一種工具機重力負載電氣配重的系統的製作方法

2023-05-05 05:44:06 1

專利名稱：一種工具機重力負載電氣配重的系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種工具機垂直坐標控制方法，尤其涉及一種工具機重力負載電氣配
重的系統。
背景技術：
工具機的垂直坐標由於運動部件重力作用，導致上行運動與下行運動負載差異大，常規的閉環控制很難同時滿足差異如此之大的兩種負載情況。傳統的技術方案採用機械配重或液壓氣動裝置配重解決此問題。機械配重將直接增加系統的運動慣量，將不利於工具機快速工作；液壓氣動配重方案成本較高，存在阻尼大和"跑冒滴漏"的缺陷。因此一種更為有效的配重系統急需被研製。

發明內容本實用新型針對以上問題的提出，而研製一種利用閉環控制方法通過數控系統和伺服驅動的控制技術，在垂直驅動坐標驅動系統電流環增加轉矩偏移指令，在速度環和位置環分別採用不同的控制策略實現雙向的高性能運轉。實現對重力負載的電氣配重的系統。其具體技術方案如下 對於垂直運動的坐標，重力負載是恆定存在的。為了抵消其作用，可以在對電機控
制的電流環輸入端加一個恆定轉矩分量，其控制模型等效於電流環前饋。該轉矩分量可以
根據垂向驅動電機與負載間傳動關係及重力負載計算得到。此外在速度環和位置環均區份
正向運動和反向運動，採用不同的控制模型，以適應正向負載和反向負載的差異。 —種工具機重力負載電氣配重的系統，包括電流閉環控制器、位置閉環控制器、速度
閉環控制器、位置反饋採集器、速度反饋計算器、電流採集器和實時鐘； 所述位置閉環控制器，用於進行系統位置閉環控制，並且其輸出作為速度閉環控制器的輸入指令輸入； 所述速度閉環控制器，用於進行系統速度閉環控制； 所述實時鐘，用於觸發各採集器、各控制器和計算器周期性的工作； 所述電流閉環控制器包括電流比較器、電流調節器、P麗控制器和逆變器； 其特徵在於還包括平衡轉矩計算器，用於負責計算平衡垂直坐標重力所需的轉
矩，並轉化為電流後，以指令的方式直接施加在電流閉環控制器中的指令端； 所述電流比較器，用於將速度閉環控制器計算輸出的電流指令與來自電流採集器
的有效反饋電流進行比較求差，再與來自平衡轉距計算器求得的配重平衡電流求和，共同
輸出給電流調節器； 所述電流調節器，用於進行電流環調節運算； 所述P麗控制器，用於將電流調節器輸出的結果轉化為能夠驅動逆變器的P麗信號； 所述逆變器，用於在P麗控制信號的控制下，通過驅動開關功率器件，將直流電壓轉化為電機運轉所需的電流，進行電機的驅動； 所述平衡轉矩計算器同電流比較器相連接，所述速度閉環控制器和電流採集器分別與電流比較器相連接；所述電流比較器進行作差求和後將輸出傳送到與其相連的電流調節器進行運算後，將結果發送到與其相連的P麗控制器中進行P麗信號的轉換後，傳送到與P麗控制器連接的逆變器中進行電機的控制。 本實用新型提出的工具機重力負載電氣配重的系統採用自動控制原理，通過數控系統和伺服驅動的控制技術，實現對重力負載的電氣配重，針對上行和下行不同的負載情況採用不同的控制策略，從而實現工具機在垂直方向的雙向平穩運行，同時避免了機械配重與液壓氣動配重的缺陷，簡化了工具機結構，提高了工具機的性能和可靠性。由於其結構簡單、便於生產，並且大幅度的降低了成本適於在豎直工具機領域廣泛推廣。

圖1為本實用新型所述系統的結構示意圖； 圖2為本實用新型實施例的系統結構框圖； 圖3為本實用新型實施例的位置閉環控制器的控制流程圖； 圖4為本實用新型實施例的速度閉環控制器的控制流程圖。
