一种控制角度的电机的控制方法与控制系统与流程

1.本发明涉及火箭动力系统内部伺服电机的控制方法，具体涉及液体火箭发动机流量调节系统伺服电机的控制方法与系统。


背景技术：

2.现有伺服控制角度的驱动器(即连接有减速器的伺服电机)是通过控制速度来实现，存在动态响应差、超调、稳态段有偏差且偏差较大等问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术的缺陷与不足，本发明一方面提供了一种控制角度的电机的控制方法。
4.为此，本发明所提供的控制方法包括：所述方法采用角度pid控制环、转速pid控制环和电流pid控制环实现，方法包括：
5.实时采集电机减速器角度，将减速器当前角度与当前设定角度做差后，所得当前角度差值作为角度pid控制环的输入，角度pid控制环利用角度差值计算转速；角度pid控制环周期性输出转速计算结果；
6.实时采集电机转速，将电机当前转速与当前转速计算结果做差，所得当前转速差值作为转速pid控制环的输入，转速pid控制环利用转速差值计算电流；转速pid控制环周期性输出电流计算结果；
7.实时采集电机电流，将电机当前电流与当前电流计算结果做差，所得当前电流差值作为电流pid控制环的输入，电流pid控制环利用电流差值计算占空比；电流pid控制环周期性输出占空比计算结果作为伺服电机控制信号；
8.所述电流pid控制环的控制算法为：
[0009][0010]
其中：
[0011]
k表示当前时刻所在的电流pid控制环的第k个输出周期，k取自然数；
[0012]
u(k)表示电流pid控制环的第k个输出周期的输出值；
[0013]
e(k)为计算u(k)用的电流差值；
[0014]
e(k-1)为计算u(k-1)用的电流差值，e(k-1)初始为0；
[0015]
j＝0,1,2，
…
，k；
[0016]
q表示当前时刻所在的角度pid控制环的第q个输出周期，q取自然数；
[0017]
possv(q)表示角度pid控制环的第q个输出周期输出值计算时所用的设定角度，初始时，possv(q-1)取0；
[0018]
kb表示前馈项系数，70≤kb≤150；
[0019]kp
表示电流pid控制环的当前比例系数；
[0020]ki
表示电流pid控制环的当前积分系数；
[0021]
kd表示电流pid控制环的当前微分系数。
[0022]
可选的，所述角度pid控制环的输出周期为5～10ms；转速pid控制环的输出周期为1～5ms；电流pid控制环的输出周期为0.05～0.1ms。
[0023]
进一步，本发明的方法还包括：
[0024]
根据当前角度差值与第一阈值的大小选择角度pid控制环的参数后计算转速，所述根据当前角度差值与第一阈值的大小选择角度pid控制环的参数包括：
[0025]
当前角度差值大于等于第一阈值时角度pid控制环k
p
的取值大于当前角度差值小于第一阈值时角度pid控制环k
p
的取值，
[0026]
当前角度差值大于等于第一阈值时角度pid控制环ki的取值小于当前角度差小于第一阈值时角度pid控制环ki的取值，
[0027]
且，角度pid控制环的k
p
的取值范围为[10,50]、角度pid控制环ki的取值范围为[0,1]、角度pid控制环kd的取值范围为[0,0.1]；
[0028]
根据当前转速差值与第二阈值的大小关系选择转速pid控制环的参数后计算电流，所述根据当前转速差值与第二阈值的大小关系选择转速pid控制环的参数包括：
[0029]
当前转速差值大于等于第二阈值时转速pid控制环k
p
的取值大于当前转速差值小于第二阈值时转速pid控制环k
p
的取值，
[0030]
当前转速差值大于等于第二阈值时转速pid控制环ki的取值大于当前转速差值小于第二阈值时转速pid控制环ki的取值，
[0031]
且，转速pid控制环的k
p
的取值范围为[0.5,10]、转速pid控制环ki的取值范围为[0,1]、转速pid控制环kd的取值范围为[0,0.1]；
[0032]
根据当前电流差值与第三阈值的大小关系选择电流pid控制环的参数后计算占空比，所述根据当前电流差值与第三阈值的大小关系选择电流pid控制环的参数包括：
