专利名称：用于感应电机点对点位置伺服的制动控制方法
技术领域：
本发明涉及精密伺服控制技术领域，尤其涉及一种用于感应电机快速精密 高效点对点位置伺服的制动控制方法。
背景技术：
点对点定位实质上是根据位置闭环反馈信号、采用数字技术控制的位置伺 服随动系统，其根本任务是要实现执行机构对位置指令尽可能快速和准确的跟 踪。当前，伺服随动系统正朝着高精度、响应快、智能化、低能耗的方向发展， 对伺服控制方法提出了越来越高的要求。感应电机因其容量大、可靠性高，适 用于非常广泛的伺服领域，遍及国民经济的各个部门，如机械加工过程中机床 的定位控制，冶金工业中要求焊机头能准确地对正焊缝以实现有缝钢管的精密 焊接，纺织工业中高速平缝机的针位控制等。能耗制动是感应电机伺服定位的 一种常见控制方法，即在定子绕组中通以直流电，从而产生一个固定不变的磁 场，转子由于惯性继续旋转时，其绕组切割该磁场，产生与转速方向相反的转 矩，即制动转矩。该方法的优点是定位快速准确且无超调，不需安装专用制动 单元等。但该制动控制方法若在定位过程中给电机定子通以恒定制动电流，则 功耗较大，这是一大缺点。
快速精密位置伺服的控制方法是基于Bang-Bang最优理论，如图2所示， 设运动对象在位移坐标&点相交于最佳开关线1上的A点，速度为(叫)A，此 时控制量状态开关由电动切换至制动，制动电流取逆变器安全容限下的恒定最 大值，理想条件下，运动对象若沿最佳开关线1无超调收敛至坐标原点(即目 标位移坐标x^，则时间代价最优。但进一步分析可知，与直流电机不同，感应 电机在恒定能耗制动电流作用下，其运行相轨迹是沿最佳开关线簇(例如线簇 1~4)收敛于坐标原点，曲线ATmO显然比曲线AO时间代价大，且制动电流虽 恒定，但制动力矩随速度叫非线性变化，最大只出现在Tm—点。为縮短制动收 敛时间，需加大定子的恒定制动电流，但在实际应用中，定子电流最大值将受 到诸多因素限制，如逆变器、电机过热，逆变器过流等，从提高制动效率的角时间代价的优化，同样是不足取的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于感应电机快速精密高 效点对点位置伺服的制动控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的-
一种感应电机点对点位置伺服的制动控制方法，制动控制系统主要由数字
处理器、模糊控制器、Bang-Bang控制器、相序发生器、PWM发生器和功率逆 变器构成，Bang-Bang控制器包括控制量状态开关；该方法包括以下步骤
(1) 数字处理器接收到启动信号使被控运动对象以某给定的最大速度向目标位
移坐标\*运行；
(2) 模糊控制器输出的去模糊化值决定控制量状态开关切换的位移坐标值Xl，
当前实时转子速度W作为模糊控制器的一个变量输入；
(3) 数字处理器检测到被控运动对象到达控制量状态开关切换的位移坐标Xl 时，激发Bang-Bang控制器输出制动信号，相序发生器进入能耗制动相序；
(4) 数字处理器计算出Bang-Bang控制器输出能耗制动信号初始时刻A点的抛
物状开关线系数值&= , (，2，其中，A为定子制动电流，(A),为该时刻的
咖丄-
实时转子速度，对于给定的感应电机，"、6均为定值；
(5) 在下一个闭环调节周期内，数字处理器检测新的叫，令此刻
尸= 3，数字处理器倒算出该调节周期所需的定子制动电流/,， /,经数
字处理器标么化后，对定子制动电流参考量//赋新值；同时实时采集/,，对//
进行修正，使实际的尸=^。 ？皿发生器的脉宽受//调制，自动调节功率逆变
器输出的定子制动电流/5大小。 本发明的有益效果是
1. 控制全部由数字处理器完成，不额外增加硬件检测成本。
2. 克服了感应电机传统恒定直流能耗制动过程中相轨迹沿最佳开关线簇收 敛至坐标原点所需时间长、能量损耗大的缺点，提高了制动效率，符合环保节能，为快速精密高效位置伺服找到了 一条新的有效控制方法。
3.既保证定位精度，又能提高定位的快速性和制动效率。
图1是制动控制系统的结构框图2是本发明制动相轨迹开关线示意图。
具体实施例方式
