專利名稱：基于控制線圈電流微分反饋的電-機械轉換器的控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于控制線圈電流微分反饋的電-機械轉換器的控制器。
背景技術：
電-機械轉換器作為執行元件已廣泛應用于電液伺服、機電裝備等工業系統中， 提聞其動態響應性能，對于提聞系統整體性能具有重要意義。除了研究新結構和新材料外， 目前已有多種控制策略及控制器被應用以改善電-機械轉換器的動態響應性能。在螺線管電磁鐵的驅動中，常采用增大激勵初始階段驅動電流的方法，以及多線圈并聯代替單線圈等改進的增大激勵初始階段驅動電流的方法，以提高其響應速度。該方法對提高開關型電-機械轉換器的響應速度有一定效果，但對電-機械轉換器穩態特性產生不良影響，不適用于非開關型電-機械轉換器如永磁力馬達、永磁力矩馬達等的驅動。基于位置反饋的閉環控制是提高電-機械轉換器動態響應性能的另一種方法。采用LVDT或RVDT等位移傳感器實時檢測電-機械轉換器的位移量并反饋以實現閉環控制， 比如Jinchuan Zheng等人提出的非線性控制法，Lawrence Mianzo等人提出的預測控制法，Yang Li等人提出的動態非線性控制策略等，均基于位置反饋。但這些控制策略在某些應用環境下因難以進行位移量的實時檢測而無法使用，比如液壓閥用電-機械轉換器，其周圍布滿高壓油，再如高頻永磁力馬達和永磁力矩馬達的位移量很小，運動件很小且位于大體積金屬導體中間，位移傳感器的選用和安裝存在困難。Muhammed Fazlur Rahman等人提出了實時位移估值算法，以解決實時位移檢測困難情況下的閉環控制，并應用于多相電機和螺線管電磁鐵的控制系統。但在工業現場中， 利用這種估值算法計算所得的位移與實際的實時位移之間的誤差無法精確確定，位移估算精度存在不確定性，因此無法用于輸出位移僅為幾十微米的高頻電-機械轉換器的閉環控制。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術存在的不足，而提供一種實現方便、結構簡單、成本低，但效果明顯的提高電-機械轉換器動態響應性能的基于控制線圈電流微分反饋的電-機械轉換器的控制器。本發明的目的是通過如下技術方案來完成的，一種基于控制線圈電流微分反饋的電-機械轉換器的控制器，它主要包括采樣電阻、微分電路、比例調節電路、信號合成電路和功率放大器；所述的采樣電阻與微分電路的輸入端口、電-機械轉換器的控制線圈分別相連，微分電路的輸出端口與比例調節電路的輸入端口相連，輸入控制信號、比例調節電路的輸出端口分別與信號合成電路的輸入端口相連，信號合成電路的輸出端口與功率放大器的輸入端口相連，功率放大器的輸出端口與電-機械轉換器的控制線圈相連；采樣電阻實時取樣電-機械轉換器的控制線圈的電流信號，輸出至微分電路，經微分電路變換后得到電-機械轉換器的控制線圈的電流微分信號，經比例調節電路變換后，由信號合成電路將其與輸入控制信號相疊加，疊加信號經功率放大器放大后輸出至電-機械轉換器的控制線圈，驅動電-機械轉換器動作，形成閉環控制。所述的微分電路包括運算放大器、電阻、電容；調整電阻值和電容值，從而調整其時間常數和電-機械轉換器的動態響應性能。所述的比例調節電路包括運算放大器、電阻；調整其電阻值，從而調整其增益和電-機械轉換器的動態響應性能。本發明具有以下優點及效果1、采用控制線圈電流微分信號進行反饋，實現電-機械轉換器的閉環控制，顯著提高電-機械轉換器的動態響應性能；2、無需昂貴的位移傳感器，僅需適當調整微分電路的時間常數和比例調節電路的增益即可實現對電-機械轉換器動態性能的優化控制；3、結構簡單，成本低，容易實現，適用于開關型與非開關型等各類動鐵式電-機械轉換器的控制。