[0033]
当前电流差值大于等于第三阈值时电流pid控制环k
p
的取值大于当前电流差值小于第三阈值时电流pid控制环k
p
的取值；
[0034]
当前电流差值大于等于第三阈值时电流pid控制环ki的取值小于当前电流差值小于第三阈值时电流pid控制环ki的取值，
[0035]
且，电流pid控制环的k
p
的取值范围为[0,1]、电流pid控制环ki的取值范围为[0,1]、电流pid控制环kd的取值范围为[0,0.1]。
[0036]
进一步，对所述当前角度、当前设定角度分别归一化后求取归一化值的差值作为当前角度差值；对所述当前转速计算结果与采集到的电机当前转速分别归一化后求取归一化值的差值作为当前转速差值；对所述当前电流计算结果与采集到的电机当前电流分别归一化后求取归一化值的差值作为当前电流差值。
[0037]
本发明同时还提供了实现上述方法的控制系统。所述控制系统包括数据采集模块、角度pid控制环、转速pid控制环和电流pid控制环，所述数据采集模块用于实施采集减速器的角度、电机转速和电机电流，并分别输入给角度pid控制环、转速pid控制环和电流pid控制环，角度pid控制环、转速pid控制环和电流pid控制环各自执行上述方法。
[0038]
进一步，所述控制系统还包括分段pid控制模块，用于执行权利要求3所述方法，并
控制调整角度pid控制环、转速pid控制环和电流pid控制环的相应参数。
[0039]
与现有技术相比，本发明采用转速前馈式三闭环伺服电机控制方法，其中三闭环的控制方法和控制周期设置能够保证流量调节伺服机组角度控制的精度和稳定性，从而保证流量变化的稳定；带转速前馈的闭环控制，能够加快伺服电机的响应速度，满足系统实时、高响应性。进一步的方案中，分段pid控制方法首先保证了流量调节系统无超调的指标要求，并在保证无超调的基础上，进一步加快了电机响应速度。
[0040]
本发明的方法尤其可满足航天液体火箭发动机流量调节系统对于位置控制的特殊要求。采用本发明的控制方法可满足火箭发动机从而满足火箭动力系统的快速响应、无超调、稳态误差小于
±
0.2度的要求。
附图说明
[0041]
图1为本发明控制方法三个控制闭环关系示意图；
[0042]
图2为实施例1的电机控制效果图；
[0043]
图3为对比例1的电机控制效果图；
[0044]
图4为对比例2的电机控制效果图；
[0045]
图5为实施例2的电机控制效果图；
[0046]
图6为现有液体火箭动力系统流量调节伺服控制系统结构示例。
具体实施方式
[0047]
除非有特殊说明，本文中的术语根据相关领域普通技术人员的认识理解。
[0048]
本发明采用转速前馈式三闭环控制技术，具体采用带转速前馈的控制算法，加快电机控制响应速度；并且三闭环的输出采用周期性输出，满足电机的快速响应要求，且可有效控制伺服机组稳定运转。其中三闭环控制包括机组角度pid控制环、电机转速pid控制环和电机电流pid控制环，三闭环关系见图1所示，伺服机组的角度(本文也称位置)设定来自于用户设置，反馈角度来源于伺服机组的位置传感器(如旋转变压器)，通过pid算法计算得到输出值，该输出值作为转速pid控制环的设定转速值，反馈转速值来源于伺服电机的速度传感器(如旋转变压器)，两者通过pid算法计算得到输出值作为电流pid控制环的设定电流；电流pid控制环的反馈电流来源于模拟量采集的三相电流经过clarke和park变换，两者经过pid计算得到控制伺服电机的六路pwm信号的占空比，通过pwm信号占空比的变化控制驱动电路的导通或关断，实现磁场变化，控制伺服电机运转。采用pid的闭环控制算法，可实现角度稳态段动态调整并减小偏差，该偏差主要取决于旋变传感器采集分辨率以及系统采集数据的稳定性。
[0049]
所述带转速前馈是指电流pid控制环带转速前馈项，电流pid控制环的控制算法为：
[0050][0051]
其中：
[0052]
k表示当前时刻所在的电流pid控制环的第k个输出周期，k取自然数；
[0053]
u(k)表示电流pid控制环的第k个输出周期的输出值；
[0054]
e(k)为计算u(k)用的电流差值；
[0055]
