，系统的位置回路控制算法采用PID控制器，利用PID整定法，在线实时对各参数进行调整，使系统跟踪稳定；

F．在系统工作稳定的基础上，采用偏差耦合控制方法，利用差电流反馈修正第一直流力矩电机（1）和第二直流力矩电机（2）的电流回路给定控制量，从而提高第一直流力矩电机（1）和第二直流力矩电机（2）实时输出力矩的平衡性，进一步提高系统跟踪稳定性，即在某时刻，对电流反馈值大的电机，电流回路输入误差量再减去该差电流反馈值，而对电流反馈值小的电机，电流回路输入误差量再加上该差电流反馈值。