CN109687773B - 一种消隙控制***和全消隙控制方法 - Google Patents

一种消隙控制***和全消隙控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种消隙控制***和全消隙控制方法。消隙控制***包括:互相连接的上位装置、传动装置、动力输出装置和负载，负载的状态信息反馈到上位装置。全消隙控制方法，包括：接收负载状态反馈信息，获得偏差值，获得第一驱动单元电流需求值和第二驱动单元电流需求值；第一驱动单元电流需求值驱动第一电机运转，第二驱动单元电流需求值驱动第二电机运转，将动力输出到负载；负载的状态信息反馈到上位装置。本发明消隙控制***和全消隙控制方法至少具有下列优点：控制***结构简单，操作方便，通过信号反馈、数据比较后自动为两个传动装置分配电流，从而消除非线性间隙，改善了控制精度，提高了效率。

Description

一种消隙控制***和全消隙控制方法
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种消隙控制***和全消隙控制方法。
背景技术
在高精度伺服控制领域，某些应用场合采用同功率的双电机共同驱动负载的传动结构形式。传动机构中的减速箱、齿轮与齿轮之间存在非线性间隙，在负载启动或换向时非线性间隙会影响***的动稳态性能。
针对同功率的双电机驱动带来的非线性间隙问题，研究人员进行了大量理论及应用方面的研究，现有的消隙位置闭环控制方法主要可以分为恒定力矩补偿控制、基于速度偏差的力矩控制、基于给定电流值的力矩补偿控制、位置力矩转换控制以及变偏置转矩的消隙控制方法等，上述现有的控制方法都存在需要根据负载运行状态进行判断，进而改变电机的运行方式、给出偏置转矩大小及偏置转矩切换点的问题，存在控制***结构复杂，控制方法繁琐，效率低，精度差等缺陷。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种新型结构的消隙控制***和全消隙控制方法，所要解决的技术问题是现有的消隙位置闭环控制***和方法存在控制***结构复杂，控制方法繁琐，效率低，精度差等缺陷。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种消隙控制***，包括:互相连接的上位装置、传动装置、动力输出装置和负载；
所述上位装置接收所述预设信息及所述负载的运行状态的反馈信号，并与所述上位装置中的预设信息比较，获得所述传动装置的电流需求值，并将所述电流需求值传送到所述传动装置，使得所述传动装置以指定的动力驱动所述动力输出装置，将所述动力输出到所述负载；
所述传动装置包括第一传动设备和第二传动设备，所述上位装置将接收到的所述负载的反馈信号，获得负载的状态信息，根据所述状态信息调节所述传动装置的电流需求值，并控制所述第一传动设备和所述第二传动设备的所述动力。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的消隙控制***，其中所述上位装置包括：
运算单元，用于接收所述反馈信号，并对接收到的所述预设信息及所述反馈信号进行运算，获得所述负载的状态信息的偏差值；
位置环控制单元，根据从所述运算单元接收到的所述负载的所述状态信息的偏差值，获得所述电流需求值；
消隙控制单元，接收所述位置环控制单元输出的所述电流需求值，通过所述电流需求值控制所述第一传动设备和所述第二传动设备的动力。
优选的，前述的消隙控制***，其中所述第一传动设备包括：第一驱动单元、第一电机和第一减速机，所述第一驱动单元根据从所述消隙控制单元接收到的所述电流需求值驱动所述第一电机运转，使得所述第一减速机获得动力，经过所述第一减速机变速后传送到所述动力输出装置；
所述第二传动设备包括：第二驱动单元、第二电机和第二减速机，所述第二驱动单元根据从所述消隙控制单元接收到的所述电流需求值驱动所述第二电机运转，使得所述第二减速机获得动力，经过所述第二减速机变速后传送到所述动力输出装置；
