CN101458497A

CN101458497A - 采用多电机位置环、速度环并行控制的烹调设备

Info

Publication number: CN101458497A
Application number: CNA2007100324212A
Authority: CN
Inventors: 刘小勇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-06-17
Also published as: WO2009082918A1

Abstract

本发明公开了一种用于自动/半自动烹调设备中、能对该烹调设备中执行部分的多电机进行控制的控制模块，该控制模块包括对多电机的速度进行测量的速度测量电路、对多电机所驱动的执行部分的位置进行测量的位置测量电路和对执行部分的位置进行初始化设定的初始化电路，其中，所测得的速度信号和位置信号反馈给控制器，以实现对多电机的速度环和位置环进行并行控制。另外，本发明还公开一种采用上述控制模块的自动/半自动烹调设备。本发明的多电机控制模块及其烹调设备的优点是可以降低控制成本，增加控制的实时性。

Description

采用多电机位置环、速度环并行控制的烹调设备

技术领域

本发明涉及一种用于自动/半自动烹调设备中的控制模块以及采用这种控制模块的自动/半自动烹调设备。更具体地讲，本发明涉及一种用于自动/半自动烹调设备中的、采用多电机位置环、速度环并行控制的控制模块以及采用这种控制模块的自动/半自动烹调设备。

背景技术

在自动化设备中，一个关键的控制是对电机的控制。现有技术中也公开了若干针对电极的速度和电机的位置进行控制的方案。例如，中国专利97182149.6公开了一种控制电机位置的位置控制装置，其包括：使指令发生部的位置指令和电机的位置一致的位置控制部；输出使其速度指令和电机的速度一致的转矩指令来进行速度控制的速度控制部；接收该指令而进行电流控制的电流控制部。其中，速度控制部又包括：对速度进行低通滤波的速度反馈滤波器；从速度指令减去该信号并求出速度偏差的减法器；对速度偏差进行时间积分求出速度偏差积分值的积分器；速度指令乘系数α的乘法器；乘法器的信号与速度偏差积分值相加进而减去速度的加法减法器；加法减法器的输出乘速度环路增益Kv的乘法器；对该信号进行低通滤波的转矩滤波器。

中国专利96197955.0则公开了一种机器人控制设备和柔性控制设备，这种设备通过在位置控制与柔性控制之间进行转换而实现工作。在进行从位置控制向柔性控制转换时，停止速度控制***的积分运算，然后将速度控制***的一个积分值存入一个存储器，同时，把该积分值与一个力矩参考相加，或把根据一个机器人手臂的关节角、机器人的连接质量及其重心计算出的重力补偿值与该力矩参考相加。在从柔性控制向位置控制回复时，把一个当前位置处理为一个指令位置。该专利的柔性控制设备包括：用来控制一个伺服电动机的力矩以驱动一个关节部分的装置；用来测量关节角的装置；用来根据测量信息计算坐标系之间一个非常小的位移的装置；用来通过给出前述计算装置的前述非常小的位移对应关系来转换一个力或力矩的极值的装置；和用来限制该力矩的装置。

而中国专利02807904.3则公开了一种电机控制器和一种机械装置特性测量方法，从而可以在不发生位置偏移及转矩饱和的情况下，准确测量机械装置的频率响应，并且同时测量频率特性和确认惯量。检测器检测电机的位置，微分器根据电机位置来计算电机的速度。指令生成单元将一位置指令固定于当前位置。位置控制单元生成一速度指令，以使位置指令与电机的位置相一致。速度控制单元生成一转矩指令，以使速度指令与电机的速度相一致。加法器将由干扰信号生成单元生成的转矩干扰和从转矩滤波单元输出的转矩指令相加，并将所得的信号作为新转矩指令输出。电流控制单元将该转矩指令变换成电流指令，从而驱动电机。频率响应测量单元接收从加法器输出的转矩指令和由微分器计算出的电机速度，从而测量频率响应。

但上述的现有技术是针对单电极的自动控制。对于多电极的自动控制，现有技术大多使用嵌入到工控机上的嵌入式运动控制卡，这种嵌入式运动控制卡包含运算处理器，以完成针对多电机的控制计算。