e(k-1)为计算u(k-1)用的电流差值，e(k-1)初始为0；
[0056]
j＝0,1,2，
…
，k；
[0057]
q表示当前时刻所在的角度pid控制环的第q个输出周期，q取自然数；
[0058]
possv(q)表示角度pid控制环的第q个输出周期输出值计算时所用的设定角度，初始时，possv(q-1)取0；
[0059]
kb表示前馈项系数，70≤kb≤150；
[0060]kp
表示电流pid控制环的当前比例系数；
[0061]ki
表示电流pid控制环的当前积分系数；
[0062]
kd表示电流pid控制环的当前微分系数。
[0063]
该算法能够根据当前时刻的目标位置提前预估下一时刻的目标位置，达到缩短调节所需时间的目的，在电机控制时，表现为电机更快速响应，在同样转速的情况下，更快调节到目标角度。
[0064]
具体方案中，三个控制环的输出周期可以根据被控制机组的工作参数及控制精度要求确定，具体来讲，对于不同的伺服机组，若需改善和提高控制品质，可通过调整各各闭环控制的输出周期来实现，例如可将电流环控制周期提高，而其它闭环控制周期不变。更具体的如角度控制周期为x，5ms≤x≤10ms，转速控制周期为y,1ms≤y≤5ms，电流控制周期为z,0.05ms≤z≤0.1ms。
[0065]
进一步的方案中，采用分段pid控制算法，即在伺服电机控制过程中三个控制环分别根据相应阈值选择采用不同pid控制参数(包括k
p
、ki和kd)进行闭环控制，再次提升电机响应速度且保证控制无超调。具体包括：
[0066]
对于角度pid控制环，根据当前角度差值与第一阈值的大小选择角度pid控制环的参数后计算转速，所述根据当前角度差值与第一阈值的大小选择角度pid控制环的参数包括：
[0067]
当前角度差值大于等于第一阈值时k
p
的取值大于当前角度差值小于第一阈值时k
p
的取值；
[0068]
当前角度差值大于等于第一阈值时ki的取值小于当前角度差小于第一阈值时ki的取值，
[0069]
且，角度pid控制环的k
p
的取值范围为[10,50]、ki的取值范围为[0,1]、kd的取值范围为[0,0.1]；
[0070]
对于转速pid控制环，根据当前转速差值与第二阈值的大小关系选择转速pid控制环的参数后计算电流，所述根据当前转速差值与第二阈值的大小关系选择转速pid控制环的参数包括：
[0071]
当前转速差值大于等于第二阈值时k
p
的取值大于当前转速差值小于第二阈值时k
p
的取值；
[0072]
当前转速差值大于等于第二阈值时ki的取值大于当前转速差值小于第二阈值时ki的取值，
[0073]
且，转速pid控制环的k
p
的取值范围为[0.5,10]、ki的取值范围为[0,1]、kd的取值
范围为[0,0.1]；
[0074]
对于电流pid控制环，根据当前电流差值与第三阈值的大小关系选择电流pid控制环的参数后计算占空比，所述根据当前电流差值与第三阈值的大小关系选择电流pid控制环的参数包括：
[0075]
当前电流差值大于等于第三阈值时k
p
的取值大于当前电流差值小于第三阈值时k
p
的取值；
[0076]
当前电流差值大于等于第三阈值时ki的取值小于当前电流差值小于第三阈值时ki的取值，
[0077]
且，电流pid控制环的k
p
的取值范围为[0,1]、ki的取值范围为[0,1]、kd的取值范围为[0,0.1]。
[0078]
具体方案中，上述第一阈值、第二阈值和第三阈值可根据机组的工作参数及控制精度要求进行相应选择。
[0079]
还有些方案中，采用角度、转速和电流的归一化处理，此种方法能够保证该控制器整定的pid参数能够适配大部分的伺服电机，而不会因为更改电机型号而重新确定控制参数，最大化保证了参数的适用度。对于采用归一化数据的方案，分段pid控制算法中，第一阈值取0.3，第二阈值取0.2，第三阈值取0.015。
[0080]
实施例1：
[0081]
该实施例的具体方案是采用本发明的方法对图6所示的液体火箭动力系统流量调节伺服控制系统中的伺服机组进行控制，图6所示的液体火箭动力系统流量调节伺服控制系统由上位机、电缆(通讯、供电、控制、信号采集电缆)、控制器、电源、伺服机组、流量调节器等组成，其中伺服机组由伺服电机、减速器、制动器、反馈装置(传感器)组成；