所述第一电机和所述第二电机的功率相同。
优选的，前述的消隙控制***，其中所述第一驱动单元包括：
优选的，前述的消隙控制***，其中所述第一驱动单元和所述第二驱动单元通过互锁设备连接。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种全消隙控制方法，通过上述消隙控制***进行控制，包括：
通过上位装置的运算单元将接收到的负载的状态信息与预设信息比较获得偏差值，通过位置环控制单元输出到消隙控制单元，通过消隙控制单元处理后获得第一驱动单元的第一驱动单元电流需求值，和第二驱动单元的第二驱动单元电流需求值；
所述第一驱动单元电流需求值通过所述消隙控制单元输出到第一驱动单元，驱动第一电机运转，将动力通过第一减速机传送到动力输出装置；所述第二驱动单元电流需求值通过所述消隙控制单元输出到第二驱动单元，驱动第二电机运转，将动力通过第二减速机传送到动力输出装置；
所述动力输出装置将动力输出到所述负载；
所述负载的状态信息反馈到所述上位装置。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的全消隙控制方法，其中获得所述第一电流需求值的方法包括：
所述偏差通过位置环控制单元调节后获得位置环输出电流需求值，所述位置环输出电流需求值通过消隙控制单元获得所述第一驱动单元电流需求值；
获得所述第二电流需求值的方法包括：
所述偏差通过位置环控制单元调节后获得位置环输出电流需求值，所述位置环输出电流需求值通过消隙控制单元获得所述第二驱动单元电流需求值。
优选的，前述的全消隙控制方法，其中所述位置环输出电流、所述第一驱动单元电流需求值和所述第二驱动单元电流需求值之间的关系式为：
其中，i-位置环输出电流，im-第一电机和第二电机的额定电流，i1-第一驱动单元电流需求值，i2-第二驱动单元电流需求值。
优选的，前述的全消隙控制方法，其中所述第一驱动单元电流需求值通过所述消隙控制单元输出到第一驱动单元，驱动第一电机运转，所述第一电机将第一电机运转电流值输送到所述第一驱动单元，并与所述第一驱动单元电流需求值比较，计算所述第一电机运转电流值和所述第一驱动单元电流需求值的第一偏差电流值，根据所述第一偏差电流值调整驱动所述第一电机的电流；
所述第二驱动单元电流需求值通过所述消隙控制单元输出到第二驱动单元，驱动第二电机运转，所述第二电机将第二电机运转电流值输送到所述第二驱动单元，并与所述第二驱动单元电流需求值比较，计算所述第二电机运转电流值和所述第二驱动单元电流需求值的第二偏差电流值，根据所述第二偏差电流值调整驱动所述第二电机的电流。
优选的，前述的全消隙控制方法，其中所述运算单元通过编码器采集卡采集所述负载的编码器信号获取所述状态信息。
优选的，前述的全消隙控制方法，其中所述状态信息为所述负载的角度或位置信息。
借由上述技术方案，本发明消隙控制***和全消隙控制方法至少具有下列优点：
控制***结构简单，操作方便，通过信号反馈、数据比较后自动为两个传动装置分配电流，从而消除非线性间隙，改善了控制精度，提高了效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明实施例提出的消隙控制***的机构框图；
图2是本发明实施例提出的全消隙控制方法的流程图；
图3是本发明实施例提出的消隙控制***的位置环输出电流需求值的曲线图；
图4是本发明实施例提出的消隙控制***的第一驱动单元电流需求值的曲线图；
图5是本发明实施例提出的消隙控制***的第二驱动单元电流需求值的曲线图；
图6是本发明实施例提出的消隙控制***的位置环输出电流需求值、第一驱动单元电流需求值和第二驱动单元电流需求值的关系曲线图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的消隙控制***和全消隙控制方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
