CN103345268A - 曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置，所述曲柄滑块机构由伺服电机带动运行，包括第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元以及位置调节器，其中：所述第一计算单元用于采样电机编码器的反馈数据并计算前一采样周期内电机的运转角度；所述第二计算单元用于采样光栅尺的反馈信息并计算前一采样周期内滑块的移动距离；所述第三计算单元用于根据电机的运转角度以及滑块的移动距离生成比例增益系数；所述位置调节器用于使用所述比例增益系数调整输出到电机的位置控制指令。本发明还提供了一种对应的控制方法。本发明根据电机旋转的角度及滑块的位置实时计算位置控制器的比例增益系数，可显著提高定位速度，提高机械加工效率。

Description

曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置及控制方法。

背景技术

曲柄滑块机构是机械设备中最常用的结构。如图1所示，是曲柄滑块机构的示意图：电机通过转轴17带动大转盘11旋转，与大转盘11内切的小转盘12在大转盘11带动下在大转盘11内滚动；曲柄13的第一端连接在小转盘12的圆心、第二端连接滑块14；在小转盘12运转时，曲柄13带动滑块14在两侧的轨道16内做往复运动。

在滑块14一侧的轨道16上设有光栅尺15，该光栅尺15将滑块14的运动信息反馈（即位置反馈）给电机控制***，电机控制***根据位置指令和位置反馈的偏差，采用线性位置比例PID调节器进行闭环，实现位置精确控制。

然而，由于曲柄滑块机构本身的特性，其运动轨迹呈非线性，位置指令和位置反馈的偏差同样呈现非线性变化，例如在机械位置的上止点和下止点，这种非线性变化尤为明显。传统的线性位置比例PID调节器在这样的工况条件下，定位缓慢，机械加工效率大大降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述曲柄滑块机构定位缓慢的问题，提供一种曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置及控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置，所述曲柄滑块机构由伺服电机带动运行，包括第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元以及位置调节器，其中：所述第一计算单元，用于采样电机编码器的反馈数据并计算前一采样周期内电机的运转角度；所述第二计算单元，用于采样光栅尺的反馈信息并计算前一采样周期内滑块的移动距离；所述第三计算单元，用于根据所述电机的运转角度以及滑块的移动距离生成比例增益系数；所述位置调节器，用于使用所述比例增益系数调整输出到电机的位置控制指令。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置中，所述第三计算单元通过以下计算式计算比例增益系数：Kp=K×Δα/ΔH，其中Δα为前一采样周期内电机运转角度，ΔH为前一采样周期内滑块的移动距离，K为设定的常数。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置中，所述位置调节器为PID调节器，该PID调节器的输入端分别为位置控制指令及光栅尺反馈的位置信息、输出端为调整后的为位置控制指令。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置中，所述第一计算单元将当前采样点与前一采样点转子的位置差作为前一采样周期内电机的运转角度。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置中，所述第二计算单元将当前采样点与前一采样点滑块的位置差作为前一采样周期内滑块的移动距离。

本发明还提供一种曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法，所述曲柄滑块机构由伺服电机带动运行，包括以下步骤：

（a）采样电机编码器的反馈数据并计算前一采样周期内电机的运转角度，以及采样光栅尺的反馈信息并计算前一采样周期内滑块的移动距离；

（b）根据所述电机的运转角度以及滑块的移动距离生成比例增益系数；

（c）位置调节器使用所述比例增益系数调整输出到电机的位置控制指令。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法中，所述步骤（b）中的比例增益系数通过以下计算式计算获得：Kp=K×Δα/ΔH，其中Δα为前一采样周期内电机运转角度，ΔH为前一采样周期内滑块的移动距离，K为设定的常数。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法中，所述位置调节器为PID调节器，该PID调节器的输入端分别为位置控制指令及光栅尺反馈的位置信息、输出端为调整后的位置控制指令。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法中，所述步骤（a）中，将当前采样点与前一采样点电机转子的位置差作为前一采样周期内电机的运转角度。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法中，所述步骤（a）中，将当前采样点与前一采样点滑块的位置差作为前一采样周期内滑块的移动距离。