一般来说，嵌入式运动控制卡使用ISA或PCI等总线与工控机完成高速数据交换，工控机则使用Windows或Linux等操作***；嵌入式运动控制卡内部包含PID等算法，工控机使用高级语言对嵌入式运动控制卡发送命令，运动控制卡反馈当前运动参数，而且每个电机采用编码器来完成速度反馈。这样的电机控制方式一般可以实现针对3～4台电机的并行控制。

上述的电机控制方式由于使用工控机，大大增加了控制部分的成本，而每台电机使用编码器，增加了接线的复杂程度，也增加了成本。这导致了控制部分体积过大，但控制的电机台数并不多，一般只有3～4台；而且运动参数经过运动控制卡反馈给工控机，降低了控制的实时性，同时工控机使用Windows操作***，也使实时性变差。

烹调，尤其是中国菜的烹调，是一种高难度的、甚至具有艺术创造性的过程。如果采用自动或半自动的烹调设备来模拟人工的烹调，就要求对烹调设备的各执行机构的运动进行控制。这种对运动的控制涉及烹调设备中各执行机构的多个电机(电机数目远高于3-4台)，而且要求实时性强，以在瞬间完成对执行机构的控制。

因此，有必要提供一种可以控制多个电机、实时性强的、用于自动/半自动烹调设备的电机控制模块。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够对多电机进行实时控制的、用于自动/半自动烹调设备的控制模块以及采用这种控制模块的自动/半自动烹调设备。

为了实现上述的发明目的，一方面，本发明提供了一种用于自动/半自动烹调设备中、能对该烹调设备中执行部分的多(个)电机进行控制的控制模块，该控制模块包括对多电机的速度进行测量的速度测量电路、对多电机所驱动的执行部分的位置进行测量的位置测量电路和对执行部分的位置进行初始化设定的初始化电路，其中，速度测量电路测得的速度信号和位置测量电路测得的位置信号反馈给控制器，从而实现对多电机的速度环和位置环进行并行控制。实际上，对执行部分位置的测量和对执行部分的位置初始化，可以转化为对电机的测量(例如对电机的行程测量)和对电机位置的初始化。

上述控制模块中，速度测量电路测得的速度信号和位置测量电路测得的位置信号可以反馈给控制模块本身设有的控制器，例如执行算法的处理器，也可以反馈给控制模块***的控制器，例如烹调设备各执行部分的运动控制模块中的控制器或者烹调设备的总控制器。

在本发明的控制模块中，其所采用的速度测量电路可以采用齿轮传感器、磁编码器或者光电脉冲编码器等对多电机进行测量，获得关于电机速度的脉冲频率信号，然后再将这些脉冲频率信号经过频率电压变换(F/V变换)转变成电压信号，经换算(线性转换)得到多电机的速度信号。

例如，在上述的速度测量电路中，可以采用高精度的强磁齿轮传感器对多电机进行测量；当然，也可以采用其它的方式对多电机的速度进行测量，如采用磁编码器或光电脉冲编码器来反馈当前电机运行的速度。磁编码器是在特定的磁感应芯片上方非接触的安装一个圆柱形磁铁，当电机运动时带动磁铁轴向旋转，磁铁旋转的速度和电机运动的速度成线性关系，通过测量当前磁铁的分布情况来得到当前电机旋转的绝对位置，通过测量当前磁铁磁场变化率来得到当前电机旋转的转速；光电脉冲编码器是在电机旋转过程中，带动光电编码器的转动轴一起旋转，光电编码器的转动轴上分布着不同精度的光栅，这些光栅产生脉动的光线，将脉动的光线转换成相应的脉冲电压信号，这样的脉冲信号的频率即可反映当前电机运行的转速。

在本发明的控制模块中，其所采用的位置测量电路可以将经过频率电压变换转变而得到的电压信号进行积分，得到当前位置的位置信号。优选地，本发明的位置测量电路是通过测量多电机的行程而实现位置测量的。

本发明的控制模块还可以进一步包括对上述速度测量电路测得的速度信号和上述位置测量电路测得的位置信号进行滤波处理的滤波处理电路。

进一步地，本发明的控制模块还可以包括模数转换器(ADC)和执行算法的处理器，而且该处理器能后台执行针对多电机的算法处理，例如PID算法。这种情况下，处理器可以接受速度测量电路所反馈的速度信号和位置测量电路所反馈的位置信号，完成针对速度环和位置环的闭环并行控制。