如图1所示，本发明的一个实施例提出的一种消隙控制***，其包括:互相连接的上位装置100、传动装置200、动力输出装置300和负载400；所述上位装置100接收所述预设信息及所述负载400的运行状态的反馈信号，并与所述上位装置100中的预设信息比较，获得所述传动装置200的电流需求值，并将所述电流需求值传送到所述传动装置200，使得所述传动装置200以指定的动力驱动所述动力输出装置300，将所述动力输出到所述负载400；所述传动装置200包括第一传动设备201和第二传动设备202，所述上位装置100将接收到的所述负载400的反馈信号，获得负载400的状态信息，根据所述状态信息调节所述传动装置200的电流需求值，并控制所述第一传动设备201和所述第二传动设备202的所述动力。
上述结构的消隙控制***通过上位装置为传动装置分配电流，控制驱动第一传动设备和第二传动设备分别输出动力，通过动力输出装置传递给负载，实现对负载的运行状态的调整，同时负载的运行状态信息实时传送给上位装置，根据状态信息调整电流需求值，形成了消隙控制***的闭环控制结构。在本实施例中的动力输出装置为减速机的动力输出端设备，也是固定连接负载的设备，通过两个减速机分别输出不同的动力，最终传递给动力输出端，从而调节动力输出端的状态，例如，偏转角度、移动位置等，实现对负载的状态的调整。负载可以为现有的各种生产、应用设备，如各种武器的枪口、炮口等，或加工设备的刀具等。结构简单，操作方便，有效地消除了非线性间隙，精度高。
作为优选方式，所述上位装置100包括：运算单元101，用于接收所述反馈信号，并对接收到的所述预设信息及所述反馈信号进行运算，获得所述负载400的状态信息的偏差值；位置环控制单元102，根据从所述运算单元101接收到的所述负载400的所述状态信息的偏差值获得所述电流需求值；消隙控制单元103，接收所述位置环控制单元102输出的所述电流需求值，通过所述电流需求值控制所述第一传动设备201和所述第二传动设备202的动力。
通过运算单元接收负载的状态信息的反馈信号，并将反馈信号与预存的标准信息比较，经过运算后获得负载的状态的偏差值，位置环控制单元根据接收到的偏差值得出传动装置所需的电流需求值，传递给消隙控制单元，消隙控制单元将电流需求值根据运算单元运算的偏差值为第一传动设备和第二传动设备分配电流需求值，并分别传送给第一传动设备和第二传动设备，从而实现对非线性间隙的调整。
作为优选方式，所述第一传动设备201包括：第一驱动单元2011、第一电机2012和第一减速机2013，所述第一驱动单元2011根据从所述消隙控制单元103接收到的所述电流需求值驱动所述第一电机2012运转，使得所述第一减速机2013获得动力，经过所述第一减速机2013变速后传送到所述动力输出装置300。
所述第二传动设备202包括：第二驱动单元2021、第二电机2022和第二减速机2023，所述第二驱动单元2021根据从所述消隙控制单元103接收到的所述电流需求值驱动所述第二电机2022运转，使得所述第二减速机2023获得动力，经过所述第二减速机2023变速后传送到所述动力输出装置300。
所述第一电机2012和所述第二电机2022的功率相同。
上述结构构成了完整的传动装置，通过第一传动设备和第二传动设备根据消隙控制单元的电流需求值的分配，有效地消除了负载的非线性间隙。其中，为了更有效地实现非线性间隙的调整，优选第一电机和第二电机的功率相同，从而上位装置无需复杂计算获得准确地根据偏差值获得第一传动设备和第二传动设备的电流需求值的分配，有效地，精准地消除非线性间隙。
作为优选方式，所述第一驱动单元2011和所述第二驱动单元2012通过互锁设备203连接。
通过在第一驱动单元和第二驱动单元之间设置互锁设备，使得第一驱动单元和第二驱动单元能够实现联动和互锁，即，当其中一个驱动单元发生故障而导致停止动作时，另一个驱动单元通过互锁设备的控制停止启动或运转，从而有效地避免了在发生故障时，负载的非线性间隙的调整出现错误的现象的发生，导致不但不会消除非线性间隙，反而会增大非线性间隙的可能。