本发明曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置及控制方法，根据电机旋转的角度及滑块的位置实时计算比例增益系数，并使用该比例增益系数调整输出到电机的位置控制指令，可显著提高定位速度，提高机械加工效率。

附图说明

图1是曲柄滑块机构的示意图。

图2是曲柄滑块机构中大转盘的运行轨迹示意图。

图3是本发明曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置实施例的示意图。

图4是本发明曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，为图1中曲柄滑块机构中大转盘11运行轨迹示意图。假设大转盘11以y轴为起点随电机的转轴17运转，则滑块14的运动距离为箭头（由大转盘11的圆心指向小转盘12的圆心）与大转盘11交点至x轴的垂直距离。假设大转盘的运转轨迹半径为R，则当电机旋转角度为α时，滑块14的移动距离为：

H=R×（1+cosα）      （1）

H即为曲柄滑块机构中光栅尺的反馈位置信息。由上式可知，滑块14位置反馈为一非线性曲线，且在α为0°和180°附近时，位置反馈值变化缓慢。如果用线性位置调节器，必然会导致伺服***定位缓慢。

若相邻两个采样周期光栅尺位置信息反馈分别为H1和H2，对应的电机旋转角度分别为α1、α2，则：

H1=R×（1+cosα1）      （2）

H2=R×（1+cosα2）         （3）

也就是说，在前一采样周期内，滑块的运行距离为：

ΔH=H2-H1        （4）

而该采样周期内，电机的转轴旋转的角度为：

Δα=α2-α1         （5）

根据在转轴处于0°和180°附近，滑块位置反馈值变化缓慢的特点，可使位置调节器的比例增益系数为：

Kp=K×Δα/ΔH      （6）

其中K为可调的常数，其值与曲柄滑块机构的机械结构（例如刚性、响应速度等）相关。K值越大，定位越快，定位精度越低；K值越小，定位精度越高，定位越慢。

如图3所示，是本发明曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置实施例的示意图，其中曲柄滑块机构由伺服电机带动运行。本实施例中的位置调节装置包括第一计算单元31、第二计算单元32、第三计算单元33以及位置调节器34，其中第一计算单元31、第二计算单元32、第三计算单元33可由集成到伺服驱动器（该伺服驱动器用于驱动伺服电机运行）的软件实现。当然，在实际应用中，上述第一计算单元31、第二计算单元32、第三计算单元33也可由独立于伺服驱动器的硬件和软件实现。

第一计算单元31用于采样电机编码器的反馈数据并根据编码器的反馈数据计算前一采样周期内电机的运转角度。在具体实现时，该第一计算单元31可将当前采样点与前一采样点电机转子的位置（角度）差作为前一采样周期（即两个采样点间隔的时间）电机的运转角度。此外，也可通过输出到电机的位置指令来计算前一采样周期内电机转子的运转角度。

第二计算单元32用于采样光栅尺的反馈信息并根据光栅尺的反馈信息计算前一采样周期内滑块的移动距离。具体地，该第二计算单元32可将当前采样点与前一采样点滑块的位置差作为前一采样周期内滑块的移动距离。

上述采样点为曲柄滑块机构中光栅尺的反馈时间（或固定间隔的多个光栅尺反馈的时间），而采样周期则为光栅尺两个反馈时间的间隔（或该时间间隔的整数倍）。

第三计算单元33用于根据电机的运转角度以及滑块的移动距离生成比例增益系数。特别地，该第三计算单元33通过以下计算式计算比例增益系数：Kp=K×Δα/ΔH，其中Δα为前一采样周期内电机运转角度，ΔH为前一采样周期内滑块的移动距离，K为设定的常数。

位置调节器34用于使用第三计算单元33计算获得的比例增益系数调整输出到电机的位置控制指令。具体地，位置调节器可采用PID调节器，其输入端分别为位置控制指令及光栅尺反馈的位置信息、输出端为调整后的位置控制指令。由于位置调节器34使用实时计算获得的比例增益系数调整位置控制指令，可显著提高定位速度。

当然，在实际使用中也可将第一计算单元31、第二计算单元32、第三计算单元33集成一体，其输入值为电机编码器数据及光栅尺数据，输出值为比例增益系数。

上述曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置，通过非线性变化的比例增益系数，满足了滑块不同位置的快速定位。经实验证实，上述装置可大大增加定位速度，从而显著提高机械加工效率。

