CN107070351A

CN107070351A - 一种直线电机驱动柱塞泵恒流量运动规划及控制方法

Info

Publication number: CN107070351A
Application number: CN201611211584.2A
Authority: CN
Inventors: 聂松林; 黄叶青; 郭曰伟; 李芹
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2016-12-25
Filing date: 2016-12-25
Publication date: 2017-08-18

Abstract

本发明公开了一种直线电机驱动柱塞泵恒流量运动规划及控制方法。所述方法首先根据特定工况，利用运动规划模块完成参数设置、插值点计算，以及参数导入和绘制运动曲线示意图，再利用伺服控制模块完成直线电机伺服运动控制及位置信号反馈采集，从而驱动直线电机以一定的规划稳定运行。该方法结合三角波、梯形波等运动曲线规划与传统PID控制策略，能够实现直驱柱塞泵系统在单个或多个运动单元出现运行故障时仍保持稳定的恒流量输出，具有较强的冗余能力，有效缓解传统旋转电机柱塞泵振动噪声大、流量脉动大等问题。该方法对直线电机驱动式柱塞泵的推广及应用具有重要意义。

Description

一种直线电机驱动柱塞泵恒流量运动规划及控制方法

技术领域

本发明涉及直线电机控制技术领域，具体涉及一种直线电机驱动柱塞泵恒流量输出的运动规划及控制方法。

背景技术

直线电机驱动柱塞泵是一种利用直线电机作为动力源直接驱动柱塞做往复运动的新型柱塞泵。直线电机驱动柱塞泵由于不需要中间传动装置，相对于传统的“旋转电机+传动装置”的结构具有多方面的优势，如：振动小、噪声低，智能伺服控制等。近年来，直线电机技术得到了飞速的发展并且广泛的应用于各种场合。直线电机以其快速响应和精度等方面的优势而逐渐取代普通伺服驱动系统，但要使直线电机表现出优良的性能，就对控制系统的要求也越来越高。

为了实现高速度高精度的控制效果，需要寻求合理有效的控制方法，而且考虑到直线电机伺服系统是一种高度非线性的动态系统，则对指令的无超调、无延时的跟踪及各种扰动的抑制都提出了众多的要求。经典控制策略中的代表非PID控制莫属，根据不同的被控对象采用适当的K_p、K_i、K_d这三个参数，可以得到较为满意的控制效果。利用PID控制与其它控制策略相结合，形成带有智能的新型复合控制，实现对PID参数的自校正，使直线电机伺服系统的鲁棒性得到增强。

在直线电机驱动柱塞泵系统中，直线电机的动子直接带动柱塞在缸体中往复运动，因此柱塞的速度曲线与直线电机动子往复运动的速度曲线是一致的，多个运动单元的流量曲线以一定的相位差组合得到常量。直线电机的速度曲线可以根据需要设置为任意的形式，并且实时伺服调整。将直线电机与柱塞泵结合，实现了柱塞泵输出流量、压力稳定，泵阀能与柱塞运动规划匹配而平稳工作。

随着直线电机驱动技术的发展，直线电机驱动柱塞泵的应用前景将更加开阔。直线电机驱动柱塞泵多运动单元之间的多曲线有相位差的恒流量控制方法，对实现直驱式柱塞泵低振动、低流量脉动的特性具有重要意义。

发明内容

本发明针对直线电机驱动式柱塞泵需要实现多运动单元恒流量输出的目的，提出一种多运动单元直线电机驱动式柱塞泵恒流量运动规划及控制方法。

本发明结合三角波、梯形波等运动曲线规划与传统PID控制策略，能够实现直驱柱塞泵系统在单个或多个运动单元出现运行故障时仍保持稳定的恒流量输出，具有较强的冗余能力，有效缓解传统旋转电机柱塞泵振动噪声大、流量脉动大等问题。本发明按如下方法实现：

一种直线电机驱动柱塞泵恒流量运动规划及控制方法，该控制方法包含运动规划模块以及伺服控制模块。

运动规划模块通过硬件模块和软件模块两部分来实现。硬件模块包含了UMAC运动控制卡、伺服驱动器、工控机。软件模块包含了Matlab、Labview及Pewin32pro直线电机控制调试软件。根据具体需要的工况，如流量大小、运动单元数量等，在Matlab中利用已经编辑好的速度规划算法进行插值点运算，并调用Pcommop enclose插件将运动变量输出导入到Labview软件中进行初步计算和绘制运动曲线图。得到的具体插值点参数，再通过Labview与Pewin32pro调试程序的接口导入，实现对控制器运动参数的指令输入，进而通过Pewin32pro调试软件及UMAC运动控制卡实现对泵用直线电机的伺服控制。同时，位置反馈装置监测到的实时位置信息也会通过数据信号线传输到工控机中，在Pewin32pro中显示，以方便实时调整运动控制策略。

