一種快速平滑驅動伺服電動機的閉環控制系統及方法

2023-05-03 12:15:06 2

一種快速平滑驅動伺服電動機的閉環控制系統及方法
【專利摘要】本發明是一種快速平滑驅動伺服電動機的閉環控制系統，機框用來承載伺服電機驅動部件、位置編碼器；位置編碼器與負載單元相連；平滑驅動代碼單元的輸入端分別連接用戶界面和計數卡的輸出端連接；D/A驅動卡的輸入端與平滑驅動代碼單元的輸出端連接；放大電路的輸入端與D/A驅動卡的輸出端連接；伺服電機驅動部件的輸入端與放大電路的輸出端連接；機框的輸入端與伺服電機驅動部件的輸出端連接；負載單元的輸入端連接機框的輸出端和伺服電機驅動部件中運動副的輸出端；位置編碼器的輸入端與負載單元的輸出端剛性連接；工控機中計數卡的輸入端與位置編碼器的輸出端連接。本發明還提供一種快速平滑驅動伺服電動機的閉環控制方法。
【專利說明】一種快速平滑驅動伺服電動機的閉環控制系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於電機控制【技術領域】，涉及一種一種快速平滑驅動伺服電動機的閉環控制系統及方法，控制電機快速平滑到位的方法，應用在快速掃描測量及運動過程中需要多次停頓進行圖像獲取或零部件抓取等場合。
【背景技術】
[0002]在伺服電機驅動部件和編碼器構成的閉環控制系統中，總是存在要求電機由當前位置運動到某一目標位置(位置由編碼器指示)的情況。比較簡單的做法是啟動電機，接下來不斷比較編碼器當前示值與目標位置的差異(為方便起見此差異本文定義為目標差d)，以決定加速、減速或是停止，速度往往是一系列的常數，這種做法雖然簡單，但不能充分利用控制系統的各種信息。再有就是PID控制算法，這種算法有其優點而應用比較廣泛，不足是PID控制往往會在接近目標位置的情況出現振蕩，積分和微分環節帶來大的計算量，積分環節會降低響應速度。

【發明內容】

[0003]為了解決的技術問題，本發明的目的是提供一種快速平滑驅動電機的方法，在不斷接近目標位置的過程中用合適的速度匹配不同階段，也就是確定一個目標差與速度之間的函數，並通過調整函數的係數得出最適合特定系統的速度函數，能夠解決快速且平滑驅動的問題。
[0004]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:
[0005]本發明的第一方面，提供一種快速平滑驅動伺服電動機的閉環控制系統，所述閉環控制系統包括:工控機、D/A驅動卡、放大電路、伺服電機驅動部件、機框、位置編碼器、計數卡、平滑驅動代碼單元、用戶界面、伺服電機、運動副和負載單元，其中:平滑驅動代碼單元運行於工控機中；工控機中所安裝有述D/A驅動卡、計數卡、平滑驅動代碼單元和用戶界面；機框用來承載伺服電機驅動部件、位置編碼器；位置編碼器與負載單元相連，用來指示負載單元的運動位置；平滑驅動代碼單元的輸入端分別連接用戶界面的輸出端和計數卡的輸出端連接；D/A驅動卡的輸入端與平滑驅動代碼單元的輸出端連接；放大電路的輸入端與D/A驅動卡的輸出端連接；所述的放大電路將D/A驅動卡輸出的電壓信號進行功率放大，用於對伺服電機驅動部件中的伺服電機進行驅動；伺服電機驅動部件的輸入端與放大電路的輸出端連接；機框的輸入端與伺服電機驅動部件的輸出端連接；負載單元的輸入端連接機框的輸出端和伺服電機驅動部件中運動副的輸出端；位置編碼器的輸入端與負載單元的輸出端剛性連接；工控機中計數卡的輸入端與位置編碼器的輸出端連接。
[0006]本發明的第二方面，提供一種快速平滑驅動伺服電動機的閉環控制方法，利用由工控機、D/A驅動卡、放大電路、伺服電機驅動部件、機框、位置編碼器、計數卡、平滑驅動代碼單元、用戶界面、伺服電機、運動副和負載單元組成的平滑驅動伺服電動機的閉環控制系統平滑驅動伺服電動機的步驟包括:[0007]步驟A:通過組合調整運動系統的速度函數的係數的確定由伺服電機、位置編碼器、機框和負載單元構成的運動系統的速度函數；
