CN102183916A - 有限转角伺服转台用位置寻零方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有限转角伺服转台用位置寻零方法，属于伺服控制技术领域。该方法在伺服转台的机械零位与正向限位之间安装了一个光电开关，并将光电开关位置和正向机械限位分别作为本方法的第一参考点和辅助参考点，在伺服转台开机时，电机正向转动，如果查询到光电开关控制的TTL电平信号或者监测到电机的电流值达到设置门限值，即可控制电机反转相应的已知角度，就能够找到准确的机械零位。本发明优先用第一参考点进行位置寻零，而在光电开关失效时，可通过辅助参考点进行位置寻零。本发明在不增加任何成本的基础上，提高了伺服转台的寻零可靠性和工作稳定性。
Description
技术领域
本发明属于伺服控制技术领域，主要涉及一种有限转角伺服转台机械零位的寻找方法，尤其涉及一种带增量式编码器的有限转角伺服转台在开机时寻找机械零位的方法。
背景技术
有限转角伺服转台用的增量式编码器一般安装在电机轴或者负载轴上，伺服转台的控制器可以根据编码器输出两路脉冲的先后次序判断电机转动的方向，根据脉冲的个数确定有限转角伺服转台的角位置。这种方法要求首先确定电机转子的初始位置，由于增量式编码器断电后无位置记忆功能，因而有限转角伺服转台首次开机加电时，电机转子的初始位置是不确定的，这就决定了伺服转台的控制***需要进行位置寻零，才能找到伺服转台的机械零位，实现精确的位置控制。
为了找到伺服转台的机械零位，目前采用的多数方法是利用光电开关作为参考点，将光电开关安装在伺服转台的预知角度位置，即已知参考点和机械零位之间的角度差为固定值θ。开机时，伺服转台先向安装有光电开关的方向转动，当检测到光电开关被触发产生的TTL电平信号时，控制伺服转台向相反的方向运动θ角度即到达转台的机械零位，并将脉冲计数器清零。这种方法虽然简单，但是一旦光电开关损坏，伺服转台将无法找到机械零位，不能正常开机工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提供一种在有限转角伺服转台开机时能够可靠寻找机械零位的位置寻零方法，以确保伺服转台开机后能够正常工作。
为解决上述技术问题，本发明提供的位置寻零方法包括以下步骤：首先在伺服转台的机械零位与正向机械限位之间设置一个光电开关，每当伺服转台开机时，控制器初始化之后依次完成如下操作：将寻零标志位设置为有效；向伺服控制电路发送电机正向转动指令；实时查询I/O检测电路是否检测到光电开关控制的TTL电平信号和实时监测电流检测电路检测到的电机电流值；当I/O检测电路检测到TTL电平信号时，向伺服控制电路发送电机反转指令并使脉冲计数器清零；读取脉冲计数器实时记录的电机反转脉冲数，直到脉冲数达到光电开关与机械零位夹角所对应的脉冲数时，向伺服控制电路发送电机停转指令，使脉冲计数器清零并将寻零标志位设置为无效；在I/O检测电路未检测到TTL电平信号的情况下，如果监测到电流检测电路检测到的电机电流值已达到设置的门限值时，向伺服控制电路输出电机反转指令并使脉冲计数器清零；读取脉冲计数器实时记录的电机反转脉冲数，直到脉冲数达到正向机械限位与机械零位夹角所对应的脉冲数时，向伺服控制电路发送电机停转指令，给脉冲计数器清零并将寻零标志位设置为无效。
本发明在转台的机械零位和正向机械限位之间设置了一个光电开关，并将其作为位置寻零的第一个参考点，而将转台的正向机械限位作为第二个参考点。在转台开机寻零过程中，如果伺服控制板的I/O检测电路检测到光电开关控制的TTL电平信号，就以光电开关的安装位置为基准点控制电机以相反方向转动一个已知角度即为找到机械零点；而当光电开关损坏，电平信号始终无效时，转台将继续转动，直到机械限位，这时由于电机堵转，电流将逐渐增大，伺服控制板的电流检测电路实时检测该电流，当控制器监测到该电流值达到设置的门限值时，就以正向机械限位的安装位置为基准点控制电机以相反方向转动另一个已知角度即为找到机械零点。不难看出，利用本发明方法控制带有增量式编码器的有限转角伺服转台进行位置寻零时，除了光电开关外，不需要另置传感器，即可解决转台开机寻零时可能出现的光电开关损坏导致寻零失败，进而无法正常开机工作的问题，不仅降低了成本，而且提高了转台的工作可靠性。