[0082]
其工作原理是：上位机通过通讯电缆向控制器发送控制命令，同时接收控制器上传的电机工作数据和遥测数据；电源通过电源电缆给控制器供电，控制器通过内部电源管理模块给伺服机组供电；伺服机组不启动时，制动器关闭，启动时制动器开启；伺服机组减速器与流量调节器通过机械齿轮结构连接，伺服电机转动带动流量调节器转动，实现液体火箭发动机流量调节。
[0083]
为降低航天运载系统复杂性，提升动力系统的可靠性，提高发动机点火起动的稳定性和快速关机特性，流量调节器用于控制发动机氧化剂流量，节流阀用于控制发动机燃料的流量，通过控制两种推进剂的比例从而控制混合比，控制发动机的推力大小。液体火箭发动机流量调节系统采用伺服电机作为推力和混合比控制的核心部件；推力和混合比控制的核心是流量调节，采用的流量调节器或燃料节流阀需要安装伺服机组并采用角度控制方式来改变其开度。
[0084]
该实施例中角度pid控制环每隔5ms输出转速计算结果；转速pid控制环每隔1ms输出电流计算结果；电流pid控制环每隔0.1ms输出占空比计算结果作为伺服电机控制信号；
[0085]
该实施例中电流pid控制环带转速前馈项，其中的kb＝100；
[0086]
并且该实施例控制方法中采用角度、转速和电流的归一化处理后的数据进行相应控制，同时采用分段pid控制算法，三个控制环参数的选择方案为：
[0087]
角度pid控制环，依据当前归一化后的角度差值与第一阈值0.3之间的大小关系选择控制参数：若当前归一化后的角度差≥0.3，则k
p
＝25、ki＝0，kd＝0，若当前归一化后的角
度差值《0.3，则k
p
＝15、ki＝0.01，kd＝0；
[0088]
转速pid控制环，依据是当前归一化后的转速差值与第二阈值0.2之间的大小关系选择控制参数：若当前归一化后的转速差值≥0.2时，k
p
＝2、ki＝0.01，kd＝0，若当前归一化后的转速差值《0.2时，则k
p
＝1.5、ki＝0.002，kd＝0；
[0089]
电流pid控制环，依据是当前归一化后的电流差值与第三阈值0.015之间的大小关系选择相应控制参数，若当前归一化后的电流差值≥0.015时，则k
p
＝0.4、ki＝0.005，kd＝0,若当前归一化后的电流差值《0.015,则k
p
＝0.2、ki＝0.01，kd＝0。
[0090]
采集控制过程中的位置设定及反馈值，绘制相应曲线，如图2所示，满足火箭动力系统的快速响应、无超调、稳态误差小于
±
0.2度的要求。
[0091]
对比例1：
[0092]
该对比例与实施例1不同的是，电流pid控制环不带转速前馈项kb(possv(q)-possv(q-1))，该对比例的电机控制效果如图3所示。
[0093]
对比图2和3可以看出，无前馈的电机控制在约接近目标位置，由于无超调指标的要求，反馈与设定偏差越大；而引入前馈控制后，基本能够保证偏差量不变且无超调，且偏差量小于无前馈的电机控制。
[0094]
对比例2：
[0095]
该对比例与实施例1不同的是，电流pid控制环不带转速前馈项kb(possv(q)-possv(q-1))，且不采用分段pid控制算法，三个控制环的控制参数为：
[0096]
角度pid控制环，k
p
＝25、ki＝0，kd＝0；
[0097]
转速pid控制环，k
p
＝2、ki＝0.01，kd＝0；
[0098]
电流pid控制环，k
p
＝0.4、ki＝0.005，kd＝0。
[0099]
采集控制过程中的速度设定(即转速pid控制环的输入)及反馈值，绘制相应曲线，如图4所示。
[0100]
实施例2：
[0101]
该实施例与实施例1不同的是，电流pid控制环不带转速前馈项kb(possv(q)-possv(q-1))，其控制效果如图5所示。
[0102]
对比图4和5所示结果可以看出，不分段时，角度阶跃控制从当前角度调节到目标角度，速度瞬间变化为一个很大的值，然后逐步减小，控制过程存在超调；分段控制时，速度在电机调节过程中处于一个平稳的过程，接近目标角度后逐渐减小，实现了无超调控制。