一種電－機械轉換器的控制系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種電－機械轉換器的控制系統，包括：包括控制芯片、數模轉換器DAC、滯環比較PWM調制器、電流信號調理電路、差分正交信號調理電路、信號切換開關、H橋驅動模塊、保護電路、電?機械轉換器、溫度傳感器、電流傳感器、數字光柵尺，輸入信號和反饋信號被信號調理電路處理后送入控制芯片，經控制芯片判斷和運算后得到控制信號，控制信號送入H橋驅動器驅動電－機械轉換器達到預期控制目標，其中控制芯片根據誤差信號的大小在PID閉環控制和時間最優的Bang?Bang控制兩種控制模式中切換，以實現高響應特性且不損失精度的控制目標。
【專利說明】
一種電一機械轉換器的控制系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及電機控制技術領域，特別是涉及一種滿足動圈式電一機械轉換器的高響應控制性能的雙模控制器。
【背景技術】
[0002]電一機械轉換器(微小型直線電機)是電液比例控制元件的關鍵部件，它可將外界輸入的電氣信號(電流或電壓)連續成比例地轉換成機械量(力或位移)，其動態特性直接影響著液壓執行器的關鍵特性。動圈式電一機械轉換器以其高線性、小滯環和較好的響應特性而受到廣泛的關注，是一種在高頻響、高精度場合下很有發展的驅動元件，但是由于其運動部件慣性大，導致電信號的連續控制特性不夠好、線性度差、精度低、單向輸出、響應慢，靈敏度低，多用于低頻和低精度控制場合。
[0003]傳統上廣泛采用PID控制器對其進行控制，然而PID控制器限于響應速度、超調量和噪音干擾等矛盾難以使其性能達到最大發揮。隨著自動控制技術和信息技術的高速發展，對各類自動控制系統的定位精度和響應速度提出了更高的要求。
【實用新型內容】
[0004]有鑒于此，為了克服上述現有技術的不足，本實用新型提出了一種針對動圈式電一機械轉換器的控制系統，大幅縮短了階躍輸入下的過渡時間，在不犧牲控制精度和穩定性的前提下進一步縮短了電一機械轉換器的響應時間。
[0005]本實用新型通過以下技術手段解決上述問題:
[0006]—種電一機械轉換器的控制系統，包括控制芯片、數模轉換器DAC、滯環比較PffM調制器、電流信號調理電路、差分正交信號調理電路、信號切換開關、H橋驅動模塊、保護電路、電-機械轉換器、溫度傳感器、電流傳感器、數字光柵尺;所述控制芯片與數模轉換器DACJt號切換開關、差分正交信號調理電路連接，接收位移指令和輸出位移信號;所述數模轉換器DAC與控制芯片、滯環比較PffM調制器連接，接收控制芯片輸出的數字信號，轉換后輸出為滯環比較PffM調制器可接受的電壓信號;所述滯環比較PffM調制器與數模轉換器DAC、電流信號調理電路、信號切換開關連接，將數模轉換器DAC和電流信號調理電路的輸出比較后輸出P麗脈沖;所述電流信號調理電路和電流傳感器連接，接收電流傳感器的輸出信號，按所需放大;所述差分正交信號調理電路與控制芯片和數字光柵尺連接，接收數字光柵尺發出的信號，經調理后轉換為控制芯片可接受的單端編碼脈沖;所述信號切換開關輸入端與控制芯片和滯環比較PWM調制器連接，輸出端與H橋驅動模塊連接，可以在控制芯片的控制下切換選取需要的控制信號；所述H橋驅動模塊與信號切換開關和電-機械轉換器各組線圈連接，接收選定的控制脈沖，將控制脈沖放大為功率信號驅動電-機械轉換器工作;所述保護電路與電流信號調理電路、溫度傳感器、H橋驅動模塊連接，當發生異常時，將H橋驅動模塊關斷起到保護作用。