上述的PID算法中，P指比例，I指积分，D指微分。其中，P(比例)控制提高***的响应的速度，I(积分)控制可以消除***静差，而D(微分)控制可以尽量减少或消除***偏差。

优选地，上述处理器能够向功率晶体管输出脉宽调制信号(PWM)，进而控制针对多电机的驱动。这种功率晶体管优选为大功率晶体管。

另一方面，本发明还提供了一种用于控制自动/半自动烹调设备中的、能控制该烹调设备中执行部分运动的运动控制模块，其中，该运动控制模块包括如上所述的针对多电机的控制模块。一般地，本发明的烹调设备包括两块或两块以上的运动控制模块，这些运动控制模块可以通过总线结构进行通讯，例如通过双总线的冗余结构进行通讯，以确保***的可靠性。

再一方面，本发明提供了一种自动/半自动的烹调设备，该烹调设备包括控制部分和被该控制部分所控制的执行部分，执行部分则可以包括锅具运动机构、投料机构、点火机构和火力强度控制机构等执行机构。其中，控制部分包括一块或一块以上的如上所述的控制模块；或者控制部分包括两块或两块以上的、通过总线结构如双总线冗余结构进行通讯的运动控制模块，其中，至少一块运动控制模块包括如上所述的控制模块。

例如，上述的双总线冗余结构中，总线可以采用CAN总线。CAN总线通讯帧包含ID号码和数据，可以实现点对点传输，也可以实现广播传输，做到数据共享。它最多可以扩展255个节点，数据传输速率最大到1MB/S，本身的CRC冗余校验方法保证了数据传输的可靠性。

由于CAN总线使用差分形式的物理连接，可以提高了数据传输的稳定性，最远甚至可以达到公里级，因此可以做到大范围内的网络控制。这种结构中，每块运动控制模块定义唯一的ID号码，并且根据ID号码可以得到运动控制模块基本信息。在CAN总线物理连接和电源接口上添加热插拔保护电路，可以做到节点上电情况下的动态添加和删除。

在本发明的烹调设备中，上述的锅具运动机构具有能够通过产生加速度而实现晃锅和/或翻锅动作的急回运动机构。例如，通过驱动大功率电机来完成动作，并且配合齿轮传感器、磁编码器或者光电脉冲编码器得到当前电机的转速信息，将转速脉冲信号转换成速度电压信号并且通过微分等到当前的加速度信息，将速度电压信号积分得到当前的位置信息，因此可以得到当前电机运行的速度、加速度和位置三个状态信息，通过特定的算法完成电机的特定位置的加速度和速度闭环控制。这种特定位置的速度和加速度闭环控制就是翻锅急回动作的基础。

在上述本发明的烹调设备中，还可以进一步包括物料搅拌机构、中间料和/或菜肴盛出机构等执行机构。

与现有的电机控制技术相比，本发明的针对多电机的控制模块具有很多的优点。例如，采用本发明的针对多电机的控制模块，可以避免使用工控机，从而可以缩小控制部分的尺寸，也可大大降低自动/半自动烹调设备的成本；而每台电机也无需使用单独的编码器，从而可以大大地简化了接线复杂程度；在一定速度和位置控制精度范围内，可以完成多台电动机并行控制；另外，可以通过使用任务处理算法，提高控制***的实时性。

与现有技术的烹调设备相比，本发明的烹调设备由于采用针对多电机的速度环和位置环进行并行控制的控制模块，因而可以提高各种机器烹调动作的准确性，保证可以快速完成各种复杂的动作。将这种控制模块嵌入到通过总线冗余结构进行通讯的运动控制模块中，也可大为增加烹调设备的可靠性。

下面结合附图，通过具体的实施方式来进一步地说明本发明；但是可以理解，这些具体的实施方式只是用于说明本发明，而不是对本发明的限制。本领域的普通技术人员完全可以在本发明的启示下，对本发明的具体实施方式进行改进，或对某些技术特征进行等同替换，但这些经过改进或替换后的技术方案，仍属于本发明的保护范围。