如图4所示，是本发明曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法实施例的流程示意图，其中曲柄滑块机构由伺服电机带动运行，并包括以下步骤：

步骤S41：采样电机编码器的反馈数据并根据反馈数据计算前一采样周期内电机的运转角度，同时采样光栅尺的反馈信息并根据反馈信息计算前一采样周期内滑块的移动距离。

在具体实现时，可将当前采样点与前一采样点电机转子的位置（角度）差作为前一采样周期内电机的运转角度。此外，也可通过输出到电机的位置指令来计算前一采样周期内电机转子的运转角度。而前一采样周期内滑块的移动距离则可通过计算当前采样点与前一采样点滑块的位置差获得。

上述周期为曲柄滑块机构中光栅尺的反馈周期（或该光栅尺反馈周期的整数倍）。

步骤S42：根据所述电机的运转角度以及滑块的移动距离生成比例增益系数。在具体实现时，上述比例增益系数通过以下计算式计算获得：Kp=K×Δα/ΔH，其中Δα为前一采样周期内电机运转角度，ΔH为前一采样周期内滑块的移动距离，K为设定的常数。

步骤S43：位置调节器使用所述比例增益系数调整输出到电机的位置控制指令。在具体实现时，上述位置调节器可采用PID调节器，其输入端为位置控制指令及光栅尺反馈的位置信息、输出端为调整后的位置控制指令。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置，所述曲柄滑块机构由伺服电机带动运行，其特征在于：包括第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元以及位置调节器，其中：所述第一计算单元，用于采样电机编码器的反馈数据并计算前一采样周期内电机的运转角度；所述第二计算单元，用于采样光栅尺的反馈信息并计算前一采样周期内滑块的移动距离；所述第三计算单元，用于根据所述电机的运转角度以及滑块的移动距离生成比例增益系数；所述位置调节器，用于使用所述比例增益系数调整输出到电机的位置控制指令。

2.根据权利要求1所述的曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置，其特征在于：所述第三计算单元通过以下计算式计算比例增益系数：Kp=K×Δα/ΔH，其中Δα为前一采样周期内电机运转角度，ΔH为前一采样周期内滑块的移动距离，K为设定的常数。

3.根据权利要求1或2所述的曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置，其特征在于：所述位置调节器为PID调节器，该PID调节器的输入端分别为位置控制指令及光栅尺反馈的位置信息、输出端为调整后的位置控制指令。

4.根据权利要求1或2所述的曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置，其特征在于：所述第一计算单元将当前采样点与前一采样点电机转子的位置差作为前一采样周期内电机的运转角度。

5.根据权利要求1或2所述的曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置，其特征在于：所述第二计算单元将当前采样点与前一采样点滑块的位置差作为前一采样周期内滑块的移动距离。

6.一种曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法，所述曲柄滑块机构由伺服电机带动运行，其特征在于：包括以下步骤：

（a）采样电机编码器的反馈数据并计算前一采样周期内电机的运转角度，以及采样光栅尺的反馈信息并计算前一采样周期内滑块的移动距离；

（b）根据所述电机的运转角度以及滑块的移动距离生成比例增益系数；

（c）位置调节器使用所述比例增益系数调整输出到电机的位置控制指令。

7.根据权利要求6所述的曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法，其特征在于：所述步骤（b）中的比例增益系数通过以下计算式计算获得：Kp=K×Δα/ΔH，其中Δα为前一采样周期内电机运转角度，ΔH为前一采样周期内滑块的移动距离，K为设定的常数。

8.根据权利要求6所述的曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法，其特征在于：所述位置调节器为PID调节器，该PID调节器的输入端分别为位置控制指令及光栅尺反馈的位置信息、输出端为调整后的位置控制指令。

9.根据权利要求6或7所述的曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法，其特征在于：所述步骤（a）中，将当前采样点与前一采样点电机转子的位置差作为前一采样周期内电机的运转角度。

10.根据权利要求6或7所述的曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法，其特征在于：所述步骤（a）中，将当前采样点与前一采样点滑块的位置差作为前一采样周期内滑块的移动距离。

Images