附图说明
图1是采用本发明实现位置寻零的原理框图。
图2是采用本发明方位机构机械零位检测程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详述。
由图1可见，伺服控制电路板上集成有控制器、I/O检测电路、电流检测电路、脉冲计数器、伺服控制电路以及功率驱动电路。控制器作为伺服控制的核心，同样作为实现本发明的核心，主要完成对采集信号、信息流程以及控制算法和控制逻辑的处理；I/O检测电路的功能是实时检测光电开关控制的TTL电平信号，为控制器提供检测信号的状态，由此作为寻零的一个参考标志位；电流检测电路的功能是实时检测电机的电流值，正常工作时将检测到的电流值作为电流环输入参数使用，转台开机时可以根据需要将电机实时电流值作为寻找机械零位的一个参考标志位；脉冲计数器的功能是检测记录电机增量式编码器输出的脉冲数；伺服控制电路的功能是按照伺服控制软件实现各种控制算法，输出电机控制信号；功率驱动电路的功能是将伺服控制电路产生的电机控制信号进行功率放大，驱动电机运动。
本发明使用光电开关和机械限位作为位置寻零的两个参考点。第一参考点为光电开关，其安装位置可以根据转台的实际情况进行设计，原则是离关机位置不应太远，这样，在转台开机时，能较快的对其控制输出的信号进行检测判断，这有利于提高转台的寻零效率，缩短开机时间，建议设置在电机转动10°～20°即可触发光电开关的位置；转台开机寻零的初始运动方向根据光电开关的位置确定，原则是转台开机寻零时应向安装有光电开关的方向运动即定义为转台的正向转动。第二参考点为光电开关一侧的机械限位，当光电开关失效时，转台将继续运动，直到机械限位参考点，通过实时检测电机的电流值判断是否到达该参考点，从而对机械零位进行检测标定；通过机械限位判断电流进行寻零时，应根据转台实际情况确定电流门限值，门限值应比电机寻零时的电流大，但不应过大，避免电机的长时间堵转，一般取电机正常寻零输出电流值的3～5倍；寻零速度应根据转台的实际情况选择，不宜过快，避免电机猛烈撞击机械限位。
当伺服控制电路板上电后，控制器将根据图2所示的工作流程完成位置寻零方法的相关步骤：
(1)初始化伺服控制板相关功能模块，包括I/O检测模块、电流检测模块、脉冲检测模块、伺服控制模块以及功率驱动模块；
(2)将开机寻零标志位设置为有效，该标志位在寻零完成时需要清除；
(3)向伺服控制电路发送电机正向转动指令。在该指令下，伺服控制电路以及功率驱动电路按照控制软件设定的转速和方向驱动电机正向转动；
(4)实时查询I/O检测电路是否检测到光电开关控制的TTL电平信号和实时监测电流检测电路检测到的电机电流值。当I/O检测电路检测到TTL电平信号时，向伺服控制电路发送电机反转指令，脉冲计数器清零；在伺服控制电路以及功率驱动电路驱动电机反转过程中，读取脉冲计数器实时记录的电机反转脉冲数，直到脉冲数达到光电开关与机械零位夹角对应的脉冲数时，向伺服控制电路发送电机停转指令，脉冲计数器清零并将寻零标志位设置为无效。至此，位置寻零任务结束；
(5)如果在I/O检测电路未检测到TTL电平信号的情况下，而监测到电流检测电路检测到的电机电流值已达到设置的门限值时，向伺服控制电路输出电机反转指令，脉冲计数器清零；在伺服控制电路以及功率驱动电路驱动电机反转过程中，读取脉冲计数器实时记录的电机反转脉冲数，直到脉冲数达到该机械限位与机械零位夹角对应的脉冲数时，向伺服控制电路发送电机停转指令，脉冲计数器清零并将寻零标志位设置为无效。至此，位置寻零任务结束。
本发明可应用于两轴或多轴伺服转台，其优选实施方式的工作原理和详细方案以方位轴为例进行说明，而其它轴的原理则与之相同。
