[发明专利]一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法

权利要求书

1.一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法，其特征在于，通过分析直流有刷电机扭矩输出特性，结合牛顿第二定律和电机扭矩平衡方程建立数学模型，随后采用模糊PID控制器作为转速外环调节器，内环采用PID算法的电流控制环，使用电流传感器和霍尔转速传感器采集电机转动过程中的电流和转速，通过数学模型可精确计算出扭矩并控制输出；

包括以下步骤：

步骤A，通过分析直流有刷电机扭矩输出特性，结合牛顿第二定律和电机扭矩平衡方程建立数学模型，可将输出扭矩与负载扭矩的关系转换成负载扭矩对应的负载电流与电机电枢电流和电机转速的关系，其关系方程如下：

式中：I_L为与负载扭矩对应的负载电流；I_a为与输出扭矩对应的电机电枢电流；T_m为机电时间常数；C_e为额定磁通下的电动势系数；R为电枢电阻，n为电机转速；t为时间；

直流电机的负载扭矩和输出扭矩的关系可转换为负载扭矩对应的负载电流与电机电枢电流及转速的关系，其关系方程I_L＝f(I_a，n)，当dn/dt＝0时，电机转速恒定，此时I_L＝f(I_a)，电机的负载扭矩对应的负载电流I_L和电机电枢电流I_a呈线性关系，所以，电机的负载扭矩由电机运行时的电流和转速决定，当电机转速不变时可通过检测电流运转过程中的电流进而计算得到负载扭矩；

步骤B，根据步骤A设计扭矩输出控制系统，采用模糊PID控制器作为转速外环调节器，内环采用PID算法的电流控制环，使用电流传感器和霍尔转速传感器采集电机转动过程中的电流和转速；

步骤C，根据步骤B设计模糊PID控制器，根据模糊推理规则对PID控制器的3个参数K_p、K_i、K_d进行实时修正，满足不同输入状态下控制系统对控制参数的不同要求，其中K_p为比例控制、K_i为积分控制、K_d为微分控制；

步骤D，采集系统运行时的转速、电流和负载转矩的动态响应曲线，从曲线可以看出，电流和负载扭矩能够在较短时间内过渡到新的稳定状态，电机的电磁扭矩或电流可随着负载扭矩的变化而变化，电机的转速产生的微小变动也能够在短时间恢复，其稳态误差微小，可忽略，对比传统PID控制方法，模糊PID控制方法的电流和负载转矩波动更小，其最终的扭矩输出更准确。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法，其特征在于，所述步骤B具体包括以下步骤：

步骤B-1，直流电机扭矩控制系统中，其转速调节环节ASR为外环控制，并使用模糊PID控制器控制转速；电流调节环节ACR为内环控制，采用传统的PID控制器控制；

步骤B-2，直流电机扭矩控制系统中，给定电机转速n^*通过使用模糊PID控制器的转速调节环节ASR把转速调节器的输出电流I_a作为电流调节环节ACR的输入，再通过电流调节的输出去控制PWM波生成模块UPW，UPW模块生成的PWM波通过驱动电路模块GD控制H桥主电路UPEM，达到控制电机转速、调节电机电流，进而精确控制电机扭矩输出的目的；

步骤B-3，直流电机扭矩控制系统中，使用霍尔转速传感器采集电机转速n并反馈给转速调节环节ASR；使用电流互感器TA采集电机负载电流I_L并反馈给电流调节环节ACR；其中给定电机转速n^*，电机电枢电流I_a，反馈转速n以及电机负载电流I_L都是数字量，电流传感器和霍尔转速传感器实时采集电机运行中的电流和转速并进行反馈，确保转速稳定；

步骤B-4，除了电机驱动模块外，负载转矩计算、PWM波生成以及双闭环控制的控制功能都采用软件的方式在PIC单片机控制芯片中实现。

3.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID的螺栓扳手扭矩控制方法，其特征在于，所述步骤D具体包括以下步骤：

步骤D-1，直流电机扭矩控制系统使用PIC18F4520单片机控制芯片做主处理器，使用HIP4081驱动芯片可方便地驱动H桥电路以控制电机，使用串口总线将实验数据采集到电脑中方便进行相关数据处理和比较，首先测试电机控制系统处于额定负载下的电流和转速的稳态误差和动态性能；

步骤D-2，将电机模糊PID控制系统应用到螺栓扳手中，直流电机通过行星减速器达到降低转速增大扭矩的目的，选用BJHCS-LSP型高精度电流传感器来测量电机电流，使用安装在螺栓扳手内部的SJ1092H型霍尔转速传感器实现对电机转速的测量，测试螺栓扳手在负载突变情况下的动态稳态性能。