CN115603630A - 伺服电机高精度场合下参考零点的快速确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服电机高精度场合下参考零点的快速确定方法，控制伺服电机快速正向转动，选择一个读数头捕捉圆光栅的零点刻线，捕捉到圆光栅的零点刻线后产生一个计数信号，在每个伺服中断对计数信号进行检测，当检测到的计数信号发生变化后，此时圆光栅的零点刻线位置作为粗略参考零点位置；同时停止伺服电机转动，并将伺服电机反向转动至粗略参考零点位置，再继续反向转动一个调节角度后停止，控制伺服电机慢速正向转动，再次捕捉到圆光栅零点刻线后计数信号发生变化，此时圆光栅零点刻线即为参考零点精确位置。本发明在以多读数头和增量式圆光栅为反馈的精密伺服***中，能快速确定伺服电机的参考零点，同时确定的参考零点精度高。

Description

伺服电机高精度场合下参考零点的快速确定方法

技术领域

本发明属于精密机电控制技术领域，具体涉及一种伺服电机高精度场合下参考零点的快速确定方法。

背景技术

电机运动需要利用编码器记录电机的实际位置信息，而编码器分为绝对式编码器和增量式编码器，绝对式编码器通常由两部分完整的圆周结构组成，体积相对较大，且无法通过其他方法减少由于安装偏心等问题引起的测角误差，因此在精密伺服控制场合，通常使用增量式编码器。高精度的增量式编码器通常由圆光栅盘和读数头组成，可以通过多读数头圆周均布安装的方式消除安装等问题引起的低阶测角误差，从而提高位置反馈信息的准确性。但读数头只能记录电机运动的相对距离，每次上电后都需要首先找寻到绝对参考零点位置才能记录电机的实际位置，因此每次参考零点位置找寻的准确性直接影响电机后续定位的精度。

参考零点位置的找寻通常由硬件进行触发，捕获方式分为软件捕获和硬件捕获。硬件捕获通过设置硬件寄存器，在硬件触发的同时将此刻的角度信息记录到寄存器中，并以此作为参考零点位置，这种零点位置找寻方式精度高，但仅适用于单读数头反馈的场合，因为硬件寄存器只能存储用于触发零点位置所使用的读数头所记录的角度信息，而实际反馈使用的角度为多个读数头角度信息的平均值，上电位置不同则二者的差值也不同，从而导致参考零点位置出现较大偏差。软件捕获通过设置伺服周期，在每个伺服中断对触发信号进行检测，当检测到触发信号后以当前伺服中断时刻采集到的多读数头平均值作为参考零点位置，这种零点位置找寻方式可以用于多读数头反馈的场合，但零点位置找寻精度受伺服频率和找寻时的转速影响，快速找寻则精度不高，慢速找寻则可能花费大量时间。因此，以上两种方式无法满足高精度场合下参考零点快速找寻的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题便是针对上述现有技术的不足，提供一种伺服电机高精度场合下参考零点的快速确定方法，它适用于多读数头和圆光栅为反馈组成的伺服***，能在保证参考零点精度的同时提高找寻参考零点的效率。

本发明所采用的技术方案是：一种伺服电机高精度场合下参考零点的快速确定方法，包括圆光栅和圆光栅下方沿其圆周均匀设置的数个读数头，所述圆光栅上设有零点刻线，包括以下步骤：

步骤1：在闭环状态下，控制伺服电机快速正向转动，选择一个读数头捕捉圆光栅的零点刻线，首次捕捉到圆光栅的零点刻线后产生一个计数信号，再次捕捉到圆光栅的零点刻线后计数信号发生变化，控制器在每个伺服中断对计数信号进行检测，当检测到的计数信号发生变化后，此时圆光栅的零点刻线位置作为伺服电机的粗略参考零点位置；

步骤2：检测到计数信号发生变化后，停止伺服电机转动，并在伺服电机静止后控制伺服电机反向转动至圆光栅的零点刻线位于粗略参考零点位置，再次控制伺服电机反向转动一个调节角度，转动的调节角度的角度值大于一次伺服中断圆光栅的零点刻线转动的角度增量值；

步骤3：控制伺服电机慢速正向转动进行圆光栅零点刻线的第二次捕捉，再次捕捉到圆光栅的零点刻线后计数信号发生变化，此次伺服中断时的圆光栅的零点刻线位置即为参考零点精确位置。

作为优选，每次伺服中断圆光栅的零点刻线转动的角度增量值为多个读数头采集的角度增量值的平均值。

作为优选，所述计数信号根据伺服电机的转动方向在经过设定为捕捉零点刻线的读数头时进行加一或减一的操作。

作为优选，步骤3中的慢速正向转动采用伺服电机在伺服控制下拥有较好动静态性能时的最低速度，记为性能最低速度。

作为优选，步骤2中的调节角度根据性能最低速度来设置。

本发明在以多读数头和增量式圆光栅为反馈的精密伺服***中，能够满足伺服电机参考零点位置的找寻需求，具有简单、高效、实用等特点，在保证了参考零点位置找寻准确性的同时，缩短了参考零点找寻过程所花费的时间，解决了参考零点找寻过程中速度快则精度低、精度高则速度慢的问题。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明多读数头的增量式圆光栅反馈***示意图。