较佳的，如图2所示，本发明的另一实施例提出了一种全消隙控制方法，通过上述消隙控制***进行控制，包括：
通过上位装置100的运算单元101将接收到的负载400的状态信息与预设信息比较获得偏差值，通过位置环控制单元102调节后获得位置环输出电流需求值，获得的所述位置环输出电流需求值如图3所示，所述位置环输出电流需求值输出到消隙控制单元103，通过消隙控制单元103处理后获得第一驱动单元2011的第一驱动单元电流需求值(如图4所示)，和第二驱动单元2012的第二驱动单元电流需求值(如图5所示)；
具体的，所述位置环输出电流、所述第一驱动单元电流需求值和所述第二驱动单元电流需求值之间的关系式为：
其中，i-位置环输出电流，im-第一电机和第二电机的额定电流，i1-第一驱动单元电流需求值，i2-第二驱动单元电流需求值。
当i+im＜im时，消隙控制单元103输出的第一驱动单元电流需求值为i1＝i+im；
当i+im＞im时，消隙控制单元103输出的第一驱动单元电流需求值为i1＝im，经消隙控制单元103调节后的第一驱动单元2011的电流曲线如图4所示。
当i-im＜-im时，消隙控制单元103输出的第二驱动单元2021电流需求值为i2＝-im；
当i-im＞-im时，消隙控制单元103输出的第二驱动单元2021电流需求值为i2＝i-im，经消隙控制单元调节后的第二驱动器2021的电流曲线如图5所示。
位置环控制单元电流需求值i与第一驱动单元电流需求值i1及第二驱动单元电流需求值i2之间的关系如图6所示。可以看出在通过位置环控制单元和消隙控制单元的共同作用下，在换向点及全范围内实现消隙功能，同时在负载电流需求较大时实现第一电机和第二电机共同驱动负载，不需要切换驱动单元的运行方式及判断偏置转矩切换点来改变偏置转矩的大小，实现了全范围消隙功能。
所述第一驱动单元电流需求值通过所述消隙控制单元103输出到第一驱动单元2011，驱动第一电机2012运转，将动力通过第一减速机2013传送到动力输出装置300；所述第二驱动单元电流需求值通过所述消隙控制单元103输出到第二驱动单元2021，驱动第二电机2022运转，将动力通过第二减速机2023传送到动力输出装置300；
所述动力输出装置300将动力输出到所述负载400；
所述负载400的状态信息反馈到所述上位装置100。
在上述闭环的消隙控制***上通过上述全消隙控制方法，对负载反馈的信号进行数据比较后自动为两个传动装置分配电流，从而消除非线性间隙，在负载运行过程中随时纠正了状态的偏差，改善了控制精度，提高了效率，操作方便。
作为优选方式，如图1所示，所述运算单元101通过编码器采集卡(图中未示)采集所述负载400的编码器信号获取所述状态信息。
负载的状态信息的采集无需复杂设备，可采用现有的编码器采集卡采集即可，节省了成本，简化了***结构。
作为优选方式，所述状态信息为所述负载400的角度或位置信息。
本消隙控制***和全消隙控制方法可以应用到日常生产的各个技术领域，因此，负载的状态信息也可以为负载的各种状态，例如，某种设备的动力输出端(如，武器的枪口、炮口，加工机床的刀具主轴等)偏转角度、移动位置、移动轨迹等，在本实施例中优选为测定、反馈并纠正负载的角度或位置信息。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种全消隙控制方法，其特征在于，包括：
通过上位装置的运算单元将接收到的负载的状态信息与预设信息比较获得偏差值，通过位置环控制单元输出到消隙控制单元，通过消隙控制单元处理后获得第一驱动单元的第一驱动单元电流需求值，和第二驱动单元的第二驱动单元电流需求值；
所述第一驱动单元电流需求值通过所述消隙控制单元输出到第一驱动单元，驱动第一电机运转，将动力通过第一减速机传送到动力输出装置；所述第二驱动单元电流需求值通过所述消隙控制单元输出到第二驱动单元，驱动第二电机运转，将动力通过第二减速机传送到动力输出装置；
