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一种钻头直流电机编码器的控制方法及系统

申请号 CN202410135395.X 申请日 2024-01-31 公开(公告)号 CN117955379A 公开(公告)日 2024-04-30
申请人 西南石油大学; 发明人 梁海波; 袁磊; 杨海; 仇芝;
摘要 本 发明 公开了一种 钻头 直流 电机 无 编码器 的控制方法及系统,属于钻井技术领域,步骤如下: 油 门 信号 通过油门映射模 块 得到目标速度;目标速度通过速度规划模块得到期望输出速度;期望输出速度通过反电动势模块得到期望反电动势;期望反电动势通过外环PI控 制模 块得到期望 电流 ;期望电流通过内环PI 控制模块 得到PWM输出从而控制电机。通过上述方式,本发明可运用在一些无法使用编码器的场景;通过电机反电动势方法求得电机速度,实现了编码器的功能,通过电流环控制pwm输出,可以快速的达到目标速度,电流环在响应快条件下保证了超调量的适中和对电流的直接控制,可减少对MOS管的伤害;本发明还具有控制 精度 高、 稳定性 好等优点。
权利要求

1.一种钻头直流电机编码器的控制方法,其特征在于,步骤如下:
一、信号通过油门映射模得到目标速度;
二、所述目标速度通过速度规划模块得到期望输出速度;
三、所述期望输出速度通过反电动势模块得到期望反电动势;
四、所述期望反电动势通过外环PI控制模块得到期望电流
五、所述期望电流通过内环PI控制模块得到PWM输出从而控制电机。
2.根据权利要求1所述的钻头直流电机无编码器的控制方法,其特征在于,油门映射模块得到的期望输出速度与油门信号呈非线性关系。
3.根据权利要求2所述的钻头直流电机无编码器的控制方法,其特征在于,步骤三具体包括:
(1)求电机内阻R1;
通过电机堵转得到电机内阻;
(2)求电机的反电动势常数KE1;
KE1=(X‑Y*R1)/W=(r*(X‑Y*E1))/V1
其中,X为电机端电压;Y为电机电流;R1为电机内阻;W为转速;r为线圈半径;V1当前电机速度;KE1为电机的反电动势常数;
(3)计算期望反电动势;
由反电动势公式:E=KE1*W=(KE1*V1)/r,得到期望反电动势E。
4.根据权利要求3所述的钻头直流电机无编码器的控制方法,其特征在于,步骤四具体包括:
计算期望电机端电压;
计算端电压误差;
利用外环PI控制模块求出输出的期望电流。
5.根据权利要求4所述的钻头直流电机无编码器的控制方法,其特征在于:
计算期望电机端电压=(期望反电动势+母线电流)*电机内阻;
计算端电压误差=期望电机端电压‑电机端电压;
利用外环PI控制模块求出输出的期望电流:
期望电流=kp*端电压误差+ki*(Voltage_err[1]+Voltage__err[2]+……Voltage_err[t])。
6.根据权利要求5所述的钻头直流电机无编码器的控制方法,其特征在于,步骤五具体包括:
计算端电流误差;
内环PI控制模块将电流误差转化为pwm输出,输出的pwm直接输出控制电机。
7.根据权利要求6所述的钻头直流电机无编码器的控制方法,其特征在于:
计算端电流误差=期望电流‑采集端电流;
内环PI控制模块将电流误差转化为pwm输出,公式为:
pwm=kp*电流误差+ki*(isenor_err[1]+isenor_err[2]+······isenor_err[t]);
输出的pwm直接输出控制电机。
8.一种采用权利要求7所述的钻头直流电机无编码器的控制方法的系统,其特征在于,包括油门映射模块、速度规划模块、反电动势模块、外环PI控制模块和内环PI控制模块。
9.根据权利要求8所述的系统,其特征在于,油门映射模块得到期望输出速度;
速度规划模块利用目标速度得到期望输出速度;
反电动势模块利用期望输出速度输入进反电动势模块输出期望反电动势;
外环PI控制模块得到期望电流值;
内环PI控制模块输出pwm直接控制电机。

