[发明专利]直流电机速度微分反馈控制装置和方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种直流电机速度微分反馈控制装置和方法，特别涉及一种采用数字控制方式进行直流电机速度控制的系统。

背景技术：

直流电机速度的精确控制毫无疑问必须采用闭环反馈控制方式，即对输入和输出之间的误差进行运算，把运算结果通过功率驱动单元放大后驱动直流电机，才能获得较好的控制精度。对于误差的控制运算无外乎是比例（P），积分（I），微分（D）这几种的组合。为了满足足够的控制精度，即系统稳态是无差的，在控制回路的前向通道中积分运算是必不可少的，如果在前向通道中再增加微分运算，则对输入信号来讲就是增加了一个强迫项，带来的直接后果是输出就不能精确复现输入信号，因此除积分之外的其它强迫加在反馈通道中是适宜的。对于直流电机速度控制，反馈端的比例项应设置成1，这样就意味着直接进行速度反馈，在此基础上再叠加一个加速度反馈，意味着系统具有对速度变化有一个提前预测的能力，这样构成的系统就是微分反馈系统，它是一个伺服对象状态变量全反馈的系统。

在直流电机驱动的机械负载具有大阻尼特性时，由直流电机和机械负载这二者构成的等效阻尼系数对控制的性能会产生较大的影响，尤其是在采用数字控制方式的系统中体现更明显。如果不充分考虑等效阻尼系数，带来的后果是积分饱和，系统输出产生过驱动现象，引发输出超调。究其原因，过大的等效阻尼系数吸收了功率驱动单元输出至伺服对象的大部分能力，使得原本响应很快的系统变得很慢，这样输入输出之间的误差长时间维持在一个较大的范围，经过积分运算后使积分器很快进入饱和，也就使得功率驱动单元长时间在饱和状态下工作，系统输出也就产生了超调。模拟电路控制和数字控制方式在遇到大阻尼特性负载情况会有所大同，因为模拟电路中积分器一般是用运算放大器等器件实现的，其退出饱和的时间很短，而数字控制方式中积分运算是通过对误差的累积实现的，其退出饱和是通过程序周期逐渐退出，时间相对较长，因此在数字控制时，过驱动现象是很容易出现的。如果纯粹为了避免过驱动现象，积分系数会取得较小，但又满足不了系统响应快速性的要求，因此为了使得系统输出相对较快且不超调，在设计控制参数时需要对等效阻尼系数予以足够的重视。

发明内容：

本发明的目的就是针对现有数字控制方法在遇到等效阻尼较大的负载容易产生过驱动的问题，提供一种直流电机速度微分反馈控制装置和方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

直流电机速度微分反馈控制装置，所述装置由触摸屏、可编程控制器、数/模转换模块、功率驱动单元、伺服对象、光电编码器和高速计数器模块组成；所述伺服对象由直流电机串接机械负载组成，其中所述触摸屏的输出端依次串接可编程控制器、数/模转换模块、功率驱动单元后接直流电机的输入端，所述机械负载的输出端依次串接光电编码器、高速计数器模块后接可编程控制器的输入端。

直流电机速度微分反馈控制装置的控制方法，控制步骤为：

（1）开始，对可编程控制器内部程序设置的积分器进行初始化，积分器清零；

（2）通过触摸屏输入速度数字量指令信号值；

（3）高速计数器模块采集由光电编码器传送过来的反馈脉冲信号并传输给可编程控制器；

（4）可编程控制器对反馈信号进行一次差分运算，得到一次差分运算结果；

（5）可编程控制器对一次差分运算结果进行二次差分运算，得到二次差分运算结果；

（6）可编程控制器对二次差分运算结果乘以二次差分系数得到二次差分乘积；

（7）可编程控制器对一次差分运算结果和二次差分乘积两者进行加法运算，得到加法运算结果；

（8）可编程控制器对输入速度数字量指令信号与加法运算结果取误差；

（9）可编程控制器对误差信号进行累加积分；

（10）可编程控制器将累加积分结果乘以积分系数得到积分乘积；

（11）数/模转换模块将积分乘积进行数/模转换得到模拟量控制信号，工作流程同时又返回到步骤（2）；

（12）数/模转换模块将模拟量控制信号输入到功率驱动单元进行信号放大后驱动直流电机以带动机械负载运动。

在上述控制步骤中，积分系数K_i和二次差分系数K_d根据下列给出的公式进行计算，作为其初始整定值：