[发明专利]一种直流电动机数字动态力矩闭环控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种直流电动机的控制系统，特别涉及一种通过动态力矩进行控制的直流电机数字闭环控制系统。

背景技术

根据直流电机的原理和结构可知，用电流负反馈的单闭环调速系统是不能满足系统快速性动态要求的，要实现系统性能快速和稳定的特性就必须控制转速和电流两个信号。在这两个信号中，转速是可以人为给定且在整个过程中都要控制，电流信号在稳定运行时由负载决定，无法人为给定，只有在转速与给定转速发生误差时，才对其进行控制，且这时的控制值也只是不让电流超过允许的最大值，这样就不能让它和转速负反馈同时加到一个调速器的输入端。所以现有技术中，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，采用转速、电流双闭环直流调速系统。典型的直流电机PWM双闭环调速系统，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实现串级联接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出控制开关器件。这样组成的双闭环系统，可以获得较好的静、动态品质，但是仍达不到高精度的调速要求。

目前，高精度的调速系统是采用锁相环控制原理的调速系统，锁相系统的根本部分在于该系统的最外环为相位控制环。由于鉴相器根据给定频率与反馈频率信号间的相位差进行控制，而相位是频率的积分，所以反馈通道具有积分环节，只要系统锁定，就可以保证具有很高的稳速精度。锁相系统在锁定时虽然可以获得很高的稳速精度，但是系统在启动时必然要处于失锁状态，系统捕捉有频率范围的限制。

上述两者调速系统的电路采用的是模拟电路或模拟数字电路，电路结构复杂，成本较高。由于电路中含有积分环节，系统的稳定性难免受到影响，特别是对于大惯量、突变负载(力矩)的系统，影响就更大了。所以，目前亟需一种结构简单，动静态调速性能好的直流电动机的闭环控制系统。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单、成本低、调试方便、调速性能好的直流电动机数字闭环控制系统。

实现上述发明目的的技术方案是：一种直流电动机数字动态力矩闭环控制系统，包括直流电动机，它还包括数字传感器、参考速度数字信号发生器、数字动态力矩信号处理电路和数字逻辑接口和功放电路；

所述数字传感器，它与所述直流电动机同轴，用于向数字动态力矩信号处理电路传递包含实时力矩动态变化信息和速度信息的动态数字脉冲信号；

所述参考速度数字信号发生器，用于设定所述直流电动机的标准数字速度脉冲信号，并将该脉冲信号作为参考数字速度脉冲信号向动态数字力矩信号处理电路输出；

所述数字动态力矩信号处理电路，用于将所述参考速度脉冲信号和所述动态数字脉冲信号作位置比较，得到动态力矩变量的矢量，再将该动态力矩变量与该数字动态力矩信号处理电路前次输出的脉冲宽度叠加后，输出控制功率变换器导通的脉宽信号；

所述数字逻辑接口和功放电路，用于接收数字动态力矩信号处理电路输出的脉宽信号并进行调制，控制功率管输出相应的脉冲宽度驱动所述直流电动机。

本发明的原理是：本发明中的数字传感器实质上是一个与电机同轴、转动一周能发出多个等分脉冲频率信号(提供位置—时间信号和位移信号)的数字位置传感器，它传递出包含反映动态力矩变化量—等分量的空间位置变化信息的等分脉冲频率信号。由传感器传出的这些等分脉冲信号在数字动态力矩信号处理电路中与参考速度数字信号发生器设定的参考脉冲信号在同一时间上作位置上的比较，当电机轮轴上的动态力矩增量为零时，由传感器发出的等分脉冲信号与参考脉冲信号之间的相对位置不变，即相比较的两个脉冲之间的脉冲宽度不变；当外力施加使动态力矩增量不为零时，由传感器发出的等分脉冲信号与参考脉冲信号之间的相对位置产生变化，在此瞬间，由等分脉冲信号与参考脉冲信号之间的脉冲宽度必然产生一个变化量，这个变化量就等值地反应了动态综合力矩的变化矢量(增量或减量)。数字动态力矩信号处理电路将动态综合力矩矢量和数字动态力矩信号处理电路前次输出的控制功率管的脉宽信号反相叠加，输出一个减去或加上动态综合力矩矢量宽度的控制功率管的脉宽信号。显然，在动态综合力矩矢量(增量或减量)产生的瞬间，功率管的导通量作出了相应的(减量或增量)的变化，电动机得到的电能减少或增加了。由于惯量及电感的作用，在动态综合力矩矢量变化的瞬间，电机的电流不变，速度不变，电机输入能量的减少或增加，这必然使输入电机的电压的减少或增加，也必然导致电机输出力矩的减少或增加。而这个电动力矩的减少或增加量正好与外力矩的增加或减少量相抵消。这样，直流电动机的闭环控制又瞬间处于稳定状态。