圖1為本發明的工作原理框圖；圖2為本發明應用實施例高頻永磁力矩馬達的結構示意圖；圖3為本發明的控制性能曲線；圖4為本發明微分電路的時間常數對控制性能的影響；圖5為本發明比例調節電路的增益對控制性能的影響；圖中的標號有信號合成電路1，比例調節電路2，功率放大器3，微分電路4， 電-機械轉換器5 (圖中僅示出其控制線圈)，采樣電阻6，底座7，左導磁體8，銜鐵9，扭軸 10，控制線圈11，右導磁體12，永久磁鋼13，磁通旁路調整機構14，輸入控制信號15，電流微分信號16，開環控制的階躍響應曲線17，本發明的階躍響應曲線18，不同時間常數時的階躍響應特性曲線19，不同增益時的階躍響應特性曲線20。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。圖I所示，本發明主要包括采樣電阻6、微分電路4、比例調節電路2、信號合成電路 I和功率放大器3 ;所述的米樣電阻6與微分電路4的輸入端口、電-機械轉換器5的控制線圈分別相連，微分電路4的輸出端口與比例調節電路2的輸入端口相連，輸入控制信號、 比例調節電路2的輸出端口分別與信號合成電路I的輸入端口相連，信號合成電路I的輸出端口與功率放大器3的輸入端口相連，功率放大器3的輸出端口與電-機械轉換器5的控制線圈相連。采樣電阻實時取樣電-機械轉換器的控制線圈的電流信號，輸出至微分電路，經微分電路變換后得到電-機械轉換器的控制線圈的電流微分信號，經比例調節電路變換后，由信號合成電路將其與輸入控制信號相疊加，疊加信號經功率放大器放大后輸出至電-機械轉換器的控制線圈，驅動電-機械轉換器動作，形成閉環控制。所述的微分電路4包括運算放大器、電阻、電容(圖中均未示出)，調整電阻值和電容值，從而調整其時間常數和電-機械轉換器5的動態響應性能。
所述的比例調節電路3包括運算放大器、電阻(圖中均未示出)，調整其電阻值， 從而調整其增益和電-機械轉換器5的動態響應性能。采用本發明對如圖2所示的高頻永磁力矩馬達實施控制。高頻永磁力矩馬達由永久磁鋼13、左導磁體8、右導磁體12、銜鐵9、控制線圈11、扭軸10、磁通旁路調整裝置14和底座7組成；銜鐵9固定在扭軸10上，左導磁體、右導磁體與銜鐵共同形成四個氣隙5
S 2，S 3和S 4 ;永久磁鋼13產生極化磁場，使銜鐵9工作在最佳工作段；通過調整使得銜鐵9在控制線圈11未通電時，在磁場中處于中位和相對平衡狀態，各氣隙的長度相等；當控制線圈11輸入一定極性的電流時，產生控制磁場，控制磁場與極化磁場差動疊加，氣隙S 1； S4的磁場增強，而s2，S3的減弱，銜鐵9受力不再平衡，在電磁力矩的作用下，克服扭軸 10的彈力矩和負載力矩，向磁場增強方向轉動一個角度，直至電磁力矩與扭軸10的彈力矩和負載力矩達到平衡為止；當輸入電流極性相反時，銜鐵9將向另一方向轉動。高頻永磁力矩馬達是典型的二階系統，其銜鐵9的運動方程為
^ 2/3M=JBK0(I)
dt dt式中，M為電磁力矩J為銜鐵9的轉動慣量；K為扭軸10形成的高剛度彈簧的剛度；B為粘性阻尼系數；e為銜鐵9的轉角。電磁力矩由磁場能量產生，由虛功原理得M =(2)
dG式中，X為磁鏈。假定以電壓方式驅動控制線圈11，則高頻永磁力矩馬達的電路方程為
T, D . " 51 di dX dO/9xV = Ri+ (L +——)—+----(3)
di dt d6 dt
式中，v為輸入控制線圈11的電壓；R為控制線圈11的電阻；i為控制線圈11的
電流；電感項Le代表磁鏈。綜合式(I)、式(2)和式(3)得
± = (V-Ri-E(0,i)^)L(0,i)1(4)
atdt由式(4)可見，控制線圈11的電流微分信號#與銜鐵9的運動速度、位移及控制
dt
線圈11的電流等參數相關，包含了銜鐵9的速度、位移等運動量的信息，因此，在不使用位
移傳感器的情況下，以控制線圈11的電流微分#作為反饋信號可以取得良好的控制效果。
at圖3所示，輸入控制信號15為電壓為4V的階躍信號，微分電路4的時間常數為