附图说明

图1是本发明控制模块中对速度信号和位置信号进行处理的一种具体实施方式的示意图。

图2是本发明控制模块中齿轮传感器采集速度信号的一种具体结构的示意图。

图3是本发明控制模块中磁编码器采集速度信号的一种具体结构的示意图。

图4是本发明所采用的进行频率电压转换的一种具体实施方式的电路图。

图5是本发明控制模块中所采用的对速度信号进行积分的一种具体实施方式的电路图。

图6是本发明控制模块中所采用的进行滤波的一种具体实施方式的电路图。

图7是本发明控制模块中速度环和位置环并行控制的示意图。

图8是本发明烹调设备中所采用的一种总线控制***的结构示意图。

具体实施方式

图7显示了本发明控制模块中所采用的一种位置环和速度环并行控制的双环路位置控制***，该***可以实现对于控制对象的位置进行精确地控制。整个控制框架可以分为外环和内环，其中，外环是位置环闭环负反馈控制，而内环则是速度闭环负反馈控制。

在图7所示的双环路位置控制***中，“目标位置”是指控制电机完成的位置的目标值，在整个控制过程中它是根据当前整个***的运行状态实时变化的；“位置控制”是将目标位置和检测到的当前电机运行位置进行运算，最典型的运算方式为PID控制或模糊控制等方式，它输出的是速度的目标信号，作为内环速度反馈控制的控制目标。

图7中，“速度控制”属于整个双环控制的内环，将反馈的当前速度和外环生成的目标速度进行运算，生成最终电机控制的速度信号，传递给功率驱动，最典型的速度控制信号是PWM(脉冲宽度调制)或电压信号等。

图7中，“功率驱动”是指将得到速度信号进行功率放大，驱动控制不同类型的电机转速；“脉冲采集”则是将当前的速度信号转换成脉冲信号，得到的脉冲频率值和当前电机运行速度值成线性关系，为下一步运算提供反馈原始数据；“信号处理”是将当前的脉冲信号转换成电压信号，得到与速度成线性关系的电压信号。

图7中的“位置反馈”和“速度反馈”是指按图1所示的处理过程，将采集的当前脉冲进行处理、实时得出的当前电机运行的速度信号和位移信号。通过这种位置信号反馈和速度信号反馈，可以形成本发明的闭环控制。

图7所示的整个控制框架的运算处理过程可以采用图1所示的处理过程；而“脉冲采集”这一过程可以借助图2所示的齿轮传感器或图3所示的磁编码器来实现，当然也可以采用其它种类的传感器如光电脉冲编码器来采集速度信号；图4所示的电路图可以实现“信号处理”中的频率电压转换，但不难理解图4仅是一种可以完成脉冲电压转化的示意电路图，类似的电路可以有多种。

图5所示的积分电路可以实现本发明控制模块中对速度信号的积分处理，从而完成图7的“位置反馈”功能；而图6所示的电路图可以实现本发明控制模块中的滤波处理，以便将得到的位置或速度信号进行低通滤波去除噪音，再将除噪后的信号送给处理器。同样地，任何能够实现图5或图6之积分功能和滤波功能的电路，均可以用于本发明的控制模块中。

图8所示是本发明烹调设备中所采用的一种总线控制***结构的各运动控制模块连接示，这种总线结构可以是单总线形式，也可以是多总线形式的，而不仅限于图8所示的双总线结构。其中，1代表CAN双总线，2-4是四块不同的运动控制模块，整个控制***中没有主控制和从控制，每个运动控制模块独立运行，数据共享，高效可靠的完成要求的任务。

上述的本发明烹调设备是一种自动/半自动的烹调设备，该烹调设备包括控制部分和被该控制部分所控制的执行部分，执行部分则可以包括锅具运动机构、投料机构、点火机构和火力强度控制机构等执行机构。其中，控制部分包括一块或一块以上的本发明的控制模块；或者控制部分包括两块或两块以上的、通过总线结构进行通讯的运动控制模块，其中，至少一块运动控制模块包括本发明的控制模块。

例如，在图8所示的控制***中，其所使用的运动控制模块可以包括翻锅控制模块、加料控制模块和火力控制模块。这些运动控制模块中，至少一块运动控制模块包括本发明的控制模块。其中：