伺服控制模块即直线电机的伺服控制环，包括位置环和速度环。直线电机的动子位置给定值与动子实际位置的差值作为位置环PID调节器的输入，其输出为动子速度的给定值，与光栅尺检测并微分得到的实际速度进行比较，差值作为速度环PID调节器的输入，速度环的输出值为矢量电流解耦调节器的给定值，并与直线电机霍尔元件检测到的电流值比较，其差值作为矢量电流解耦调节器的输入，逆变器将矢量电流解耦调节器输出的直流变换为交流信号，从而驱动直线电机以一定的规划运行。

为提高直线电机的运行精度和鲁棒性，降低直线电机的速度和加速度的错位和波动对于直驱柱塞泵流量脉动的影响，伺服控制环采用速度前馈、加速度前馈和陷波滤波器结合PID调节技术。K_aff为加速度前馈增益，k_vff是速度前馈增益，n₁、n₂、d₁和d₂指陷波滤波器系数，K_p为比例增益，K_d微分增益。K_i为积分增益。积分模式可选，当IM＝1时即为积分分离模式；当IM＝0时，即为积分始终有效模式。通过速度前馈来减小微分增益或测速电机环路阻尼所带来的跟随误差，用加速度前馈来补偿由于惯性所带来的跟随误差，同时，通过陷波滤波器来防止谐振以抵消共振。

本发明的有益效果在于，通过多运动单元的速度曲线规划，可以根据工况需求设置为任意形式，例如四运动单元梯形波运动模式、三运动单元三角波运动模式等，并且能够实时伺服调整，实现直线电机驱动式柱塞泵输出流量、压力的稳定。采用速度前馈、加速度前馈和陷波滤波器结合PID调节技术，能够提高直线电机的运行精度和鲁棒性，降低直线电机的速度和加速度的错位和波动对于直驱柱塞泵流量脉动的影响。

附图说明

图1是本发明所述速度规划控制流程原理示意图。

图2是本发明所述伺服控制算法框图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细地说明。

当四组直线电机运动单元以三角波运动规划曲线运行时，设定额定工况的行程为0.2m，周期为0.8s。通过Matlab中的编辑好的三角波速度规划算法进行插值点运算，设置插值点间隔为2ms，每组直线电机之间运动相位间隔为T/4，得到插值点个数以及每个点的速度值，然后调用Pcommop enclose插件将运动变量输出值导入到Labview软件中进行初步计算，绘制运动曲线图。通过Labview与Pewin32pro调试程序的接口导入Matlab计算得到的插值点数据，进而利用Pewin32pro调试软件及UMAC运动控制卡实现对泵用直线电机的伺服控制。当四组直线电机运动单元进行稳定运行状态时，代表系统总输出流量的红色曲线保持一个恒定的值。系统运行的同时，位置反馈装置监测到的实时位置信息也会通过数据信号线传输到工控机中，在Pewin32pro中显示，以方便实时调整运动控制策略。

永磁同步直线电机的速度反馈系统控制为：

e(k)＝r(k)-y(k)

r(k)为系统输入，y(k)为系统输出，

PID的输入分别为：

X_c(1)＝e(k)-e(k-1)

X_c(2)＝e(k)

X_c(3)＝e(k)-2e(k-1)-e(k-2)

X_c(1)，X_c(2)，X_c(3)分别为PID微积分模块计算的三个量。

为提高直线电机的运行精度和鲁棒性，降低直线电机的速度和加速度的错位和波动对于直驱柱塞泵流量脉动的影响，伺服控制环采用速度前馈、加速度前馈和陷波滤波器结合PID调节技术。

K_aff为加速度前馈增益，k_vff是速度前馈增益，n₁、n₂、d₁和d₂指陷波滤波器系数，K_p为比例增益，K_d微分增益。K_i为积分增益。积分模式可选，当IM＝1时即为积分分离模式；当IM＝0时，即为积分始终有效模式。

同理，当单个电机出现故障仅有三台电机能够运行时，可以在Labview中重新设置每台电机的运动相位间隔和运动曲线形式，得到新的运动参数，并通过Labview与Pewin32pro调试程序的接口导入Matlab计算得到的插值点数据，进而利用Pewin32pro调试软件及UMAC运动控制卡实现对泵用直线电机的伺服控制。得到系统在三组直线电机运动单元运行时的理论输出流量。

Claims

1.一种直线电机驱动柱塞泵恒流量运动规划及控制方法，其特征在于：该控制方法包含运动规划模块以及伺服控制模块；

运动规划模块通过硬件模块和软件模块两部分来实现；硬件模块包含了UMAC运动控制卡、伺服驱动器、工控机；软件模块包含了Matlab、Labview及Pewin32pro直线电机控制调试软件；根据具体需要的工况，流量大小、运动单元数量，在Matlab中利用已经编辑好的速度规划算法进行插值点运算，并调用Pcommop enclose插件将运动变量输出导入到Labview软件中进行初步计算和绘制运动曲线图；得到的具体插值点参数，再通过Labview与Pewin32pro调试程序的接口导入，实现对控制器运动参数的指令输入，进而通过Pewin32pro调试软件及UMAC运动控制卡实现对泵用直线电机的伺服控制；同时，位置反馈装置监测到的实时位置信息也会通过数据信号线传输到工控机中，在Pewin32pro中显示，以方便实时调整运动控制策略；