具體實施方式如圖1所示採用電流環、速度環及位置環的常用電機控制系統，在電流環輸入端加一個恆定轉矩分量，其控制模型等效於電流環前饋。控制系統可以有多種實現方式。對於電流環、速度環、位置環可以全部在伺服驅動器中實現；也可以全部在數控系統中實現；也可以僅有位置環或位置環及速度環在數控系統中，而電流環在伺服驅動器中。因此有關運算可以由數控系統的CPU或DSP軟體實現，也可以由伺服驅動的CPU或DSP軟體實現，也可以由數控系統中或伺服驅動中的FPGA可編程晶片實現。 如圖2所示為本實用新型的一種實現方式，位置閉環在數控系統中完成，速度閉環和電流閉環在伺服驅動器中實現。處於數控系統中的位置閉環控制器由以下幾部分構成實時鐘，主要負責定時觸發位置閉環控制；伺服通訊主站接口，主要負責數控系統與伺服驅動間的通訊，可以採用多種工業現場總線通訊技術實現；位置信息解析器，主要負責從伺服通訊主站接口中得到位置反饋信息，並轉化為數控系統工具機坐標系下的坐標位置值，以及與位置給定相同的單位；位置反饋比較器，主要負責將位置信息解析器得到的位置信息與位置給定比較，並且求差得到位置隨動誤差，判斷該誤差的方向，分別派發給正向位置調節器和反向位置調節器。位置反饋比較器是在實時鐘的驅動下，周期性工作。其每個周期的工作流程如下圖所示正向位置調節器、反向位置調節器，主要負責特定方向的位置閉環計算。區分正反向的位置閉環算法可以更好地適應垂直坐標正反方向不同的負載情況。兩者可以採用不同的控制算法及參數。通常可以採用包括PID結合前饋的控制算法實現。調節器也是在實時鐘的調度下工作。調節器輸出速度指令通過伺服通訊主站接口傳送給伺服系統，其工作過程如圖3所示。 伺服驅動器中採用本實用新型的技術實現可以由以下幾部分構成。實時鐘，主要負責觸發位置採樣器、速度閉環控制器和電流閉環控制器周期性的工作。位置反饋採集器，主要負責定時採集來自角度或長度位置傳感器的位置信息，同時該採集器還具有通過伺服
通訊從站接口向數控系統發送位置信息的功能(位置反饋通常來自於包括光柵尺在內的
長度位置傳感器或包括旋轉編碼器和圓光柵在內的角度位置傳感器)。伺服通訊從站接口 ，
主要負責伺服驅動與數控系統間的通訊，包括接收來自數控系統的速度指令，以及向數控
系統傳遞位置信息。可以採用多種工業現場總線通訊技術實現。電流閉環控制器，主要負責
電流閉環控制。由實時鐘觸發周期性地工作。電流閉環控制器主要包括以下幾部分構成
平衡轉距計算器，主要負責計算平衡垂直坐標重力所需的轉矩，並轉化為電流，提交電流比
較器。平衡轉矩分量為T，以指令的方式直接施加在電流環指令端，用以平衡垂直移動部件
重力作用。以滾珠絲槓傳動副為例，該指令確定過程如下所示 T = (M*g*L) / (2 Ji n) M垂直運動質量 g重力加速度 L絲槓導程 n傳動效率 對應到電流前饋給定IT = T/KT KT轉矩係數 電流採集器，主要負責從電機測採集電流，經過A/D變換，轉化為可以數位化處理的數字量。對於不同的電機採用不同的技術獲取有效的反饋電流。例如對於用此同步電機通常採用Clarke變換，再採用Park變換，將三相交流電轉換為id和iq分量，其中iq為有效的電流，作為反饋量，送電流比較器，參與電流環比環計算。電流比較器，主要負責將速度閉環控制器計算輸出的電流指令與來自電流採集器的有效反饋電流進行比較求差，再與來自平衡轉距計算器求得的配重平衡電流求和，共同輸出給電流調節器。電流調節器，主要負責電流環調節運算。通常先進行調節運算，可以採用PID調節算法，也可以採用包括模糊控制等其它控制算法。對於交流電機控制，通常計算結果尚需要進行坐標變換轉化為生成調製信號所需的電壓信號，例如逆Park變換。P麗控制器，主要負責將電流調節器輸出的結果轉化為能夠驅動逆變器的P麗信號。對於三相交流永磁同步電機，通常採用SVP麗技術。逆變器，主要負責在P麗控制信號的控制下，通過驅動開關功率器件，將直流電壓轉化為電機運轉所需的電流，實現伺服電機的驅動。對於三相交流伺服電機，通常採用三相全橋逆變電路。 