含直流電機裝置的直接測量控制方法
2023-05-24 15:23:26
專利名稱：含直流電機裝置的直接測量控制方法
技術領域：
本發明涉及機電設備的測量控制方法，更詳細的說是一種含直流電機裝置的直接測量控制方法，用於設計製造含直流電機裝置的控制器。
背景技術：
直流電機廣泛用於工業、農業、交通運輸業等各種生產活動中。直流電機的控制器，與直流電機及相連接的裝置能夠實施對各種機電設備、仿真機器人、機械手等的控制，以實現預定的功能。要對含有直流電機的裝置進行控制，首先要知道它們的速度、行程、位置。現有的技術通常是採用霍爾傳感器、光電傳感器、測速發電機、行程開關等傳感器予以實現。圖1示意性示出現有技術中含直流電機裝置的測量控制方法。由圖1可以看出，含直流電機的裝置需要通過霍爾傳感器、光電傳感器、測速發電機、行程開關等傳感器測定的各種信號反饋到控制器，然後由控制器發出指令來控制含直流電機的裝置。現有技術中的方法用來控制含直流電機的裝置，其不足之處是，使控制器及裝置結構複雜、成本高，另外，採用傳感器，必然還會引入傳感器的自身誤差。
目前，現有技術中還有一種含直流電機裝置的測量控制方法，它是通過測量電樞電流，根據電樞電流的大小來判斷受阻力的大小或是否受阻，以此實施控制，這種方法的不足之處是，由於電機參數的分散性，判定的閾值不易確定；電流受到幹擾時，易誤判；不能測出轉子轉角、轉動圈數、轉速。
發明內容
本發明的目的在於提供一種含直流電機裝置的直接測量控制方法，本發明方法通過用電路直接提取直流電機電樞電流中的參數信號經過精確的處理，能夠直觀的、準確的判斷其運行狀況。實現本發明目的技術特徵在於，直流電機的轉子在轉動過程中，每經過定子的相鄰磁極N級與S極的物理中心線時，電樞繞組都要通過電刷和換向器換向。通過長期的觀察、實驗和研究，總結出如下規律所述電樞繞組在換向時，直流電機的電樞電流總會出現與電刷、定子磁極的物理位置相對應的脈動。這個脈動的成因有三個方面，第一是由電刷的換向引起；第二是換向瞬間磁通密度不為零引起；第三是電機氣隙磁通的空間分布的周期性引起。以此為基礎，本發明通過以下所述方法確定直流電機的各種運行參數，並依據這些參數通過驅動裝置對含直流電機裝置實施控制。
本發明所述方法，具體步驟是1.直接用取樣電阻和信號處理單元，把電機電樞電流中與電刷、定子磁極物理位置相對應的脈動信號，變換成脈衝寬度為W的數字脈衝信號；2.計算控制單元對該數字脈衝信號計數為N，對N和W進行計算處理，求出轉子的轉角θ、轉動圈數m、轉速n，並判斷轉子受阻力的大小及受阻狀態；
3.計算控制單元根據N、W、θ、m、n，發出控制信號，通過驅動單元，對含直流電機裝置實施控制。
本發明所述的上述方法的步驟2是根據以下計算公式(1)求出直流電機轉子的轉角θ，轉動圈數m，轉速n，並判斷直流電機是否為受阻狀態，從而實施控制。
=2NpN]]>m=NpN...(1)]]>n=1Wp1W]]>W＞設定閾值，直流電機被判斷為受阻。
另外，根據直流電機轉速n與力矩T的下述關係式(2)，可以測算出直流電機力矩的大小。以永磁或它勵直流電機為例有n=UaCE-RaCECT2T...(2)]]>公式(2)中φ是氣隙磁通，Ua為電樞電壓，Ra為電樞電阻，CE、CT為結構常數。
根據上述公式(2)和(1)可知，當T增大時，n減小，W增大，由此說明，脈衝寬度W會隨力矩T單調上升，據此可以根據W的大小來判斷力矩或者力的大小。
上述方法的步驟1中包含兩部分電路1.串聯在電樞迴路中的取樣電阻，其作用是把電樞電流變換成電壓取樣信號。
2.連接在取樣電阻與計算控制單元之間的信號處理單元，其作用是把電壓取樣信號變換成數字脈衝信號。所述信號處理單元可由現有技術中的放大器、濾波器、比較器、限幅器、分頻器、倍頻器、模數轉換器、計數器、邏輯電路作為單元電路組合而實現。這些電路也可以部分地包含在單片機中。
上述方法的步驟2中的計算控制單元可由單片機、計算機、計數器、定時器、可編程邏輯器件構成，連接在信號處理單元與驅動單元之間，它可以接收外部指令。
與現有技術中的含直流電機裝置的直接測量控制方法相比較，本發明的有益效果是1.不用傳感器，簡化結構，降低成本，無傳感器引入誤差；2.因為本發明主要採用數位技術，設定閾值適用範圍加大，抗幹擾能力提高；3.能夠計算出轉子轉角θ，轉動圈數m，轉速n，並能判斷受阻力的大小。
圖1為現有技術中含直流電機裝置的測量控制方法示意圖。
圖2為本發明所述含直流電機裝置的直接測量控制方法示意圖。
圖3為本發明實施例程序流程圖。
圖4根據本發明方法設計的電動玻璃升降控制器實施例結構方框圖。
具體實施例方式
現結合說明書附圖2-4介紹本發明所述含直流電機裝置的直接測量控制方法以及根據本發明方法設計的電動玻璃升降控制器。
1.通過取樣電阻提取電機電樞電流中與電刷、定子磁極物理位置相對應的電脈動信號，並通過信號處理單元將電脈動信號變換成脈衝寬度為W的數字脈衝信號；(2)計算控制單元對該數字脈衝信號計數為N，對N和W進行計算處理，計算出轉子的轉角θ、轉動圈數m、轉速n，並判斷轉子受阻力的大小及受阻狀態；(3)計算控制單元根據N、W、θ、m、n，發出控制信號，通過驅動單元，對含直流電機裝置實施控制。
為進一步說明本發明所述方法，以電動玻璃升降控制器為例加以說明。該控制器可以不需要傳感器，控制普通直流電機，實現一觸式升降和防止夾住功能。