图中：1、圆光栅；2、读数头；3、零点刻线。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明提供的伺服电机高精度场合下参考零点的快速确定方法，包括圆光栅1和圆光栅1下方沿其圆周均匀设置的数个读数头2，所述圆光栅1上设有零点刻线3；

上述方法包括以下步骤：

步骤1：在闭环状态下，控制伺服电机快速正向转动，并选择一个读数头2捕捉圆光栅1的零点刻线3，首次捕捉到圆光栅1的零点刻线3后产生一个计数信号，记为m，再次捕捉到圆光栅1的零点刻线3后计数信号m发生变化；本实施例中伺服电机正向转动再次捕捉到圆光栅1的零点刻线3后计数信号加1，记为m+1；反向转动捕捉到圆光栅1的零点刻线3后计数信号减1，记为m-1；

控制器在每个伺服中断对计数信号进行检测，伺服中断即为一个伺服周期，是控制器的扫描处理周期；伺服周期开始至结束这个过程即为伺服中断，伺服中断过程中读数头2采集到的读数值，即是圆光栅1的零点刻线3在伺服中断开始时至伺服中断结束时转动的角度值，即是一个伺服周期产生的角度增量值；为了消除读数头2测角误差中的低阶误差，将多个读数头2采用圆周均布的方式设置；同时为了提高读数头2角度反馈信息的准确性，每次伺服中断采集的角度增量值反馈信息为多个读数头2采集的角度值增量值的平均值；

当检测到计数信号发生变化后，此次伺服中断结束时圆光栅1的零点刻线3的位置作为伺服电机的粗略参考零点位置；即检测到计数信号发生变化后，将此次伺服中断采集到的角度增量值作为伺服电机的参考零点粗略值，参考零点粗略值即认为是此时圆光栅的零点刻线与伺服电机的参考零点之间的误差角度；

步骤1的主要目的是以较快的速度转动伺服电机，从而能快速找到伺服电机参考零点的粗略位置；因为采用较快的速度旋转，从而伺服电机转动360°所需要的时间较短；从而首次捕捉到圆光栅1的零点刻线3时，产生一个计数信号，再次捕捉到圆光栅1的零点刻线3时，计数信号发生变化；在实际应用中，计数信号原始存在于控制器中，当圆光栅的零点刻线被用于捕捉的读数头检测到后，计数信号就会发生计数变化；计数信号发生变化时，认为伺服电机在计数信号发生变化时圆光栅的零点刻线经过了参考零点，从而可认为参考零点位于计数信号发生变化的伺服周期内，即位于此次伺服周期中伺服电机转动过的角度范围内，本发明将计数信号发生变化的伺服周期采集到的角度增量值作为伺服电机的参考零点粗略值，这个参考零点粗略值即为寻找参考零点定位误差的最大误差值，从而快速的确定了伺服电机参考零点所在的大致范围；

步骤2：检测到计数信号发生变化后，控制伺服电机停机，伺服电机停机时至伺服电机静止时，伺服电机会产生一个停机转动角度，因此在伺服电机停机后，需要将伺服电机进行反向转动，使伺服电机转动至圆光栅1的零点刻线3位于粗略参考零点位置，即通过转动伺服电机将圆光栅的零点刻线转动至参考零点粗略值所在的位置；

为了保证找寻到的参考零点的高精度，因此需要确定伺服电机在伺服控制下拥有较好动静态性能的最低速度，记为性能最低速度，此速度可在开始找寻前就确定；针对不同的伺服控制***，性能最低速度均不相同，其是根据伺服***中调节稳定后的各项参数决定；

根据性能最低速度确定一个调节角度，同时为了缩短确定参考零点的时间，可以选择以性能最低速度1s所经过的角度作为调节角度，选择的调节角度只需要保证其大于一个伺服周期内伺服电机转动的角度，即调节角度大于一个伺服周期内圆光栅的零度刻线转动的角度，若以性能最低速度1s所经过的角度小于一个伺服周期内伺服电机转动的角度，则可以选择2s、3s，以此类推，直至选择的调节角度只需要保证其大于一个伺服周期内伺服电机转动的角度；

步骤3：圆光栅1的零点刻线3位于粗略参考零点位置后再次反向转动一个调节角度，转动的调节角度大于一个伺服中断内伺服电机转动的角度，是为了保证圆光栅1的零点刻线3从参考零点定位误差的最大误差值位置在反向转动一个调节角度后，使圆光栅1的零点刻线3位于计数信号发生改变后的伺服中断的起点外；

