CN116436343A - 一种基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法及*** - Google Patents

一种基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法及***，涉及电机技术领域，包括：实时检测两个电机的负载状态和转速；在两个电机的负载相同时，获取两个电机的相对角度位置关系，以作为初始相对角度位置关系；当其中一个齿轮脱离齿圈时，对低载电机施加第一偏置电流以降低转速，同时对高载电机施加第二偏置电流以增加转矩，直至低载电机与高载电机的转速相同且相对角度位置关系恢复至初始相对角度位置关系。如此，通过第一偏置电流与第二偏置电流的作用，能够同时调节两个电机的运行状态，以控制两个电机的转速，纠正低载电机相对于高载电机的角度位移，使齿轮在经过齿圈的缺口部分后顺利地重新与齿圈形成稳定啮合，防止出现碰撞事故。

Description

一种基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法及***
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法。本发明还涉及一种基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制***。
背景技术
随着管道焊接技术的不断发展，推动了管道自动化焊接技术和设备的不断进步。
目前，市面上出现了部分自动控制的管道焊接小车，在进行焊接作业时，只需将焊接小车在管道上固定好，然后利用焊接小车上的旋转机构带动焊枪等部件围绕管道进行周向旋转，以调整焊枪的角度位置，能够实现多角度、多方位的自动焊接作业。其中，部分焊接小车上的旋转机构为单电机齿轮齿圈传动机构，即单个电机驱动齿轮旋转，再通过齿轮与齿圈之间的啮合，带动焊枪进行旋转。然而，由于管道一般首尾连贯，导致齿圈不能设置为完整的圆环形齿圈，而是具有缺口的非整齿圈，以便卡在管道上，便于整个焊接小车的安装和拆卸，因此，当单个电机驱动齿轮进行旋转并到达齿圈的缺口时，齿轮无法继续旋转，导致焊枪无法继续进行作业，必须将焊接小车从管道上拆卸后重新卡好，调整固定角度位置后再重新进行焊接作业，如此造成单电机齿轮齿圈传动机构往往只能一次驱动焊枪旋转有限的角度，无法实现对管道上的环形焊缝进行连续焊接作业。
作为改进，现有技术中出现了双电机齿轮齿圈传动机构，如图1所示，在焊接小车的旋转机构上同时设置有两个电机，分别为电机A和电机B，两个电机的输出轴上均连接有齿轮，且安装在焊接小车上的固定齿圈为具有缺口的非整齿圈。如此，在焊接作业过程中，旋转机构在旋转时，两个电机都会先后经过齿圈的开口部分，比如旋转机构逆时针旋转时，在初始阶段，电机A和电机B均与齿圈形成啮合；当旋转机构旋转一定角度后，电机A脱离齿圈，并进入到齿圈的缺口部分，对应的齿轮空转，不与齿圈啮合，此时仅电机B还与齿圈保持啮合；当旋转机构继续旋转时，电机A旋转到齿圈的缺口的另一端，重新与齿圈恢复啮合，直至电机B也脱离齿圈；当旋转结构再继续旋转时，电机B也渡过齿圈的缺口部分而重新与齿圈恢复啮合，直到两个电机均旋转到初始位置，焊接过程完毕，实现了焊枪的360°旋转运动。
然而，现有技术中的焊接小车上的双电机齿轮齿圈传动机构，虽然能够实现焊枪的360°旋转，但在一个齿轮从齿圈的缺口部分过渡到具有齿牙的实体部分时，由于另一个齿轮仍然与齿轮保持啮合，具有特定的啮合状态，比如特定的转速、特定的角度位置等，而第一个齿轮在齿圈的缺口部分时因电机的运行状态发生变化可能造成转速、角度位置等参数与另一个齿轮的状态不同，导致无法顺利与齿圈的实体部分重新形成稳定啮合，期间可能会出现撞齿、卡齿、振动等碰撞事故。
