一种基于电动摇椅的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电路领域，尤其涉及一种基于电动摇椅的控制方法及系统。

背景技术

摇椅调速系统是一个时变且非线性实时系统，速度存在滞后性，普通的控制方法会使系统存在不同程度的振荡和超调现象，如果外界干扰较大的情况下，调节时间还会过长，无法得到理想的控制效果。

目前摇椅调速有二种方法。方法一、恒定电机输出电压，根据摇椅的不同档位，输出不同的电机固定电压，从而相对比较符合人们所需要的摇椅角度。方法二、恒定单位时间内电机的行进路程，根据速度反馈，采用传统PID调节，从而达到电机所需要的摇椅角度。方法一的控制方法误差比较大，当摇椅重量不断增加，系统速度不能进行实时补偿，同时外界干扰因素大时稳定性非常差。方法二用传统PID算法，虽然可以兼顾两个变量对外界因素的影响，但是PID算法在参数整定上十分困难，不好控制。导致原因：1：摇椅调速系统在整个系统运行过程中，属于时变且非线性实时系统。2：PID算法控制，比例环节会产生较大的稳定误差，导致超调过大，积分环节会导致振荡过大，实时性较差，微分环节过于敏感，不好参数整定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于电动摇椅的控制方法及系统，能够降低系统超调量，提高系统的稳定性和实时性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于电动摇椅的控制方法，包括：根据预设速度获取所述电动摇椅的电机所需要的预设驱动电压；根据所述预设驱动电压计算得到第一驱动电压和第二驱动电压；以所述第一驱动电压驱动所述电机工作第一时长后，再以所述第二驱动电压驱动所述电机工作第二时长；同时对所述电机进行第一PID调节及第二PID调节，并实时计算第三驱动电压，其中，所述第一PID调节为纯比例调节，所述第二PID调节包括比例、积分以及微分调节；以所述第三驱动电压驱动所述电机。

优选地，所述同时对所述电机进行第一PID调节及第二PID调节，并实时计算第三驱动电压的步骤包括：根据所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的光电传感器检测到的脉冲数以及电机常数计算得到所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度；根据上一次所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度、所述第一PID调节周期内的所述光电传感器检测到的脉冲数以及所述第一PID调节周期内第一次PID调节的实际设置的脉冲数计算得到所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度；根据上一次经所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值、所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度以及所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度计算得到经过所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值；根据经过所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值计算得到第三驱动电压。

优选地，所述根据所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的光电传感器检测到的脉冲数以及电机常数计算得到所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度的步骤包括：根据公式F_speed＝Impulse*A计算所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度，其中，F_speed为一个所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度，Impulse为一个所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的光电传感器检测到的脉冲数，A为电机常数，所述电机常数为1.8～2。

优选地，所述根据上一次所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度、所述第一PID调节周期内的所述光电传感器检测到的脉冲数以及所述第一PID调节周期内第一次PID调节的实际设置的脉冲数计算得到所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度的步骤包括：根据公式Speedset＝Speedset+PID2(Setpulse，Actualpulse)计算所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度，其中，Speedset为所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度，Speedset为上一次所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度，Actualpulse为一个所述第一PID调节周期内的所述光电传感器检测到的脉冲数，Setpulse为一个所述第一PID调节周期内第一次PID调节的实际设置的脉冲数。

优选地，所述根据上一次经所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值、所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度以及所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度计算得到经过所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值的步骤包括：根据公式pwm＝pwm+PID1(Speedset，F_speed)计算经过所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值，其中，pwm为经过所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值，pwm为上一次经所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值，Speedset为所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度，F_speed为一个所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度。

优选地，所述以所述第三驱动电压驱动所述电机的步骤包括：根据公式U

优选地，所述N的取值范围为1～50。

优选地，所述第一驱动电压小于所述预设驱动电压，所述第二驱动电压小于所述第一驱动电压。

优选地，所述第一PID调节的周期和所述第二PID调节的周期均大于所述电机运动周期的两倍。

本发明还提供了一种基于电动摇椅的控制系统，包括主控制模块、PID控制模块、电机驱动模块、获取模块以及计算模块；所述获取模块用于根据预设速度获取所述电动摇椅的电机所需要的预设驱动电压；所述计算模块用于根据所述预设驱动电压计算得到第一驱动电压和第二驱动电压；所述PID控制模块用于同时对所述电机进行第一PID调节及第二PID调节，并实时计算第三驱动电压，其中，所述第一PID调节为纯比例调节，所述第二PID调节包括比例、积分以及微分调节；所述电机驱动模块用于驱动电机；所述主控制模块用于以所述第一驱动电压驱动所述电机工作第一时长后，再以所述第二驱动电压驱动所述电机工作第二时长，并用于以所述第三驱动电压驱动所述电机。