[0007]進一步地，所述控制芯片包括決策邏輯、PID控制器、Bang-Bang控制器、以及存儲當前位移的正交脈沖計數器，所述決策邏輯始終比較輸入位移和輸出位移之差，并據此誤差控制信號選擇開關;所述PID控制器根據位移誤差的大小，經過比例、積分、微分運算后得出修正量，所述修正量經過數模轉換器DAC和滯環比較HVM調制器變換后得到H橋驅動模塊的驅動信號;所述Bang-Bang控制器根據位移誤差的大小和被控制的電-機械轉換器連同其所帶負載的機械、電氣數學模型計算后直接得到H橋驅動模塊的控制信號，并以時間最短為優化指標。
[0008]進一步地，所述控制芯片還包括輔助單元:上電復位邏輯、對外接口邏輯。
[0009]優選地，所述控制芯片在硬件上采用DSP或FPGA。
[0010]優選地，滯環比較PWM調制器以滯回比較器為核心產生PffM脈沖去穩定和調整線圈電流。
[0011]優選地，所述滯環比較PWM調制器、電流信號調理電路、信號切換開關、H橋驅動模塊、保護電路在硬件上可有多組，可并行工作以滿足多線圈電-機械轉換器的需求。
[0012]優選地，所述溫度傳感器選熱敏電阻，所述電流傳感器選霍爾電流傳感器，所述數字光柵尺的測量頭與電-機械轉換器直接相連，輸出信號經差分正交信號調理電路調理后由正交脈沖計數器解碼得出位移。
[0013]與現有技術相比，本實用新型的電一機械轉換器的控制系統有Bang-Bang和PID兩套控制算法，其決策邏輯在大誤差階段對被控電-機械轉換器應用Bang-Bang控制算法，以時間最短作為控制目標;在小誤差階段對被控電-機械轉換器應用PID閉環算法以補償誤差，這樣的雙模控制法大大縮短了總控制時間，同時也保留了精度。
【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型被控對象電一機械轉換器的控制原理圖；
[0015]圖2是本實用新型的電一機械轉換器的控制系統的電路圖；
[0016]圖3是對細菌覓食算法中趨向操作的改進流程圖。
[0017]圖中附圖標記:
[0018]10、控制芯片20、數模轉換器30、滯環比較PffM調制器40、信號切換開關50、H橋驅動模塊60、保護電路70、電流信號調理電路80、差分正交信號調理電路101、決策邏輯、102、Bang-Bang控制器、103、PID控制器、104、正交脈沖計數器901、電一機械轉換器、902、溫度傳感器、903、電流傳感器、904、數字光柵尺
【具體實施方式】
[0019]為使本實用新型的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面將結合附圖和具體的實施例對本實用新型的技術方案進行詳細說明。
[0020]圖1為本實用新型的被控對象電一機械轉換器的控制原理圖，輸入信號經控制器處理后，加載到控制線圈，載流控制線圈連同繞線筒在永磁體提供的恒定磁場中，受電磁力作用而產生位移，動圈組件由位置傳感器檢測位置誤差，補償到輸入信號，以保證動圈組件保持在所需要的正確位置。
[0021]圖2示出了本實用新型的一種電一機械轉換器的控制系統，包括控制芯片10、及其內含的算法單元:決策邏輯101、1^]^-1^1^控制器102、？10控制器103、存儲當前位移正交脈沖計數器104，還包括數模轉換器20、滯環比較PffM調制器30、信號切換開關40、H橋驅動模塊50、保護電路60、電流信號調理電路70、差分正交信號調理電路80所組成的控制器，還包括被控對象電一機械轉換器901、溫度傳感器902、電流傳感器903、數字光柵尺904;所述控制芯片10與數模轉換器20、信號切換開關40、差分正交信號調理電路80連接，接收位移指令和輸出位移信號，所述決策邏輯101始終比較輸入位移和輸出位移之差，并據此誤差控制信號選擇開關40，所述PID控制器103根據位移誤差的大小，經過比例、積分、微分運算后得出修正量，所述修正量經過數模轉換器20和滯環比較PffM調制器30變換后得到H橋驅動模塊50的驅動信號;所述Bang-Bang控制器102根據位移誤差的大小和被控制的電-機械轉換器901連同其所帶