因此，如何使齿轮在经过齿圈的缺口部分后能够重新与齿圈形成稳定啮合，防止出现碰撞事故，是本领域技术人员面临的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法，能够使齿轮在经过齿圈的缺口部分后能够重新与齿圈形成稳定啮合，防止出现碰撞事故。本发明的另一目的是提供一种基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制***。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法，包括：
实时检测两个电机的负载状态和转速；
在两个所述电机的负载相同时，获取两个所述电机的相对角度位置关系，以作为初始相对角度位置关系；
当其中一个齿轮脱离齿圈时，对低载电机施加第一偏置电流以降低转速，同时对高载电机施加第二偏置电流以增加转矩，直至所述低载电机与所述高载电机的转速相同且相对角度位置关系恢复至所述初始相对角度位置关系；
其中，当前脱离所述齿圈的齿轮所对应的电机为所述低载电机，当前的另一个齿轮所对应的电机为高载电机；所述第一偏置电流与所述第二偏置电流的方向相反。
优选地，对低载电机施加第一偏置电流，具体包括：
通过公式：
Figure SMS_1
计算第一偏置电流，并对所述低载电机施加所述第一偏置电流；
其中，I1为第一偏置电流，Ib为偏置电流常数，v1为低载电机的实时负载检测值，v0为两个齿轮均与齿圈形成啮合时的两个电机的均衡负载。
优选地，对高载电机施加第二偏置电流，具体包括：
通过公式：
Figure SMS_2
计算第二偏置电流，并对所述高载电机施加所述第二偏置电流；
其中，I2为第二偏置电流，Ib为偏置电流常数，v2为高载电机的实时负载检测值，v0为两个齿轮均与齿圈形成啮合时的两个电机的均衡负载。
优选地，实时检测两个电机的负载状态，具体包括：
通过分别设置在两个所述电机上的负载传感器实时检测各自对应的所述电机的负载状态。
优选地，实时检测两个电机的转速，具体包括：
通过分别内置于两个所述电机中的测速器实时检测各自对应的所述电机的转速。
优选地，获取两个所述电机的相对角度位置关系，具体包括：
通过分别设置在两个所述电机上的绝对值编码器检测各自对应的所述电机的转轴初始角度，再计算两个所述转轴初始角度的差值。
本发明还提供一种基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制***，包括：
第一检测模块，用于实时检测两个电机的负载状态；
第二检测模块，用于实时检测两个电机的转速；
第三检测模块，用于在两个所述电机的负载相同时，获取两个所述电机的相对角度位置关系，以作为初始相对角度位置关系；
控制模块，用于当其中一个齿轮脱离齿圈时，对低载电机施加第一偏置电流以降低转速，同时对高载电机施加第二偏置电流以增加转矩，直至所述低载电机与所述高载电机的转速相同且相对角度位置关系恢复至所述初始相对角度位置关系；
其中，当前脱离所述齿圈的齿轮所对应的电机为所述低载电机，当前的另一个齿轮所对应的电机为高载电机；所述第一偏置电流与所述第二偏置电流的方向相反。
优选地，所述控制模块包括：
第一电流控制器，用于对所述低载电机施加第一偏置电流；
第二电流控制器，用于对所述高载电机施加第二偏置电流。
优选地，所述控制模块还包括：
第一速度控制器，用于控制所述低载电机的转速；
第二速度控制器，用于控制所述高载电机的转速。
优选地，所述第一检测模块具体为设置在各所述电机上的负载传感器，所述第二检测模块具体为内置于各所述电机中的测速器，所述第三检测模块具体包括设置于各所述电机上的绝对值编码器以及与各所述绝对值编码器信号连接的差值计算器。