下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。 本发明的核心是被控运动对象到达控制量状态开关切换的位移坐标A时， 制动控制系统对感应电机实行制动，每一闭环调节周期内输出大小与转子转速 叫保持一定函数关系的可变定子制动电流A,使感应电机能耗制动相轨迹避免 沿最佳开关线簇而沿某条最佳开关线收敛至坐标原点(即目标位移坐标x"，参 见图2，从而在最短时间内精密高效完成伺服定位。本发明具体实现按以下感应 电机能耗制动相轨迹方程进行
其中"-(2/VTJ〃， 6 = (6 )/(&+;02， p":电机极对数，[:负载转矩， 负载惯量，励磁相电抗，、转子相电抗，《转子相电阻。对于给定
的感应电机，a、 6均为定值。令式(1)中的尸=^\72，即尸为抛物状制动相轨
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迹的开关线系数，对应不同的户值，可得到图2相平面上的制动开关线簇。
如图1所示，制动控制系统主要由数字处理器、模糊控制器、Bang-Bang 控制器、相序发生器、PWM发生器和功率逆变器构成，Bang-Bang控制器包括 控制量状态开关。
如图2所示，本发明用于感应电机点对点位置伺服的制动控制方法包括以 下步骤
1、数字处理器接收到启动信号使被控运动对象以某给定的最大速度向目标 位移坐标\*运行。被控运动对象起始位移坐标X2与目标位移坐标f的误差值Ax越小，允许 的最大速度则越低，反之亦然。当Ax高于或低于一定值时，允许的最大速度上 下限幅。
2、 模糊控制器输出的去模糊化值决定控制量状态开关切换的位移坐标值 Xl，当前实时转子速度叫作为模糊控制器的一个变量输入。
采用模糊控制器求解Xl，软硬件资源占用率低、方法简洁、超调小、鲁棒 性强、非线性因素影响小。对应的模糊蕴含关系为叫越大，x,越小。
3、 数字处理器检测到被控运动对象到达控制量状态开关切换的位移坐标Xl 时，激发Bang-Bang控制器输出制动信号，相序发生器进入能耗制动相序。
图2中A点即为激发Bang-Bang控制器输出制动信号时刻的工作点。相平 面叫-x上，感应电机开始进入能耗制动相轨迹。
4、 数字处理器计算出Bang-Bang控制器输出能耗制动信号初始时刻A点的
抛物状开关线系数值/^ = , 2 ，其中，A为定子制动电流，(O,为该时刻
的实时转子速度，对于给定的感应电机，fl、 6均为定值。
制动电流A初值综合考虑逆变器及感应电机容许功率，取最大值，再根据A 点时刻数字处理器检测到的(《V)A，期望的最佳开关线随之确定，即图2中的最 佳开关线l。
5、 在下一个闭环调节周期内，数字处理器检测新的叫，令此刻 f= 2=札，数字处理器倒算出该调节周期所需的定子制动电流/,， /,经数
字处理器标么化后，对软件中的定子制动电流参考量//赋新值；同时实时采集 /,，对//进行修正，使实际的/ = &。 PWM发生器的脉宽受//调制，自动调节
功率逆变器输出的定子制动电流/s大小。
整个能耗制动收敛过程中，因叫逐渐降低，若定子制动电流//恒定，则抛 物状开关线系数户随之改变，制动过程将不沿户初值(即尸A值)所确定的最佳 开关线收敛，而是沿最佳开关线簇收敛(见图2中的虚线)，增加了时间代价和 制动损耗。显然，只要维持户为一定常数，即使定子电流//与转子转速叫的比 值一定，则感应电机能耗制动过程将沿户初值所确定的最佳开关线收敛到原点，时间代价最优。在实际定位过程中，因数字处理器离散化控制，定子电流/,随 转子转速W调节次数越多，即闭环调节周期越短，则能耗制动相轨迹就越逼近
最佳开关线，时间代价也就越小。进一步分析尸=^\,2可知，随制动的进行，
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叫越来越小，则所需的/,也越小，势必提高了制动效率。
权利要求