[0008]步驟B:運動系統的速度函數對應目標差在行程的前半段(r > d≤r/2)和後半段(0 < d < r/2)分別對應伺服電機的加速過程和減速過程；
[0009]步驟C:利用速度函數f (d)生成平滑驅動代碼單元並運行於工控機中，所述速度函數f(d)的表現形式為:
[0010]
【權利要求】
1.一種快速平滑驅動伺服電動機的閉環控制系統，其特徵在於，所述閉環控制系統包括:工控機、D/A驅動卡、放大電路、伺服電機驅動部件、機框、位置編碼器、計數卡、平滑驅動代碼單元、用戶界面、伺服電機、運動副和負載單元，其中: 平滑驅動代碼單元運行於工控機中； 工控機中所安裝有述D/A驅動卡、計數卡、平滑驅動代碼單元和用戶界面； 機框用來承載伺服電機驅動部件、位置編碼器； 位置編碼器與負載單元相連，用來指示負載單元的運動位置； 平滑驅動代碼單元的輸入端分別連接用戶界面的輸出端和計數卡的輸出端連接； D/A驅動卡的輸入端與平滑驅動代碼單元的輸出端連接； 放大電路的輸入端與D/A驅動卡的輸出端連接；所述的放大電路將D/A驅動卡輸出的電壓信號進行功率放大，用於對伺服電機驅動部件中的伺服電機進行驅動； 伺服電機驅動部件的輸入端與放大電路的輸出端連接； 機框的輸入端與伺服電機驅動部件的輸出端連接； 負載單元的輸入端連接機框的輸出端和伺服電機驅動部件中運動副的輸出端； 位置編碼器的輸入端與負載單元的輸出端剛性連接； 工控機中計數卡的輸入端與位置編碼器的輸出端連接。
2.根據權利要求1所述的閉環控制系統，其特徵在於，所述伺服電機驅動部件由伺服電機和運動副構成，運動副與負載單元連接，運動副帶動負載單元運動。
3.根據權利要求1所述的閉環控制系統，其特徵在於，所述平滑驅動代碼單元從用戶界面獲得目標值和到位誤差，並使目標差小於到位誤差時結束對伺服電機的驅動。
4.根據權利要求1所述的閉環控制系統，其特徵在於，通過所述用戶界面輸入目標值和到位誤差，平滑驅動代碼單元從用戶界面獲得目標值和到位誤差，進入驅動控制循環:由位置編碼器獲取負載單元的位置，並傳遞給工控機的計數卡，平滑驅動代碼單元從工控機的作業系統讀取編碼器值，判斷目標差是否小於到位誤差，小於到位誤差就退出循環結束驅動過程，否則執行以下操作:通過D/A驅動卡將數字格式的速度函數轉換成實際的驅動電壓；驅動電壓經過放大電路對伺服電機驅動部件進行驅動，使伺服電機帶動運動副，運動副帶動機框上的負載單元運動，負載單元的位置直接反映給位置編碼器，進入上述判斷環節，直到目標差是否小於到位誤差結束對伺服電機的驅動過程。
5.一種快速平滑驅動伺服電動機的閉環控制方法，其特徵在於:利用由工控機、D/A驅動卡、放大電路、伺服電機驅動部件、機框、位置編碼器、計數卡、平滑驅動代碼單元、用戶界面、伺服電機、運動副和負載單元組成的平滑驅動伺服電動機的閉環控制系統來平滑驅動伺服電動機的步驟包括: 步驟A:通過組合調整運動系統的速度函數的係數的確定由伺服電機、位置編碼器、機框和負載單元構成的運動系統的速度函數； 步驟B:運動系統的速度函數對應目標差在行程的前半段(r > d ≥ r/2)和後半段(0< d < r/2)分別對應伺服電機的加速過程和減速過程； 步驟C:利用速度函數f (d)生成平滑驅動代碼單元並運行於工控機中，所述速度函數f(d)的表現形式為:
6.根據權利要求5所述的閉環控制方法，其特徵在於:利用速度函數f(d)生成平滑驅動代碼運行於工控機，經歷以下步驟: 步驟Cl:通過用戶界面輸入目標值T到位誤差； 步驟C2:由位置編碼器獲取負載單元的位置，並傳遞給工控機的計數卡，平滑驅動代碼單元從工控機的作業系統讀取編碼器值； 步驟C3:計算負載單元要運動的行程r = I T-Ec I，其中T為目標值，編碼器值E。