说明书全文

一种钻头直流电机编码器的控制方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及钻井技术领域,具体涉及一种钻头直流电机无编码器的控制方法及系统。

背景技术

[0002] 石油钻机是用来进行石油与天然气勘探、开发的成套钻井设备。直流电机是石油钻机的重要组成部分。
[0003] 直流电机传统控制方法有速度环PID控制、模糊算法、速度环加电流环等控制方法,但其需要编码器等高精度传感器进行辅助下才能进行稳定高效的工作。
[0004] PID控制分为单环PID控制和双环PID控制。现有技术中常常是其控制环作用于速度环和位置环的控制,其输出直接作用于PWM输出,这种控制方式具有很大的弊端,通常会一瞬间就输出大电流或者直接方向输出PWM,从而导致MOS管烧毁。
[0005] 基于此,本发明设计了一种钻头直流电机无编码器的控制方法及系统以解决上述问题。

发明内容

[0006] 针对现有技术所存在的上述缺点,本发明提供了一种钻头直流电机无编码器的控制方法及系统。
[0007] 为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:
[0008] 一种钻头直流电机无编码器的控制方法,步骤如下:
[0009] 一、信号通过油门映射模得到目标速度;
[0010] 二、所述目标速度通过速度规划模块得到期望输出速度;
[0011] 三、所述期望输出速度通过反电动势模块得到期望反电动势;
[0012] 四、所述期望反电动势通过外环PI控制模块得到期望电流;
[0013] 五、所述期望电流通过内环PI控制模块得到PWM输出从而控制电机。
[0014] 更进一步的,油门映射模块得到的期望输出速度与油门信号呈非线性关系。
[0015] 更进一步的,步骤三具体包括:
[0016] (1)求电机内阻R1;
[0017] 通过电机堵转得到电机内阻;
[0018] (2)求电机的反电动势常数KE1;
[0019] KE1=(X‑Y*R1)/W=(r*(X‑Y*R1))/V1
[0020] 其中,X为电机端电压;Y为电机电流;R1为电机内阻;W为转速;r为线圈半径;V1当前电机速度;KE1为电机的反电动势常数;
[0021] (3)计算期望反电动势;
[0022] 由反电动势公式:E=KE1*W=(KE1*V1)/r,得到期望反电动势E。
[0023] 更进一步的,步骤四具体包括:
[0024] 计算期望电机端电压;
[0025] 计算端电压误差;
[0026] 利用外环PI控制模块求出输出的期望电流。
[0027] 更进一步的,计算期望电机端电压=(期望反电动势+母线电流)*电机内阻;
[0028] 计算端电压误差=期望电机端电压‑电机端电压;
[0029] 利用外环PI控制模块求出输出的期望电流:
[0030] 期望电流=kp*端电压误差+ki*(Voltage_err[1]+Voltage_err[2]+......Voltage_err[t])。
[0031] 更进一步的,步骤五具体包括:
[0032] 计算端电流误差;
[0033] 内环PI控制模块将电流误差转化为pwm输出,输出的pwm直接输出控制电机。
[0034] 更进一步的,计算端电流误差=期望电流‑采集端电流;
[0035] 内环PI控制模块将电流误差转化为pwm输出,公式为:
[0036] pwm=kp*电流误差+ki*(isenor_err[1]+isenor_err[2]+······isenor_err[t]);
[0037] 输出的pwm直接输出控制电机。
[0038] 一种所述的钻头直流电机无编码器的控制方法的系统,包括油门映射模块、速度规划模块、反电动势模块、外环PI控制模块和内环PI控制模块。
[0039] 更进一步的,油门映射模块得到期望输出速度;
[0040] 速度规划模块利用目标速度得到期望输出速度;
[0041] 反电动势模块利用期望输出速度输入进反电动势模块输出期望反电动势;
[0042] 外环PI控制模块得到期望电流值;
[0043] 内环PI控制模块输出pwm直接控制电机。
[0044] 有益效果
[0045] 本发明可运用在一些无法使用编码器的场景;通过电机反电动势方法求得电机速度,实现了编码器的功能,通过电流环控制pwm输出,可以快速的达到目标速度,电流环在响应快条件下保证了超调量的适中和对电流的直接控制,可减少对MOS管的伤害,有利于增加MOS管的寿命,有效减少了生产制造的生产成本和售后维修成本;本发明还具有控制精度高、稳定性好等优点。附图说明
[0046] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0047] 图1为油门映射模块的流程图
[0048] 图2为速度规划模块的输入和输出的示意图。
[0049] 图3为计算当前电机转速的示意图。
[0050] 图4为通过期望目标求期望电机端电压示意图。
[0051] 图5为求期望电流的PI外环示意图。
[0052] 图6为求期望输出PWM的PI电流环的示意图。
[0053] 图7为电机模拟电路示意图。
[0054] 图8为电机模拟电路的闭环传递函数示意图。
[0055] 图9为电机pi电流环的传递函数示意图。
[0056] 图10为一种钻头直流电机无编码器的控制方法原理图。