1.一种感应电机点对点位置伺服的制动控制方法，制动控制系统主要由数字处理器、模糊控制器、Bang-Bang控制器、相序发生器、PWM发生器和功率逆变器构成，Bang-Bang控制器包括控制量状态开关。其特征在于，该方法包括以下步骤(1)数字处理器接收到启动信号使被控运动对象以某给定的最大速度向目标位移坐标x*运行。(2)模糊控制器输出的去模糊化值决定控制量状态开关切换的位移坐标值x1，当前实时转子速度ωr作为模糊控制器的一个变量输入。(3)数字处理器检测到被控运动对象到达控制量状态开关切换的位移坐标x1时，激发Bang-Bang控制器输出制动信号，相序发生器进入能耗制动相序。(4)数字处理器计算出Bang-Bang控制器输出能耗制动信号初始时刻A点的抛物状开关线系数值<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>A</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>ω</mi><mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mi>A</mi> </msub> <mrow><mi>a</mi><msub> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>ω</mi> <mi>r</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mi>A</mi></msub><mo>-</mo><mi>b</mi><msubsup> <mi>I</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn></msubsup> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100967840002C1.tif" wi="34" he="10" top= "117" left = "58" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中，Is为定子制动电流，(ωr)A为该时刻的实时转子速度，对于给定的感应电机，a、b均为定值。(5)在下一个闭环调节周期内，数字处理器检测新的ωr，令此刻<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>ω</mi><mi>r</mi> </msub> <mrow><mi>a</mi><msub> <mi>ω</mi> <mi>r</mi></msub><mo>-</mo><mi>b</mi><msubsup> <mi>I</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn></msubsup> </mrow></mfrac><mo>=</mo><msub> <mi>P</mi> <mi>A</mi></msub><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2009100967840002C2.tif" wi="35" he="9" top= "157" left = "18" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>数字处理器倒算出该调节周期所需的定子制动电流Is，Is经数字处理器标么化后，对定子制动电流参考量Is*赋新值；同时实时采集Is，对Is*进行修正，使实际的P＝PA。PWM发生器的脉宽受Is*调制，自动调节功率逆变器输出的定子制动电流Is大小。
全文摘要
本发明提供一种用于感应电机点对点位置伺服的制动控制方法。感应电机的能耗制动伺服相轨迹通常沿最佳开关线簇运行，是时间代价次优的制动控制方法，本制动控制方法则为根据被控运动对象起始位移坐标x<sub>2</sub>与目标位移坐标x<sup>*</sup>的误差值Δx，感应电机以某给定的最大速度运行，到达控制量状态开关切换的位移坐标x<sub>1</sub>时，制动控制系统中的Bang-Bang控制器发出制动信号，功率逆变器输出大小与转子转速ω<sub>r</sub>保持一定函数关系的可变定子制动电流，使感应电机的能耗制动相轨迹沿某最佳开关线运行，从而精密定位到目标位移坐标x<sup>*</sup>的时间代价最优，且可变电流制动能量损耗小，具有较大的理论创新和应用价值。
文档编号H02P3/18GK101515776SQ20091009678
公开日2009年8月26日 申请日期2009年3月19日 优先权日2009年3月19日
发明者张寅孩, 苇 祝 申请人:浙江理工大学