； 步驟C4:進入驅動控制循環步驟C4到C14，重新獲取編碼器值； 步驟C5:計算目標差； 步驟C6:判斷目標差是否小於到位誤差，當目標差大於期望值時，利用計算速度函數f(d)計算目標差，則執行步驟S7 ;當目標差小於到位誤差時，結束驅動控制循環； 步驟C7:計算速度升程係數Dk = 2/r(da-db) (d-2/r)+db，其中r是伺服電機要運動的行程，da為目標差d等於r時的Dk的值、db為目標差d等於半行程r/2處的Dk的值； 步驟C8:計算速度降程係數Uk = 2/r (ub-ua) d+ua,其中Ua為目標差d為O處的Uk值、Ub為目標差d等於半行程r/2處的Uk的值； 步驟C9:判斷目標差d在行程r的前半段r > d > r/2,則執行步驟SlO ;判斷目標差d在行程r的後半段O < d < r/2，則執行步驟Sll ； 步驟ClO:計算目標差d在行程r的前半段的速度函數f(d)如下表示:
7.一種快速平滑驅動伺服電動機的閉環控制方法，其特徵在於:利用由工控機、D/A驅動卡、放大電路、伺服電機驅動部件、機框、位置編碼器、計數卡、平滑驅動代碼單元、用戶界面、伺服電機、運動副和負載單元組成的平滑驅動伺服電動機的閉環控制系統平滑驅動伺服電動機的步驟包括: 步驟S1:通過用戶界面輸入目標值T到位誤差；步驟S2:由位置編碼器獲取負載單元的位置，並傳遞給工控機的計數卡，平滑驅動代碼單元從工控機的作業系統讀取編碼器值； 步驟S3:計算負載單元要運動的行程r = |T-Ec|,其中T為目標值，編碼器值E。； 步驟S4:進入驅動控制循環步驟S4到S14，重新獲取編碼器值； 步驟S5:計算目標差； 步驟S6:判斷目標差是否小於到位誤差，當目標差大於期望值時，則利用計算速度函數f(d)計算目標差，執行步驟S7 ;當目標差小於到位誤差時，結束驅動控制循環； 步驟S7:計算速度升程係數Dk = 2/r(da-db) (d-2/r)+db，其中r是伺服電機要運動的行程，da為目標差d等於r時的Dk的值、db為目標差d等於半行程r/2處的Dk的值； 步驟S8:計算速度降程係數Uk = 2/r (ub-ua) d+ua,其中Ua為目標差d為O處的Uk值、Ub為目標差d等於半行程r/2處的Uk的值； 步驟S9:判斷目標差在行程r的前半段r > d≥ r/2,則執行步驟SlO ;判斷目標差d在行程r的後半段0 < d < r/2，則執行步驟Sll ； 步驟SlO:計算目標差d在行程r的前半段的速度函數f(d)如下表示: f(d) 二 Dk {x — Dk (r/2)'1' - dj ; 其中:d。為初速度係數噸為目標差d在行程r的前半段(r/2<d<r)的情況時的冪指數叫為目標差d在行程r的後半段(0 < d≤r/2)的情況時的冪指數； 步驟Sll:計算目標差在行程的後半段速度函數f(d)如下表示: f(d)=Ukdu; 步驟S12:通過D/A驅動卡將數字格式的速度函數轉換成驅動電壓V ； 步驟S13:通過D/A驅動卡的驅動電壓V經放大電路驅動伺服電機驅動部件轉動來帶動機框和負載單元； 步驟S14:間隔等待時間t後，執行步驟S4再進入驅動控制循環，直到目標差d小於到位誤差Iim時結束對伺服電動機的平滑驅動。
8.根據權利要求5或7所述的快速平滑驅動伺服電動機的閉環控制方法，其特徵在於:所述運動系統的速度由初速度係數d。開始在r/2處獲得最大速度，用速度升程係數Dk乘冪函數調節速度曲線的變化快慢。
9.根據權利要求5或7所述的快速平滑驅動伺服電動機的閉環控制方法，其特徵在於:所述運動系統的速度由r/2處的最大速度到d = 0時降為0，用速度降程係數Uk乘冪函數調節速度曲線的變化快慢，當d = r/2時，Uk = Ub ;當d = 0時，Uk = ua。
【文檔編號】G05D13/62GK103499985SQ201310467744
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月9日 優先權日:2013年10月9日
【發明者】韓維強, 孫威, 陳為, 魏紅豔, 張海波, 石秀梅 申請人:中國科學院光電技術研究所