实施本发明的有益效果在于：

本发明根据预设速度获取所述电动摇椅的电机所需要的预设驱动电压；根据所述预设驱动电压计算得到第一驱动电压和第二驱动电压；以所述第一驱动电压驱动所述电机工作第一时长后，再以所述第二驱动电压驱动所述电机工作第二时长；同时对所述电机进行第一PID调节及第二PID调节，并实时计算第三驱动电压，其中，所述第一PID调节为纯比例调节，所述第二PID调节包括比例、积分以及微分调节；以所述第三驱动电压驱动所述电机。采用本发明，在摇椅调速过程中，根据设置档位，结合电机结构参数，通过分段式的控速方法，可以很好的解决调速系统的输入和输出不成比例的非线性特点，通过找到系统的平衡状态，可以改善系统的实时性，这种控制方法摆幅稳定可靠，用户体验好；本发明降低了系统超调量，提高系统的稳定性，实时性，这种快速节能的控制方法能在30S之内让摇椅达到稳定，符合人们所需要时间和效果，并且摆幅稳定、匀速，实用性强，能够满足消费者的需求。

附图说明

图1是本发明提供的基于电动摇椅的控制方法的流程图；

图2是本发明提供的基于电动摇椅的控制方法的PID调节流程图；

图3是本发明提供的基于电动摇椅的控制方法的电压输出方法流程图；

图4是本发明提供的基于电动摇椅的控制系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。

如图1所示，本发明提供了一种基于电动摇椅的控制方法，包括：

S101，根据预设速度获取所述电动摇椅的电机所需要的预设驱动电压。

由于电动摇椅每个档位对应的速度不同，其所需要的电机的驱动电压也不同，本发明可以根据不同档位所对应的速度，获取电机维持这个速度所需要的驱动电压。需要说明的是，电动摇椅的速度和预设驱动电压是一一对应的。

一开始采取这种驱动方式的优点为：避免一开始就通过全部的电压驱动电机，从而产生避免太大力直接将摇椅甩出去，造成安全事故；当通过第一驱动电压驱动后，摇椅有了惯性，所以第二次降低一点力，能够达到节能的效果；此外，如果一开始就采取PID控制，也会产生太大力，把摇椅晃出去。

S102，根据所述预设驱动电压计算得到第一驱动电压和第二驱动电压。

S103，以所述第一驱动电压驱动所述电机工作第一时长后，再以所述第二驱动电压驱动所述电机工作第二时长。

电动摇椅从静止开始运动，本发明先根据所述预设驱动电压求得第一驱动电压和第二驱动电压，电机再以所述第一驱动电压工作第一时长后，再以所述第二驱动电压工作第二时长。

优选地，所述第一驱动电压小于所述预设驱动电压。优选地，所述第二驱动电压小于所述第一驱动电压。具体地，本发明选择的第一驱动电压为所述预设驱动电压的一半，第二驱动电压为所述预设驱动电压的40％。且第一时长和第二时长均为28ms，但不限于此。

S104，同时对所述电机进行第一PID调节及第二PID调节，并实时计算第三驱动电压，其中，所述第一PID调节为纯比例调节，所述第二PID调节包括比例、积分以及微分调节。

优选地，所述第一PID调节的周期大于所述电机运动周期的两倍。优选地，所述第二PID调节的周期大于所述电机运动周期的两倍。需要说明的是，根据Nyquist-Shannon采样定理，采样周期要小于整数周期的1/2，采样频率应该大于原始频率的2倍，根据电机参数，完整看到一个电机运动周期最少需要的时间是2ms,所以PID的采样周期至少定在4ms。根据实际情况，本项目将第一PID调节的周期定为16ms,第二PID调节的周期定为100ms，但不限于此。

S105，以所述第三驱动电压驱动所述电机。

采用本发明，在摇椅调速过程中，根据设置档位，结合电机结构参数，通过分段式的控速方法，可以很好的解决调速系统的输入和输出不成比例的非线性特点，通过找到系统的平衡状态，可以改善系统的实时性，这种控制方法摆幅稳定可靠，用户体验好；本发明降低了系统超调量，提高系统的稳定性，实时性，这种快速节能的控制方法能在30S之内让摇椅达到稳定，符合人们所需要时间和效果，并且摆幅稳定、匀速，实用性强，能够满足消费者的需求。

如图2所示，优选地，所述同时对所述电机进行第一PID调节及第二PID调节，并实时计算第三驱动电压的步骤包括：

S201，根据所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的光电传感器检测到的脉冲数以及电机常数计算得到所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度。

S202，根据上一次所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度、所述第一PID调节周期内的所述光电传感器检测到的脉冲数以及所述第一PID调节周期内第一次PID调节的实际设置的脉冲数计算得到所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度。

S203，根据上一次经所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值、所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度以及所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度计算得到经过所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值。

S204，根据经过所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值计算得到第三驱动电压。

优选地，所述根据所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的光电传感器检测到的脉冲数以及电机常数计算得到所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度的步骤包括：根据公式F_speed＝Impulse*A计算所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度，其中，F_speed为一个所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度，Impulse为一个所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的光电传感器检测到的脉冲数，A为电机常数，所述电机常数为1.8～2。本发明中具体实施例选择的电机常数为1.9345，但不限于此，不同电机的电机常数不同。