假定增量式编码器为X线，Y倍频细分后为X·Y线，即360°机械角度对应的线数为X·Y线；电机的磁极对数为P对，则每个脉冲对应的电角度为360·P/(X·Y)；编码器安装在电机的转子上，负载通过减速机构与电机轴关联，减速比为L∶1；方位机构以机械零位为基准顺时针旋转为正角度，逆时针旋转为负角度；将光电开关安装在方位机构的正角度位置，与机械零位的夹角为α；机械零位与正向机械限位之间的夹角为β；电流门限值设定为λ；方位机构的寻零速度设定为V。其中，α、β必须精确标定，通过脉冲计数器分别记录两参考点与机械零位之间的脉冲个数，依据选用编码器的参数，计算出α、β的角度值，可多次测量后取平均值，以减少测量误差；λ门限值需要经过电流检测电路多次测量确定，为了保护电机，此值不应设置过大，以免电机长时间堵转，但应比方位机构寻零时的电机电流略大。本实施方式没有考虑齿轮之间的空回，对于精度要求高的场合，齿轮间的空回应当考虑。
给出计算α、β角对应脉冲数的通用公式如下：
L·α/(360·P/(X·Y))＝L·α·X·Y/(360·P) (1)
L·β/(360·P/(X·Y))＝L·β·X·Y/(360·P) (2)
本实施方式中使用的增量式编码器X为2500线，倍频细分数Y为4；电机的磁极对数P为1对；方位机构的减速比L为80∶1；经过精确标定后的α角为10.23°，β角为60.56°；电流门限值λ设定为5A；方位机构的寻零速度V设定为5°/s。
通过公式(1)、(2)计算得到α、β角对应脉冲数分别为22733个和134578个。
转台加电开机时，方位机构首先进行寻零操作。伺服控制板使能I/O检测电路、电流检测电路、脉冲计数器、伺服控制电路以及功率驱动电路，I/O检测电路和电流检测电路实时工作，控制器分别查询光电开关控制的TTL电平信号和监测方位电机电流值。方位机构以速度5°/s顺时针转动，当光电开关被有效触发时，一路电平信号送到伺服控制板的I/O检测口，一旦I/O检测电路检测到该电平信号，脉冲计数器复位清零，控制器发送电机反转指令，伺服控制电路以及功率驱动电路驱动方位机构逆时针转动，同时读取脉冲计数器实时记录的电机反转脉冲数，当计数到22733时，控制器发送电机停转指令，转台停止转动，即方位转台逆时针旋转了10.23°，到达机械零位，脉冲计数器清零，清除方位寻零标志位，方位寻零结束。
当光电开关失效时，I/O检测电路未能检测到电平信号，而控制器监测到电流检测电路检测到的电机电流值达到设置的门限值5A时，表明电机已经到达方位正向机械限位，脉冲计数器复位清零，控制器发送电机反转指令，伺服控制电路以及功率驱动电路驱动方位机构逆时针转动，同时读取脉冲计数器实时记录的电机反转脉冲数，当计数到134578时，控制器发送电机停转指令，转台停止，即方位转台逆时针旋转了60.56°，到达机械零位，脉冲计数器清零，清除方位寻零标志位，方位寻零结束。
转台其它轴的寻零方式和流程与方位轴是一样的。当转台的所有轴寻零结束，则表明转台开机完成，可以进入正常工作流程。
各轴寻零结束时，必须将寻零标志位置为无效，这样转台在正常工作时，光电开关控制的电平信号不会对转台的运动产生影响，而电流检测电路检测到的电流值可以作为转台电流环的输入参数使用。
通过本发明，转台在寻零时不会因为光电开关损坏导致转台无法正常开机工作，在不增加成本的情况下大大提高了转台的寻零可靠性。
Claims (1)
1.一种有限转角伺服转台用位置寻零方法，其特征在于：该方法包括以下操作步骤：首先在伺服转台的机械零位与正向机械限位之间设置一个光电开关，每当伺服转台开机时，控制器初始化之后依次完成如下操作：将寻零标志位设置为有效；向伺服控制电路发送电机正向转动指令；实时查询工/O检测电路是否检测到光电开关控制的TTL电平信号和实时监测电流检测电路检测到的电机电流值；当I/O检测电路检测到TTL电平信号时，向伺服控制电路发送电机反转指令并使脉冲计数器清零；读取脉冲计数器实时记录的电机反转脉冲数，直到脉冲数达到光电开关与机械零位夹角所对应的脉冲数时，向伺服控制电路发送电机停转指令，使脉冲计数器清零并将寻零标志位设置为无效；在I/O检测电路未检测到TTL电平信号的情况下，如果监测到电流检测电路检测到的电机电流值已达到设置的门限值时，向伺服控制电路输出电机反转指令并使脉冲计数器清零；读取脉冲计数器实时记录的电机反转脉冲数，直到脉冲数达到正向机械限位与机械零位夹角所对应的脉冲数时，向伺服控制电路发送电机停转指令，给脉冲计数器清零并将寻零标志位设置为无效。
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