具体实施方式

[0057] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0058] 下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
[0059] 实施例1
[0060] 请参阅说明书附图1~10,一种钻头直流电机无编码器的控制方法,包括以下步骤:
[0061] 一、油门信号通过油门映射模块得到目标速度;
[0062] 二、所述目标速度通过速度规划模块得到期望输出速度;
[0063] 三、所述期望输出速度通过反电动势模块得到期望反电动势;
[0064] 四、所述期望反电动势通过外环PI控制模块得到期望电流;
[0065] 五、所述期望电流通过内环PI控制模块得到PWM输出从而控制电机。
[0066] 本发明可运用在一些无法使用编码器的场景;通过电机反电动势方法求得电机速度,实现了编码器的功能,通过电流环控制pwm输出,可以快速的达到目标速度,电流环在响应快条件下保证了超调量的适中和对电流的直接控制,可减少对MOS管的伤害,有利于增加MOS管的寿命,有效减少了生产制造的生产成本和售后维修成本;本发明还具有控制精度高、稳定性好等优点。
[0067] 实施例2
[0068] 请参阅说明书附图1~10,在实施例1的基础上,步骤三具体包括:
[0069] (1)求电机内阻R1;方法如下:
[0070] 电机内阻R1需要通过不同情况下的工作方式所求得,第一种方式包括:在电机静止情况下,直接使用电压表对电机两端电阻进行测量。第二种方式包括:在电机低转速情况下,直接使用电压表对电机两端电阻进行测量。第三种方式包括:在电机高转速情况下,直接使用电压表对电机两端电阻进行测量。第四种方式包括:在电机堵转情况下,直接使用电压表对电机两端电阻进行测量。几组电机内阻测量值进行加权平均数,从而得到一个较为合理得电机内阻。
[0071] 例如,电机内阻R1通常通过给电机百分之0的占空比、百分之30的占空比、百分之60的占空比、百分之百占空比、以及堵转时测量其分别的电机电阻,在将其所求得电机内阻通过加权平均数得到一个较为稳定的电机内阻;
[0072] (2)求电机的反电动势常数KE1;
[0073] 给电机上X伏的电,通过电流表测得其电流为Y,电机公式为:
[0074] U=IR+E+L*di/dt;
[0075] 其中,U为电机端电压即X;I为电机电流即Y;E为电机反电动势,反电动势通过电机母线电压减去电机内阻产生的电压而得到;L*di/dt为电机内存在的电感值所形成的电压,可以忽略不计或者建立两个二元方程式解得电感电压,通常是通过给一个补偿值。
[0076] 因此,上述公式转化为:
[0077] X=Y*R1+E=Y*R1+KE1*W;
[0078] 因此:
[0079] KE1=(X‑Y*R1)/W=(r*(X‑Y*R1))/V1
[0080] 其中,V1当前电机速度,r为线圈半径,KE1为电机的反电动势常数,W为转速。
[0081] (3)求当前电机速度V1;
[0082] 速度V1由公式V=WR,其中W为速度,R为半径,所以通过反电动势可以得到对应转速。
[0083] (4)计算期望反电动势;
[0084] 由反电动势公式:E=KE1*W=(KE1*V1)/r,得到期望反电动势E。
[0085] 实施例3
[0086] 请参阅说明书附图1~10,图1为油门映射模块的流程图,油门采用双边油门,即中值电压为0油门,分别在最低和最高电压设置两个阈值a、b;电压大于a表示油门达到正转满油门,电压小于b表示反转满油门,其中间电压通过线性来得到。归一化油门输出,可以更好设置油门死区,有利于下一阶段的映射。