步骤4：再次以性能最低速度正向转动伺服电机进行圆光栅1的零点刻线3的第二次捕捉，即采用性能最低速度在调节角度后的圆光栅1零点刻线3位置与参考零点定位误差的最大误差值位置之间找寻伺服电机的参考零点，即有效缩短了参考零点的找寻范围，从而有效提高了找寻的效率；即是通过在较小的范围内，以性能最低速度启动伺服电机，在以步骤1相同的伺服频率下，每次伺服周期转动的角度值微小，从而提高找寻参考零点的精度；同样在每次伺服中断对计数信号进行检测，当再次捕捉到圆光栅1零点刻线3后计数信号发生变化，此时圆光栅1零点刻线3即为参考零点精确位置，因此，检测到计数信号发生变化后的此次伺服周期采集到的角度增量值为伺服电机参考零点精确值，伺服电机参考零点精确值即是较高精度下圆光栅的零度刻线与参考零点之间的最大角度误差，再实际应用中，找寻出来的最大角度误差与参考零点的位置无限接近，因此，可将此角度误差值所在位置认定为伺服电机的参考零点位置。

实施例：

如图2所示，采用四个圆周均布的读数头2，以顶部读数头2作为捕捉圆光栅1的零点刻线3的读数头2，当光栅零点刻线3首次经过顶部的读数头2上方探测区域时，顶部的读数头2产生计数信号m，再次经过顶部的读数头2上方探测区域时，顶部的读数头2产生计数信号m-1；本实施例设置伺服***的工作频率为10KHz，即两个伺服中断的间隔时间为0.1ms，因此在每个伺服中断对计数信号进行检测，即每隔0.1ms对计数信号进行检测；

伺服电机按照60°/s的速度进行逆时针转动，当计数信号与0.1ms前的计数信号不相同时，将此次伺服周期采集的角度增量值的平均值作为电机的参考零点粗略值；

忽略伺服电机的加减速时间，参考零点粗略值的寻找时间最大值为：

计数信号发生变化的伺服周期采集到的角度增量值作为伺服电机的参考零点粗略值，参考零点粗略值即为寻找参考零点定位误差的最大误差值，参考零点找寻位置的最大误差值为：

本实施例中性能最低速度为1°/s，选择以性能最低速度1s内转动的角度作为调节角度，即调节角度为1°，大于参考零点找寻位置的最大误差值0.006°；

因此，将伺服电机顺时针转动至粗略参考零点位置后，再次顺时针转动1°，然后伺服电机以1°/s的速度逆时针转动；

同样以每隔0.1ms对计数信号进行检测，开始第二次对圆光栅1的零点刻线3进行捕捉，即第二次找寻电机参考零点，第二次零点找寻时间固定为：

第二次零点找寻的位置误差最大值为：

传统的参考零点找寻方法需要达到第二次参考零点位置的精度，所需时间为：

而传统快速找寻参考零点的方式即为步骤1，本发明相较于传统快速找寻参考零点的方式，其在增加极短的找寻时间后，在本实施例中为1s，伺服电机参考零点位置找寻的精度提高了60倍。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种伺服电机高精度场合下参考零点的快速确定方法，包括圆光栅和圆光栅下方沿其圆周均匀设置的数个读数头，所述圆光栅上设有零点刻线，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在闭环状态下，控制伺服电机快速正向转动，选择一个读数头捕捉圆光栅的零点刻线，首次捕捉到圆光栅的零点刻线后产生一个计数信号，再次捕捉到圆光栅的零点刻线后计数信号发生变化，控制器在每个伺服中断对计数信号进行检测，当检测到的计数信号发生变化后，此时圆光栅的零点刻线位置作为伺服电机的粗略参考零点位置；

步骤2：检测到计数信号发生变化后，停止伺服电机转动，并在伺服电机静止后控制伺服电机反向转动至圆光栅的零点刻线位于粗略参考零点位置，再次控制伺服电机反向转动一个调节角度，转动的调节角度的角度值大于一次伺服中断圆光栅的零点刻线转动的角度增量值；

步骤3：控制伺服电机慢速正向转动进行圆光栅零点刻线的第二次捕捉，再次捕捉到圆光栅的零点刻线后计数信号发生变化，此次伺服中断时的圆光栅的零点刻线位置即为参考零点精确位置。

2.根据权利要求1所述的伺服电机高精度场合下参考零点的快速确定方法，其特征在于，每次伺服中断圆光栅的零点刻线转动的角度增量值为多个读数头采集的角度增量值的平均值。

3.根据权利要求1或2所述的伺服电机高精度场合下参考零点的快速确定方法，其特征在于，所述计数信号根据伺服电机的转动方向在经过设定为捕捉零点刻线的读数头时进行加一或减一的操作。

4.根据权利要求3所述的伺服电机高精度场合下参考零点的快速确定方法，其特征在于，步骤3中的慢速正向转动采用伺服电机在伺服控制下拥有较好动静态性能时的最低速度，记为性能最低速度。

5.根据权利要求4所述的伺服电机高精度场合下参考零点的快速确定方法，其特征在于，步骤2中的调节角度根据性能最低速度来设置。

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