伺服控制模块即直线电机的伺服控制环，包括位置环和速度环；直线电机的动子位置给定值与动子实际位置的差值作为位置环PID调节器的输入，其输出为动子速度的给定值，与光栅尺检测并微分得到的实际速度进行比较，差值作为速度环PID调节器的输入，速度环的输出值为矢量电流解耦调节器的给定值，并与直线电机霍尔元件检测到的电流值比较，其差值作为矢量电流解耦调节器的输入，逆变器将矢量电流解耦调节器输出的直流变换为交流信号，从而驱动直线电机以一定的规划运行。

2.根据权利要求1所述的一种直线电机驱动柱塞泵恒流量运动规划及控制方法，其特征在于：为提高直线电机的运行精度和鲁棒性，降低直线电机的速度和加速度的错位和波动对于直驱柱塞泵流量脉动的影响，伺服控制环采用速度前馈、加速度前馈和陷波滤波器结合PID调节技术；K_aff为加速度前馈增益，k_vff是速度前馈增益，n₁、n₂、d₁和d₂指陷波滤波器系数，K_p为比例增益，K_d微分增益；K_i为积分增益；积分模式可选，当IM＝1时即为积分分离模式；当IM＝0时，即为积分始终有效模式；通过速度前馈来减小微分增益或测速电机环路阻尼所带来的跟随误差，用加速度前馈来补偿由于惯性所带来的跟随误差，同时，通过陷波滤波器来防止谐振以抵消共振。

3.根据权利要求1所述的一种直线电机驱动柱塞泵恒流量运动规划及控制方法，其特征在于：当四组直线电机运动单元以三角波运动规划曲线运行时，设定额定工况的行程为0.2m，周期为0.8s；通过Matlab中的编辑好的三角波速度规划算法进行插值点运算，设置插值点间隔为2ms，每组直线电机之间运动相位间隔为T/4，得到插值点个数以及每个点的速度值，然后调用Pcommop enclose插件将运动变量输出值导入到Labview软件中进行初步计算，绘制运动曲线图；通过Labview与Pewin32pro调试程序的接口导入Matlab计算得到的插值点数据，进而利用Pewin32pro调试软件及UMAC运动控制卡实现对泵用直线电机的伺服控制；系统运行的同时，位置反馈装置监测到的实时位置信息也会通过数据信号线传输到工控机中，在Pewin32pro中显示，以方便实时调整运动控制策略；

伺服控制模块即直线电机的伺服控制环，包括位置环和速度环；直线电机的动子位置给定值与动子实际位置的差值作为位置环PID调节器的输入，其输出为动子速度的给定值，与光栅尺检测并微分得到的实际速度进行比较，差值作为速度环PID调节器的输入，速度环的输出值为矢量电流解耦调节器的给定值，并与直线电机霍尔元件检测到的电流值比较，其差值作为矢量电流解耦调节器的输入，逆变器将矢量电流解耦调节器输出的直流变换为交流信号，从而驱动直线电机以一定的规划运行；

永磁同步直线电机的速度反馈系统控制为：

e(k)＝r(k)-y(k)

r(k)为系统输入，y(k)为系统输出，

PID的输入分别为：

X_c(1)＝e(k)-e(k-1)

X_c(2)＝e(k)

X_c(3)＝e(k)-2e(k-1)-e(k-2)

X_c(1)，X_c(2)，X_c(3)分别为PID微积分模块计算的三个量；

为提高直线电机的运行精度和鲁棒性，降低直线电机的速度和加速度的错位和波动对于直驱柱塞泵流量脉动的影响，伺服控制环采用速度前馈、加速度前馈和陷波滤波器结合PID调节技术；

K_aff为加速度前馈增益，k_vff是速度前馈增益，n₁、n₂、d₁和d₂指陷波滤波器系数，K_p为比例增益，K_d微分增益；K_i为积分增益；积分模式可选，当IM＝1时即为积分分离模式；当IM＝0时，即为积分始终有效模式；

同理，当单个电机出现故障仅有三台电机能够运行时，在Labview中重新设置每台电机的运动相位间隔和运动曲线形式，得到新的运动参数，并通过Labview与Pewin32pro调试程序的接口导入Matlab计算得到的插值点数据，进而利用Pewin32pro调试软件及UMAC运动控制卡实现对泵用直线电机的伺服控制；得到系统在三组直线电机运动单元运行时的理论输出流量。