本发明所提供的基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法，主要包括三个步骤，其中，在第一步中，主要内容为实时检测两个电机的负载状态和转速，以判断两个电机的运行状态和两个齿轮的旋转状态。在第二步中，主要内容为在检测到两个电机的负载相同时，获取两个电机的相对角度位置关系，以作为初始相对角度位置关系。由于电机的负载在齿轮与齿圈啮合时以及在齿轮空转时是不同的，因此仅有当两个齿轮均与齿圈形成啮合的状态，两个电机的负载才可能相同，此时两个电机共同驱动焊接小车的旋转机构进行旋转，两个齿轮同步旋转，且两个电机的相对角度位置关系保持稳定，即两个电机的转轴的转动角度差是恒定的。在第三步中，当其中一个齿轮脱离齿圈时，说明该齿轮进入到齿圈的缺口部分中，而此时另一个齿轮仍与齿圈保持啮合，当前，脱离齿圈的齿轮所对应的电机为低载电机，而另一个仍然与齿圈保持啮合的齿轮所对应的电机为高载电机——由于低载电机的齿轮进入空转状态，而高载电机的齿轮仍然与齿圈保持啮合，因此齿圈的全部负载均转移到高载电机上，而低载电机几乎无负载，如此将造成两个齿轮的旋转状态发生变化。而本步骤的主要内容为对低载电机施加第一偏置电流，同时对高载电机施加第二偏置电流，该第一偏置电流与第二偏置电流的方向相反，且第一偏置电流主要用于降低低载电机的转速、控制电机转轴的旋转位置，进而降低处于空转状态的齿轮的转速；第二偏置电流主要用于增加高载电机的转矩，以使高载电机适应增大的负载，保证与齿圈啮合的齿轮的转速稳定。如此通过第一偏置电流与第二偏置电流的作用，能够同时调节两个电机的运行状态和两个齿轮的旋转状态，以控制两个电机的转速，纠正低载电机相对于高载电机的角度位移，直至低载电机与高载电机的转速相同且相对角度位置关系恢复至初始相对角度位置关系时，即可使位于齿圈缺口部分的齿轮的旋转状态，跟与完整齿圈在相同部位形成正常啮合的齿轮的旋转状态没有区别，整体而言，相当于复现了两个齿轮在完整齿圈上稳定啮合传动的旋转状态，因此自然能够使齿轮在经过齿圈的缺口部分后顺利地重新与齿圈形成稳定啮合，防止出现碰撞事故。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的一种焊接小车的360°旋转作业的结构示意图。
图2为本发明所提供的一种具体实施方式的方法流程图。
图3为本发明所提供的一种具体实施方式的***模块图。
其中，图3中：
第一检测模块—1，第二检测模块—2，第三检测模块—3，控制模块—4。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图2，图2为本发明所提供的一种具体实施方式的方法流程图。
在本发明所提供的一种具体实施方式中，基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法主要包括三个步骤，分别为：
S1、实时检测两个电机的负载状态和转速；
S2、在两个电机的负载相同时，获取两个电机的相对角度位置关系，以作为初始相对角度位置关系；
S3、当其中一个齿轮脱离齿圈时，对低载电机施加第一偏置电流以降低转速，同时对高载电机施加第二偏置电流以增加转矩，直至低载电机与高载电机的转速相同且相对角度位置关系恢复至初始相对角度位置关系；
其中，当前脱离齿圈的齿轮所对应的电机为低载电机，当前的另一个齿轮所对应的电机为高载电机；第一偏置电流与第二偏置电流的方向相反。
在步骤S1中，主要内容为实时检测两个电机的负载状态和转速，以判断两个电机的运行状态和两个齿轮的旋转状态。一般的，由于齿轮固定连接在电机的转轴上，因此，电机的转速即为齿轮的转速，电机的角度位置即为齿轮的角度位置。
为便于实时地检测两个电机的负载状态，本实施例中，分别通过设置在两个电机上的负载传感器实时检测各自对应的电机的负载状态，如此实现负载传感器与电机负载的一对一单独检测。一般的，负载传感器主要通过获取电机的实时功率实现实时负载检测。
同理，为便于实现对两个电机的转速检测，本实施例中，分别通过内置于两个电机中的测速器实时检测各自对应的电机的转速，如此实现测速器与电机的一对一单独检测。一般的，测速器具体可采用光反射法、磁电法、光栅法、霍尔开关检测法等原理检测电机的转轴的旋转速度。
在步骤S2中，主要内容为在检测到两个电机的负载相同时，获取两个电机的相对角度位置关系，以作为初始相对角度位置关系。