速度反饋計算器，主要負責處理來自位置反饋採集器得到的位置信息，採用固定時間的反饋計數(M法)或測量相鄰的兩個反饋量(反饋脈衝)之間的時間(T法)來計算當前速度。速度閉環控制器，主要負責實現速度閉環控制。由實時鐘觸發周期性地工作。速度閉環控制器主要包括以下幾部分構成速度比較器，主要負責將位置信息解析器得到的速度信息與來自伺服通訊從站接口的速度給定比較，並且求差得到速度隨動誤差，判斷該誤差的方向，分別派發給正向速度調節器和反向速度調節器。速度比較器是在實時鐘的驅動下，周期性工作。正向速度調節器、反向速度調節器，主要負責特定方向的速度閉環計算。區分正反向的速度閉環算法可以更好地適應垂直坐標正反方向不同的負載情況。兩者可以採用不同的控制算法及參數。通常可以採用包括PID結合前饋的控制算法實現。調節器也是在實時鐘的調度下工作。調節器輸出電流指令作為電流給定傳送給電流閉環控制器。其每個周期的工作流程如圖4所示。 以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護範圍並不 局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，根據本實用 新型的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之 內。
權利要求一種工具機重力負載電氣配重的系統，包括電流閉環控制器、位置閉環控制器、速度閉環控制器、位置反饋採集器、速度反饋計算器、電流採集器和實時鐘；所述位置閉環控制器，用於進行系統位置閉環控制，並且其輸出作為速度閉環控制器的輸入指令輸入；所述速度閉環控制器，用於進行系統速度閉環控制；所述實時鐘，用於觸發各採集器、各控制器和計算器周期性的工作；所述電流閉環控制器包括電流比較器、電流調節器、PWM控制器和逆變器；其特徵在於還包括平衡轉矩計算器，用於負責計算平衡垂直坐標重力所需的轉矩，並轉化為電流後，以指令的方式直接施加在電流閉環控制器中的指令端；所述電流比較器，用於將速度閉環控制器計算輸出的電流指令與來自電流採集器的有效反饋電流進行比較求差，再與來自平衡轉距計算器求得的配重平衡電流求和，共同輸出給電流調節器；所述電流調節器，用於進行電流環調節運算；所述PWM控制器，用於將電流調節器輸出的結果轉化為能夠驅動逆變器的PWM信號；所述逆變器，用於在PWM控制信號的控制下，通過驅動開關功率器件，將直流電壓轉化為電機運轉所需的電流，進行電機的驅動；所述平衡轉矩計算器同電流比較器相連接，所述速度閉環控制器和電流採集器分別與電流比較器相連接；所述電流比較器進行作差求和後將輸出傳送到與其相連的電流調節器進行運算後，將結果發送到與其相連的PWM控制器中進行PWM信號的轉換後，傳送到與PWM控制器連接的逆變器中進行電機的控制。
專利摘要本實用新型公開了一種工具機重力負載電氣配重的系統，包括電流閉環控制器、位置閉環控制器、速度閉環控制器、位置反饋採集器、速度反饋計算器、電流採集器和實時鐘；其特徵在於還包括電流比較器、電流調節器、PWM控制器和逆變器。通過在垂直驅動坐標驅動系統電流環增加轉矩偏移指令，在速度環和位置環分別採用不同的控制策略實現雙向的高性能運轉。實現對重力負載的電氣配重的系統。該系統採用自動控制原理，通過數控系統和伺服驅動的控制技術，實現對重力負載的電氣配重，避免了機械配重與液壓氣動配重的缺陷，簡化了工具機結構，提高了工具機的性能和可靠性，適於在豎直工具機領域廣泛推廣。
文檔編號G05B19/414GK201548840SQ20092024822
公開日2010年8月11日 申請日期2009年11月17日 優先權日2009年11月17日
發明者于德海, 於本宏, 徐道明, 李文慶, 王慶朋, 鄭君民, 陳虎, 韓剛 申請人:大連科德數控有限公司