下面結合圖3和圖4，對本發明所述作進一步詳細描述。電動玻璃升降控制器的運行步驟詳細示於附圖3中。
圖4示出本發明電動玻璃升降控制器實施控制的原理及結構方框圖。
1.電源部分U1與電容C1、C2、C3一起組成電源電路，把DC12V降至DC5V，用作單片機U2和信號處理電路U3的供電。
2.電機驅動部分單片機U2發出控制信號，通過三極體Q1、Q2驅動繼電器K1、K2，控制電動玻璃升降器直流電機M的正傳、反轉和停止。
3.信號處理部分直流電機電樞電流信號，如圖2所示，經過取樣電阻R1，變成電壓信號；再通過信號處理單元U3後，變成數字脈衝信號，如圖2所示。
4.指令輸入部分升降指令接DC12V時為有效電平，經分壓電阻R4、R5、R6、R7分壓成TTL電平，用電容C4、C5濾掉毛刺後，輸入到單片機U2中。
5.單片機部分單片機U2對上升指令處理流程如圖3所示。收到升指令後，驅動電機M正轉，玻璃上升。在玻璃上升過程中，如W＞設定閾值，則說明直流電機受阻，根據脈衝計數N，計算出電機轉子轉動圈數，從而得到玻璃位置。若位置在頂部，則說明這個受阻是因為玻璃達到頂部，單片機U2發出指令，停止電機運轉，玻璃停止上升，保護電機不發熱；若位置在中間，則說明這個受阻是因為玻璃夾住異物，單片機U2發出信號，玻璃下降，下降的距離用電機轉動圈數，或者脈衝計數來規定，防止夾住力感的大小，也是由脈寬W來確定，從而達到防止夾住的功能。下降指令的處理與上升指令的處理類似。
整個實施例中，無需傳感器，直接根據數字脈衝計數N和脈寬寬度W來判斷是否夾住異物還是到頂，並計算控制下降距離。
根據電動玻璃升降控制器的描述，可以設計出本發明電動玻璃升降控制器的許多不同的變形和替代物。比如，計算機控制單元可以選用Z8、51、PIC、EM、Motorola系列的單片機，也可以選用其他具有CPU、I/O、RAM、EPROM、Flash或其他類似功能的晶片和組件；信號處理單元可以選用各種運算放大器、濾波器、比較器、分頻器、倍頻器、計算器、限幅器、模數轉換器、數字邏輯電路或其他類似功能的晶片和組件。
在本發明中還可以把測量得到的信號，用於顯示，作監視指示或報警等用途。
應當理解，本發明不限於以上所述實施例，對於本技術領域的專業人員來說，對本發明方法所構設的各種變更和改進，均不脫離本發明的構思和本申請所附權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種含直流電機裝置的測量控制方法，其特徵是(1)直接用取樣電阻和信號處理單元，把電機電樞電流中與電刷、定子磁極物理位置相對應的脈動信號，變換成脈衝寬度為W的數字脈衝信號；(2)計算控制單元對該數字脈衝信號計數為N，對N和W進行計算處理，求出轉子的轉角θ，轉動圈數m，轉速n，判斷轉子受阻力的大小及受阻狀態；(3)計算控制單元根據N、W、θ、m、n，發出控制信號，通過驅動單元，對含直流電機裝置實施控制。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵是，所述取樣電阻串聯在電樞迴路，把電樞電流變成電壓取樣信號。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵是，所述信號處理單元由放大器、濾波器、比較器、限幅器、分頻器、倍頻器、計數器、數模轉換器、邏輯電路全部或部分組合而成，連接在取樣電阻與計算控制單元之間的電路，把電壓取樣信號變換成數字脈衝信號。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵是，所述數字脈衝信號中的部分脈衝信號與電刷、定子磁極的物理位置相對應，其脈衝寬度W，反比於轉子轉速n，W隨受阻力單調增加，其計數N，正比於轉子轉動圈數m或轉角θ。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵是，所述計算控制單元由單片機、計算機、計數器、定時器、觸發器等組成，可以接收外部指令。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵是，當脈衝寬度W＞設定閾值時，判斷為受阻，據此發出控制信號。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵是，脈衝計數器N乘上一個比例因子，作為轉子圈數、轉子轉角及含直流電機裝置的行程、轉角、以及作為達到設定位置的判斷依據，據此發出控制信號。
8.據權利要求1所述的方法，其特徵是，以脈衝寬度W的倒數乘以一個比例因子，作為直流電機本身或含直流電機裝置的速度或轉速，據此發出控制信號。
全文摘要
本發明涉及含直流電機裝置的直接測量控制方法。該方法特點是，利用電路直接從直流電機電樞電流中提取與電刷、定子磁極的物理位置相對應的脈衝信號，其寬度為W，脈衝計數為N。根據N和W，求出直流電機轉子的轉角、轉動圈數、轉速、判定受阻狀態及受阻力的大小，從而對含直流電機裝置直接實施控制。本發明所述方法的優點在於不需要傳感器就可以設計製造控制器，對含有直流電機的裝置進行控制，操作簡單、準確、實用。
文檔編號H02P6/14GK1614871SQ20041009862
公開日2005年5月11日 申請日期2004年12月14日 優先權日2004年12月14日
發明者張建華 申請人:張建華