負載的機械、電氣數學模型計算后直接得到H橋驅動模塊50的控制信號，并以時間最短為優化指標，所述數模轉換器20與控制芯片10和滯環比較PffM調制器30連接，接收控制芯片10輸出的數字信號，轉換后輸出為滯環比較PffM調制器30可接受的電壓信號;所述滯環比較P麗調制器30與數模轉換器20、電流信號調理電路70和信號切換開關40連接，將數模轉換器20和電流信號調理電路70的輸出比較后輸出PWM脈沖;所述電流信號調理電路70和電流傳感器903連接，接收電流傳感器903的輸出信號，按所需放大;所述差分正交信號調理電路80與控制芯片10和數字光柵尺904連接，接收數字光柵尺904發出的信號，經調理后轉換為控制芯片10可接受的單端編碼脈沖;所述信號切換開關40輸入端與控制芯片10和滯環比較PWM調制器30連接，輸出端與H橋驅動模塊50連接，可以在控制芯片10的控制下切換選取需要的控制信號；所述H橋驅動模塊50與信號切換開關40和電-機械轉換器901各組線圈連接，接收選定的控制脈沖，將控制脈沖放大為功率信號驅動電-機械轉換器901工作;所述保護電路60與電流信號調理電路70、溫度傳感器902、H橋驅動模塊50連接，當發生異常時，將H橋驅動模塊50關斷起到保護作用。
[0022]控制芯片10中正交脈沖計數器104存儲并實時更新著數字光柵尺904的輸出位移，決策邏輯101始終比較輸入位移和輸出位移之差，即位移誤差的大小，并據此控制信號選擇開關40，當大于設定閾值時，將信號選擇開關40切換至Bang-Bang控制器102的輸出端，此時被控對象在Bang-Bang控制器102的控制下；反之，則切換至PID控制器103的輸出端，此時被控對象在PID控制器103的控制下。
[0023]所述控制芯片10還包括輔助單元:上電復位邏輯、對外接口邏輯。
[0024]所述控制芯片10在硬件上采用DSP或并行處理能力更強的FPGA。
[0025]滯環比較PffM調制器30是由滯回比較器為主要元件的PffM調制器，通過比較目標電流和實際輸出電流閉環地把線圈電流穩定在控制值。
[0026]所述滯環比較PffM調制器30、電流信號調理電路70、信號切換開關40、H橋驅動模塊50、保護電路60在硬件上可有多組，可并行工作以滿足多線圈電-機械轉換器901的需求。
[0027]溫度傳感器902優選熱敏電阻，電流傳感器903優選霍爾電流傳感器。數字光柵尺904的測量頭與被控對象直接相連，輸出信號經差分正交信號調理電路80調理后由正交脈沖計數器104解碼得出位移。
[0028]Bang-Bang控制器102需要預知被控對象的系統特性和負載特性，當給出被控對象的始末狀態后，算法會以時間最短為優化目標輸出控制信號，其控制信號特點是在正最大值和負最大值反復跳躍取值，故此信號可直接通過信號切換開關40去控制H橋驅動模塊50而無需其他信號轉換。
[0029]下面簡述一種利用細菌覓食算法實現的時間最優Bang-Bang控制器102:
[0030]首先需要已知被控對象的各特性參數，如線圈電感、電阻、力常數和負載的質量、阻尼系數。依據這些參數建立系統微分方程組，對于線性時不變系統，由上述微分方程組可求出解析解。根據系統階數和Bang-Bang控制特點，我們設11時間取正(負)最大值，t2時間取負(正)最大值，依次類推交替取正負最大值到tn，其中η為系統階數。顯然t l+t2+.._+tn為所需總時間，越小則被控系統響應越快，作為優化指標。系統的位移、速度和加速度可由上述解析解表示，作為約束指標。由上述優化指標和約束指標可構造指標函數，當指標函數取最小值時為時間最優控制。然后利用細菌覓食算法搜索使指標函數取最小時tl，t2,…，tn的值。
[0031]為了加快細菌覓食算法的搜索速度和精度，本實用新型對其中的趨向操作做出了如圖3的改進，其中增設的反向移動和步長縮短行為可達到上述目的。