所述动力输出装置将动力输出到所述负载；
所述负载的状态信息反馈到所述上位装置；
获得所述第一驱动单元电流需求值的方法包括：
所述偏差通过位置环控制单元调节后获得位置环输出电流需求值，所述位置环输出电流需求值通过消隙控制单元获得所述第一驱动单元电流需求值；
获得所述第二驱动单元电流需求值的方法包括：
所述偏差通过位置环控制单元调节后获得位置环输出电流需求值，所述位置环输出电流需求值通过消隙控制单元获得所述第二驱动单元电流需求值；
所述位置环输出电流需求值、所述第一驱动单元电流需求值和所述第二驱动单元电流需求值之间的关系式为：
其中，i-位置环输出电流，im-第一电机和第二电机的额定电流，i1-第一驱动单元电流需求值，i2-第二驱动单元电流需求值。
2.根据权利要求1所述的全消隙控制方法，其特征在于，
所述第一驱动单元电流需求值通过所述消隙控制单元输出到第一驱动单元，驱动第一电机运转，所述第一电机将第一电机运转电流值输送到所述第一驱动单元，并与所述第一驱动单元电流需求值比较，计算所述第一电机运转电流值和所述第一驱动单元电流需求值的第一偏差电流值，根据所述第一偏差电流值调整驱动所述第一电机的电流；
所述第二驱动单元电流需求值通过所述消隙控制单元输出到第二驱动单元，驱动第二电机运转，所述第二电机将第二电机运转电流值输送到所述第二驱动单元，并与所述第二驱动单元电流需求值比较，计算所述第二电机运转电流值和所述第二驱动单元电流需求值的第二偏差电流值，根据所述第二偏差电流值调整驱动所述第二电机的电流。
3.根据权利要求1所述的全消隙控制方法，其特征在于，
所述运算单元通过编码器采集卡采集所述负载的编码器信号获取所述状态信息。
4.根据权利要求3所述的全消隙控制方法，其特征在于，
所述状态信息为所述负载的角度或位置信息。
5.一种消隙控制***，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的全消隙控制方法，包括:互相连接的上位装置、传动装置、动力输出装置和负载；
所述上位装置接收所述负载的运行状态的反馈信号，并与所述上位装置中的预设信息比较，获得所述传动装置的电流需求值，并将所述电流需求值传送到所述传动装置，使得所述传动装置以指定的动力驱动所述动力输出装置，将所述动力输出到所述负载；
所述传动装置包括第一传动设备和第二传动设备，所述上位装置将接收到的所述负载的反馈信号，获得负载的状态信息，根据所述状态信息调节所述传动装置的电流需求值，并控制所述第一传动设备和所述第二传动设备的所述动力。
6.根据权利要求5所述的消隙控制***，其特征在于，
所述上位装置包括：
运算单元，用于接收所述反馈信号，并对接收到的所述预设信息及所述反馈信号进行运算，获得所述负载的状态信息的偏差值；
位置环控制单元，根据从所述运算单元接收到的所述负载的所述状态信息的偏差值，获得所述电流需求值；
消隙控制单元，接收所述位置环控制单元输出的所述电流需求值，通过所述电流需求值控制所述第一传动设备和所述第二传动设备的动力。
7.根据权利要求6所述的消隙控制***，其特征在于，
所述第一传动设备包括：第一驱动单元、第一电机和第一减速机，所述第一驱动单元根据从所述消隙控制单元接收到的所述电流需求值驱动所述第一电机运转，使得所述第一减速机获得动力，经过所述第一减速机变速后传送到所述动力输出装置；
所述第二传动设备包括：第二驱动单元、第二电机和第二减速机，所述第二驱动单元根据从所述消隙控制单元接收到的所述电流需求值驱动所述第二电机运转，使得所述第二减速机获得动力，经过所述第二减速机变速后传送到所述动力输出装置；
所述第一电机和所述第二电机的功率相同。
8.根据权利要求7所述的消隙控制***，其特征在于，
所述第一驱动单元和所述第二驱动单元通过互锁设备连接。
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