[0087] 当进入油门映射模块时,其0油门附近设置一段阈值,当大于正低转阈值或小于反转低阈值时则表示油门输出有效,此目的是防止对油门的误触。同理,设置高正转阈值电压和低反转阈值,其中间斜率曲线可以设置为二次函数曲线:
[0088] 目标速度=三次方常数项*(油门电压‑油门中点电压)+一次方常数*(油门电压‑油门中点电压);可以看出,若三次方常数项为0,则为线性变化;反之,则为抛物线变化;
[0089] 如图2所示,以图1输出的目标速度输入速度规划模块,速度规划模块进行反馈控制,输出一个期望输出速度;
[0090] 当电机速度(当前电机实际速度)小于启动速度时,此时期望输出速度=电机速度*起始加速度比例+起始速度阈值;通过修改起始加速比例值来设置起始速度的快慢,来适用于不同的场景。
[0091] 当电机速度大于启动速度时,此时期望输出速度=单位位移加速度时间*(目标速度‑电机速度)+起始速度阈值;若期望输出速度大于两倍的起始速度阈值,则将期望输出速度限幅于2*起始速度阈值;若期望输出速度超过最大限幅速度,则期望输出速度等于最大限幅速度。
[0092] 减速时,期望输出速度=单位位移减速度时间*(目标速度‑电机速度)+电机速度;其(目标速度‑电机速度)小于0,若期望输出速度小于(电机速度)*0.666,则此时期望输出速度=(电机速度)*0.666。
[0093] 如图3所示,计算期望反电动势、期望电机端电压;
[0094] 由反电动势公式:E=KE1*W=(KE1*V1)/r,得到期望反电动势E;
[0095] 再通过公式:U=IR+E+L*di/dt,其中L*di/dt为一个固定补偿值,得到期望电机端电压;
[0096] 因此,期望电机端电压=IR+(KE1*V1)/r+L*di/dt。
[0097] 如图4所示,以图3输出的期望电机端电压作为输入,从而计算出当前端电压的误差,通过PID算法输出一个期望电流;
[0098] PID算法是有三个结构构成的:比列(P)、积分(I)、微分(D)。比列是对变量进行线性的增长或减小。积分是是由于比列会产生超调及暂态误差,所以通过积分将前面若干次误差进行累计,从而更加准确的消除稳态误差。微分其主要的目的是为了使变量达到目标数据减少震荡。PID算法适普遍适用于电机控制,但由于电机需要快速性、超前性,微分D其具有滞后性,所以本发明实施例中使用PI算法。
[0099] PID算法公式:
[0100] y=kp*(e(t)+ki*(e(1)+e(2)+·····+e(t))+kd*(e(t)‑e(t‑1))[0101] 其中,kp为比列系数,ki为积分系数,kd为微分系数,e(1)是最开始的误差,e(t)是经过t此pid的误差。
[0102] 所以可得pi公式为:y=kp*(e(t)+ki*(e(1)+e(2)+·····+e(t))。
[0103] 选择上述前端电压误差做为外环pi输入,是由于假若使用速度作为外环、电流做为内环,若外环转速环中,突然增加一个巨大的负载转矩,从而导致转速降低,当在目标速度给定不变的情况下,那么就会产生比原误差的更大的误差,这样转速环的输出就会变大,从而造成更大的误差。从电压环作为外环下看,电机电压方程:u=IR+E+L*di/dt,当突然加负载转矩,电机电压不会受其影响,随后会使电机电压变大,从而导致电流增大,直到这个电压使反馈电流等于给定电流达到稳态。
[0104] 由于PID的有误差作为输入的性质,所以可以通过合适的放大使其输出对应所期望的电流,从而实现电压到电流的转变。通过期望电机端电压与当前电机端电压做差可得到电压误差:端电压误差=期望电机端电压‑电机端电压;利用外环PI控制模块求出输出的期望电流:
[0105] 期望电流=kp*端电压误差+ki*(Voltage_err[1]+Voltage_err[2]+······Voltage_err[t])。
[0106] 其中,Voltage_err[1]表示前1个时刻的电机误差;Voltage_err[2]表示前2个时刻的电机误差;Voltage_err[n]表示前n个时刻的电机误差;
[0107] 如图5所示,以图4输出的期望电流作为输入,从而计算出当前输出的pwm。
[0108] 电机本身可以看做一个电路,如图7所示,其可作为一个电阻,电感和反电动势组成的一个回路电路。由霍尔基夫电压定律可得电机公式:
[0109] U=IR+Ldi/dt+E,由于反电动势不随电流变化而是由速度变化,所以在时域中其公式为u(t)=i(t)R+Ldi/dt,由拉普拉斯变化可得到复域u(s)=R*i(s)+L*s*i(s)=>i(s)/u(s)=1/(R+LS),此时G(S)=1/(R+LS)为此电机的传递函数,因而可以在此传递函数上添加一个i(t)电流反馈,形成一个闭环传递函数,如图8。由于输入是电压,输出是电流,所以可以做一个输入为电压输出为电流的pi环,所以可以将电机电路和软件的PID结合起来从而形成电流环。在图8的电路上添加比例和积分,得到一个具有比列和积分的传递函数,如图9所示。可得化简传递函数 可得其特征根0=L*S2+(R+KP)S+ki,由根轨迹可求得其稳定时的kp、ki,并可以通过超调量的参数选取最合适的根计算其对应的kp和Ki值。
[0110] 其中,G(s)为频域的传递函数,kp为通过根轨迹计算的电流环比列值,ki则是积分值。S则表示频率的一个变量,通过得到s求kp和ki。
[0111] 此内环为PI电流环,期望电流与采集电流做误差:端电流误差=期望电流‑采集端电流,将电流误差转化为pwm输出,公式为:
[0112] pwm=kp*电流误差+ki*(isenor_err[1]+isenor_err[2]+······isenor_err[t]);
[0113] 其中,Isenort表示当前的期望电流和实际电流的误差,senor[1]表示前一个时刻期望电流和实际电流的误差,senor[2]表示前两个时刻期望电流和实际电流的误差,senor[t]表示前t个时刻期望电流和实际电流的误差。
[0114] 输出的pwm直接输出控制电机。
[0115] 实施例4
[0116] 实施例提供了一种钻头直流电机无编码器的控制系统,包括油门映射模块、速度规划模块、反电动势模块、外环PI控制模块、内环PI控制模块;
[0117] 油门映射模块利用油门映射得到的期望输出速度与油门信号不成正比,而是非线性的增加,其具有速度反馈以及油门映射函数来规划目标速度的输出。
[0118] 速度规划模块利用目标速度得到期望输出速度,其通过速度的反馈、单位加速时间、单位减速时间的输出来影响期望输出速度的输出。
[0119] 反电动势模块利用期望输出速度输入进反电动势模块输出期望反电动势。
[0120] 外环PI控制模块,利用端电压之间的误差作为输入进外环PI控制模块得到期望电流值。
[0121] 内环PI控制模块,利用端电流之间的误差作为输入进内环PI控制模块得到输出的PWM,输出的pwm直接输出控制电机。
[0122] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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