[0032]以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本實用新型專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。因此，本實用新型專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【主權項】
1.一種電一機械轉換器的控制系統，其特征在于，包括控制芯片、數模轉換器DAC、滯環比較PffM調制器、電流信號調理電路、差分正交信號調理電路、信號切換開關、H橋驅動模塊、保護電路、電-機械轉換器、溫度傳感器、電流傳感器、數字光柵尺;所述控制芯片與數模轉換器DAC、信號切換開關、差分正交信號調理電路連接，接收位移指令和輸出位移信號;所述數模轉換器DAC與控制芯片、滯環比較PffM調制器連接，接收控制芯片輸出的數字信號，轉換后輸出為滯環比較HVM調制器可接受的電壓信號；所述滯環比較PWM調制器與數模轉換器DAC、電流信號調理電路、信號切換開關連接，將數模轉換器DAC和電流信號調理電路的輸出比較后輸出PWM脈沖;所述電流信號調理電路和電流傳感器連接，接收電流傳感器的輸出信號，按所需放大;所述差分正交信號調理電路與控制芯片和數字光柵尺連接，接收數字光柵尺發出的信號，經調理后轉換為控制芯片可接受的單端編碼脈沖;所述信號切換開關輸入端與控制芯片和滯環比較PWM調制器連接，輸出端與H橋驅動模塊連接，可以在控制芯片的控制下切換選取需要的控制信號;所述H橋驅動模塊與信號切換開關和電-機械轉換器各組線圈連接，接收選定的控制脈沖，將控制脈沖放大為功率信號驅動電-機械轉換器工作;所述保護電路與電流信號調理電路、溫度傳感器、H橋驅動模塊連接，當發生異常時，將H橋驅動模塊關斷起到保護作用。2.根據權利要求1所述的電一機械轉換器的控制系統，其特征在于，所述控制芯片包括決策邏輯、PID控制器、Bang-Bang控制器、以及存儲當前位移的正交脈沖計數器，所述決策邏輯始終比較輸入位移和輸出位移之差，并據此誤差控制信號選擇開關;所述PID控制器根據位移誤差的大小，經過比例、積分、微分運算后得出修正量，所述修正量經過數模轉換器DAC和滯環比較PffM調制器變換后得到H橋驅動模塊的驅動信號;所述Bang-Bang控制器根據位移誤差的大小和被控制的電-機械轉換器連同其所帶負載的機械、電氣數學模型計算后直接得到H橋驅動模塊的控制信號，并以時間最短為優化指標。3.根據權利要求1所述的電一機械轉換器的控制系統，其特征在于，所述控制芯片還包括輔助單元:上電復位邏輯、對外接口邏輯。4.根據權利要求1所述的電一機械轉換器的控制系統，其特征在于，所述控制芯片在硬件上采用DSP或FPGA。5.根據權利要求1所述的電一機械轉換器的控制系統，其特征在于，滯環比較HVM調制器以滯回比較器為核心產生PWM脈沖去穩定和調整線圈電流。6.根據權利要求1所述的電一機械轉換器的控制系統，其特征在于，所述滯環比較PWM調制器、電流信號調理電路、信號切換開關、H橋驅動模塊、保護電路在硬件上可有多組，可并行工作以滿足多線圈電-機械轉換器的需求。7.根據權利要求1所述的電一機械轉換器的控制系統，其特征在于，所述溫度傳感器選熱敏電阻，所述電流傳感器選霍爾電流傳感器，所述數字光柵尺的測量頭與電-機械轉換器直接相連，輸出信號經差分正交信號調理電路調理后由正交脈沖計數器解碼得出位移。
【文檔編號】H02P25/06GK205509919SQ201620223683
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月21日
【發明人】張弓, 徐征, 王衛軍, 盛亞, 顧星, 林寧, 梁松松
【申請人】廣州中國科學院先進技術研究所, 深圳先進技術研究院