0.Olms,比例調節電路2的增益為15 ;采樣電阻6實時取樣電-機械轉換器5的控制線圈 11的電流信號，輸出至微分電路4，經微分電路4變換后得到電-機械轉換器5的控制線圈11的電流微分信號16，經比例調節電路2變換后，由信號合成電路I將其與輸入控制信號15相疊加,疊加信號經功率放大器3放大后輸出至電-機械轉換器5的控制線圈11,驅動電-機械轉換器5動作,形成閉環控制，電流微分信號16在輸入控制信號15上升的初始階段迅速上升，然后又迅速下降并趨于穩定，電-機械轉換器5的階躍響應上升時間為
0.20ms (參見曲線18)，比開環控制時的0.8ms (參見曲線17)大大減小，電-機械轉換器5 的動態響應性能得到了提聞。
圖4示出了微分電路4的時間常數T為0，0. 005，0. 01和0. 015時的一組階躍響應曲線19，微分電路4的時間常數T越大，電-機械轉換器5的階躍響應的上升時間越短， 響應速度越快，但是，當微分電路4的時間常數T過大時，會出現超調甚至震蕩。圖5示出了比例調節電路2的增益K為0，5，10，15和20時的一組階躍響應曲線 20，比例調節電路2的增益K越大，電-機械轉換器5的階躍響應的上升時間越短，響應速度越快，但是，當比例調節電路2的增益K過大時，會出現超調甚至震蕩。因此，采用本發明時應適當選擇微分電路4的時間常數T和比例調節電路2的增益K這兩個關鍵參數以達到最優控制。
權利要求
1.一種基于控制線圈電流微分反饋的電-機械轉換器的控制器，它主要包括采樣電阻(6)、微分電路(4)、比例調節電路(2)、信號合成電路(I)和功率放大器(3);其特征在于所述的采樣電阻(6)與微分電路(4)的輸入端口、電-機械轉換器(5)的控制線圈分別相連， 微分電路(4)的輸出端口與比例調節電路(2)的輸入端口相連，輸入控制信號、比例調節電路(2 )的輸出端口分別與信號合成電路(I)的輸入端口相連，信號合成電路(I)的輸出端口與功率放大器(3)的輸入端口相連,功率放大器(3)的輸出端口與電-機械轉換器(5)的控制線圈相連；采樣電阻(6)實時取樣電-機械轉換器(5)的控制線圈的電流信號，輸出至微分電路(4)，經微分電路(4)變換后得到電-機械轉換器(5)的控制線圈的電流微分信號， 經比例調節電路(2)變換后，由信號合成電路(I)將其與輸入控制信號相疊加，疊加信號經功率放大器(3 )放大后輸出至電-機械轉換器(5)的控制線圈，驅動電-機械轉換器(5)動作，形成閉環控制。
2.根據權利要求I所述的基于控制線圈電流微分反饋的電-機械轉換器的控制器，其特征在于所述的微分電路(4)包括運算放大器、電阻、電容；調整電阻值和電容值，從而調整其時間常數和電-機械轉換器(5)的動態響應性能。
3.根據權利要求I所述的基于控制線圈電流微分反饋的電-機械轉換器的控制器，其特征在于所述的比例調節電路(2)包括運算放大器、電阻；調整其電阻值，從而調整其增益和電-機械轉換器(5)的動態響應性能。
全文摘要
一種基于控制線圈電流微分反饋的電-機械轉換器的控制器，它主要包括采樣電阻、微分電路、比例調節電路、信號合成電路和功率放大器；所述的采樣電阻與微分電路的輸入端口、電-機械轉換器的控制線圈分別相連，微分電路的輸出端口與比例調節電路的輸入端口相連，輸入控制信號、比例調節電路的輸出端口分別與信號合成電路的輸入端口相連，信號合成電路的輸出端口與功率放大器的輸入端口相連，功率放大器的輸出端口與電-機械轉換器的控制線圈相連；本發明采用無位移傳感器介入的控制線圈電流微分反饋法，實現對電-機械轉換器的閉環控制；具有實現方便，結構簡單，成本低，效果明顯等特點，可用于提高開關型和非開關型等動鐵式電-機械轉換器的動態響應性能。
文檔編號H02P13/00GK102611376SQ201210062588
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月9日 優先權日2012年3月9日
發明者方平 申請人:方平