翻锅控制模块由大功率电机驱动控制部分、编码器或接近信号反馈部分、外部环境信息采集部分和总线通讯部分组成。完成整个翻锅运动依靠若干大功率电机速度环和位置环控制电路，以及其它反馈信息，比如各种与翻锅有关的外部环境变量的采集。翻锅控制需要在短时间内产生相当高的加速度，以便将锅具中的物料进行可靠而高效地翻转，因此需要完成大功率电机的速度、加速度闭环控制。

加料控制模块由电机驱动控制部分(电机为一个或一个以上)、电机位置和速度反馈部分、当前加料状态反馈部分和总线通讯部分组成。根据当前菜肴烹饪的情况按照设定的程序完成物料到锅具的投入过程。

设置火力控制模块的目的是根据当前烹饪的状态自动匹配相应强度的火力大小来完成不同菜肴的烹饪。该模块可以包含点火部分、火力大小控制部分、阀门大小反馈部分、点火检测部分、火力大小反馈部分和总线接口部分。点火部分采用高压电火花点火的方式将可燃气体点燃；火力大小控制部分控制阀门开度来控制可燃气体流量从而起到控制火力大小的目的；阀门大小反馈部分反应当前的阀门流量信息；点火检测部分将点火成功与否的状态信息反馈给处理器；火力大小反馈部分通过测量固定位置的火力辐射值来检测当前火力强度大小。

图8所示的控制***中，其运动控制模块还可以进一步包括物料搅拌控制模块。设置该模块的目的是将当前锅具内的烹饪物料进行更充分的搅拌，以便更均匀地加热。如果烹调设备的执行机构中包括搅拌机械爪来完成搅拌动作，则物料搅拌模块可由电机驱动控制部分(电机为一个或一个以上)、搅拌机械爪旋转速度反馈部分、各种阀门控制部分和总线通讯部分等组成。

Claims

1、一种用于自动/半自动烹调设备中、能对该烹调设备中执行部分的多电机进行控制的控制模块，其特征在于，该控制模块包括对所述多电机的速度进行测量的速度测量电路、对所述多电机所驱动的执行部分的位置进行测量的位置测量电路和对所述执行部分的位置进行初始化设定的初始化电路，所述速度测量电路测得的速度信号和所述位置测量电路测得的位置信号反馈给控制器，实现对所述多电机的速度环和位置环进行并行控制。

2、如权利要求1所述的控制模块，其特征在于，在所述的速度测量电路中，对所述多电机进行测量，获得其脉冲频率信号，并将所述的脉冲频率信号经过频率电压变换转变成电压信号，得到所述多电机的速度信号。

3、如权利要求2所述的控制模块，其特征在于，在所述的位置测量电路中，将所述经过频率电压变换转变而得到的电压信号进行积分，得到当前位置的位置信号。

4、如权利要求1所述的控制模块，其特征在于，所述的位置测量电路是通过测量所述多电机的行程而实现位置测量的。

5、如权利要求1所述的控制模块，其特征在于，所述的控制模块还进一步包括对所述速度测量电路测得的速度信号和所述位置测量电路测得的位置信号进行滤波处理的滤波处理电路。

6、如权利要求1所述的控制模块，其特征在于，所述的控制模块还进一步包括模数转换器和执行算法的处理器，而且所述的处理器能后台执行针对所述多电机的算法处理。

7、如权利要求6所述的控制模块，其特征在于，所述的处理器输出脉宽调制信号至功率晶体管，进而控制所述多电机的驱动。

8、一种用于控制自动/半自动烹调设备中的、能控制该烹调设备中执行部分运动的运动控制模块，其特征在于，该运动控制模块包括如权利要求1-7之一所述的控制模块。

9、一种自动/半自动的烹调设备，该烹调设备包括控制部分和被所述控制部分控制的执行部分，所述的执行部分包括锅具运动机构、投料机构、点火机构和火力强度控制机构，其特征在于，所述的控制部分包括如权利要求1-7之一所述的控制模块。

10、一种自动/半自动的烹调设备，该烹调设备包括控制部分和被所述控制部分控制的执行部分，所述的执行部分包括锅具运动机构、投料机构、点火机构和火力强度控制机构，其特征在于，所述的控制部分包括两块或两块以上的、通过双总线冗余结构进行通讯的运动控制模块，其中，至少一块所述的运动控制模块包括如权利要求1-7之一所述的控制模块。