更佳地，所述根据上一次所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度、所述第一PID调节周期内的所述光电传感器检测到的脉冲数以及所述第一PID调节周期内第一次PID调节的实际设置的脉冲数计算得到所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度的步骤包括：根据公式Speedset＝Speedset+PID2(Setpulse，Actualpulse)计算所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度，其中，Speedset为所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度，Speedset为上一次所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度，Actualpulse为一个所述第一PID调节周期内的所述光电传感器检测到的脉冲数，Setpulse为一个所述第一PID调节周期内第一次PID调节的实际设置的脉冲数。

进一步地，所述根据上一次经所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值、所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度以及所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度计算得到经过所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值的步骤包括：根据公式pwm＝pwm+PID1(Speedset，F_speed)计算经过所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值，其中，pwm为经过所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值，pwm为上一次经所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值，Speedset为所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度，F_speed为一个所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度。

需要说明的是，结合本发明具体应用场景，对第一公式、第二公式以及第三公式中各个变量的定义作进一步描述；

Impulse:采样周期为100ms的PID调节内的光电传感器检测到的脉冲数；

F_speed:采样周期为100ms的PID调节的实时速度；

Speedset:采样周期为100ms的PID调节的每个档位设置的速度，此值是通过多次测试得出来的值，用作比较值；

Actualpulse:采样周期为16ms的PID调节的光电传感器检测到的实际脉冲数；

Setpulse:采样周期为16ms的PID调节的实际设置的脉冲数，此值通过多次测试得出来的值，用作比较值；

Pwm:通过两路PID调节，得出来的pwm值，然后通过改变MCU的pwm值，从而改变电机速度。

另外，本项目用的是增量式PID，但不限于此，其所用到的函数代码如下：

如图3所示，优选地，所述以所述第三驱动电压驱动所述电机的步骤包括：

S301，根据公式U

S302，根据公式U

S303，依次以所述第五驱动电压驱动所述电机。

优选地，所述N的取值范围为1～50。

需要说明的是，PID控制器是100ms完整给出一个值，但是根据电机结构情况，100ms如果改变的电压值太大，对输入电源会有冲击，从而导致摇椅会有卡顿情况。摇椅一个摆幅周期是1000ms,限制电机的电压分成多份慢慢加上去，可以达到软启动的效果，对电机和电路板冲击都没那么大。

如图4所示，本发明还提供了一种基于电动摇椅的控制系统，包括主控制模块1、PID控制模块2、电机驱动模块3、获取模块5以及计算模块4；所述获取模块5用于根据预设速度获取所述电动摇椅的电机所需要的预设驱动电压；所述计算模块4用于根据所述预设驱动电压计算得到第一驱动电压和第二驱动电压；所述PID控制模块2用于同时对所述电机进行第一PID调节及第二PID调节，并实时计算第三驱动电压，其中，所述第一PID调节为纯比例调节，所述第二PID调节包括比例、积分以及微分调节；所述电机驱动模块3用于驱动电机；所述主控制模块1用于以所述第一驱动电压驱动所述电机工作第一时长后，再以所述第二驱动电压驱动所述电机工作第二时长，并用于以所述第三驱动电压驱动所述电机。

本发明通过所述获取模块5根据预设速度获取所述电动摇椅的电机所需要的预设驱动电压；通过所述计算模块4根据所述预设驱动电压计算得到第一驱动电压和第二驱动电压；通过所述PID控制模块2实现所述第一PID调节和第二PID调节；通过所述主控制模块1根据所述PID控制模块2以及计算模块4对所述电机驱动模块3进行输出控制。采用本发明，在摇椅调速过程中，根据设置档位，结合电机结构参数，通过分段式的控速方法，可以很好的解决调速系统的输入和输出不成比例的非线性特点，通过找到系统的平衡状态，可以改善系统的实时性，这种控制方法摆幅稳定可靠，用户体验好；本发明降低了系统超调量，提高系统的稳定性，实时性，这种快速节能的控制方法能在30S之内让摇椅达到稳定，符合人们所需要时间和效果，并且摆幅稳定、匀速，实用性强，能够满足消费者的需求。

所述PID控制模块2对所述电机进行第一PID调节，同时对所述电机进行第二PID调节，以得到第三驱动电压的步骤包括：根据第一公式计算得到所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度，其中，所述第一公式为：F_speed＝Impulse*A，F_speed为一个所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的实时速度，Impulse为一个所述第二PID调节周期内的所述电动摇椅的光电传感器检测到的脉冲数，A为电机常数。优选地，所述电机常数为1.8～2，本发明中具体实施例选择的电机常数为1.9345，但不限于此，不同电机的电机常数不同。根据第二公式计算得到所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度，其中，所述第二公式为：Speedset＝Speedset+PID2(Setpulse，Actualpulse)，Speedset为一个所述第二PID调节周期内的电动摇椅每个档位设置的速度，Actualpulse为一个所述第一PID调节周期内的所述光电传感器检测到的脉冲数，Setpulse为一个所述第一PID调节周期内第一次PID调节的实际设置的脉冲数。根据第三公式计算得到经过所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值，其中，所述第三公式为：pwm＝pwm+PID1(Speedset，F_speed)，pwm为经过所述第一PID调节和第二PID调节得出来的pwm值。根据所述pwm值计算得到第三驱动电压。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。