由于电机的负载在齿轮与齿圈啮合时以及在齿轮空转时是不同的，因此仅有当两个齿轮均与齿圈形成啮合的状态，两个电机的负载才可能相同，此时两个电机共同驱动焊接小车的旋转机构进行旋转，两个齿轮同步旋转，且两个电机的相对角度位置关系保持稳定，即两个电机的转轴的转动角度差是恒定的。
一般的，可将两个齿轮均与齿圈形成啮合时的稳定传动状态作为初始状态，在初始状态下，两个电机的工作状态理论上趋于完全一致，电机的转速完全相同，且电机的位置始终保持一定的相对位置关系——该电机的位置并非指两个电机在焊接小车的行走轨迹圆上的物理位置，而是指电机的转轴的旋转角度位置：比如在初始状态下，其中一个电机的转轴处于90°角度位置，而另一个电机的转轴处于180°角度位置，则当其中一个电机的转轴旋转至390°角度位置，且另一个电机的转轴处于480°角度位置时，两个电机的相对角度位置关系与初始状态下的初始相对角度位置关系是相同的。
为精确获取两个电机的相对角度位置关系，本实施例中，利用绝对值编码器对电机的转轴的旋转状态进行精确检测，两个电机上分别设置有绝对值编码器，以监控电机转轴的实时旋转角度，从而在初始状态下时，利用两个绝对值编码器分别检测两个电机的转轴初始角度，然后将检测到的两个电机的转轴初始角度进行做差计算即可。而在后续的焊接作业过程中，两个绝对值编码器持续监测两个电机的转轴的角度位置，以便时刻掌握两个电机的相对角度位置关系。
在步骤S3中，当其中一个齿轮脱离齿圈时，说明该齿轮进入到齿圈的缺口部分中，而此时另一个齿轮仍与齿圈保持啮合，当前，脱离齿圈的齿轮所对应的电机为低载电机，而另一个仍然与齿圈保持啮合的齿轮所对应的电机为高载电机——由于低载电机的齿轮进入空转状态，而高载电机的齿轮仍然与齿圈保持啮合，因此齿圈的全部负载均转移到高载电机上，而低载电机几乎无负载，如此将造成两个齿轮的旋转状态发生变化。而本步骤的主要内容为对低载电机施加第一偏置电流，同时对高载电机施加第二偏置电流，该第一偏置电流与第二偏置电流的方向相反，且第一偏置电流主要用于降低低载电机的转速、控制电机转轴的旋转位置，进而降低处于空转状态的齿轮的转速；第二偏置电流主要用于增加高载电机的转矩，以使高载电机适应增大的负载，保证与齿圈啮合的齿轮的转速稳定。
如此，本实施例所提供的基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法，通过第一偏置电流与第二偏置电流的作用，能够同时调节两个电机的运行状态和两个齿轮的旋转状态，以控制两个电机的转速，纠正低载电机相对于高载电机的角度位移，直至低载电机与高载电机的转速相同且相对角度位置关系恢复至初始相对角度位置关系时，即可使位于齿圈缺口部分的齿轮的旋转状态，跟与完整齿圈在相同部位形成正常啮合的齿轮的旋转状态没有区别，整体而言，相当于复现了两个齿轮在完整齿圈上稳定啮合传动的旋转状态，因此自然能够使齿轮在经过齿圈的缺口部分后顺利地重新与齿圈形成稳定啮合，防止出现碰撞事故。
进一步的，在步骤S3中，在对低载电机施加第一偏置电流时，根据齿轮啮合消隙原理，本实施例具体通过公式：
Figure SMS_3
计算第一偏置电流的具体值，然后再据此对低载电机施加偏置电流。
同时，在步骤S3中，在对高载电机施加第二偏置电流时，根据齿轮啮合消隙原理，本实施例具体通过公式：
Figure SMS_4
计算第二偏置电流的具体值，然后再据此对高载电机施加偏置电流。
其中，I1为第一偏置电流，I2为第二偏置电流，Ib为偏置电流常数，v1为低载电机的实时负载检测值，v2为高载电机的实时负载检测值，v0为两个齿轮均与齿圈形成啮合时的两个电机的均衡负载。
如图3所示，图3为本发明所提供的一种具体实施方式的***模块图。
本实施例还提供一种基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制***，主要包括第一检测模块1、第二检测模块2、第三检测模块3和控制模块4。
其中，第一检测模块1主要用于实时检测两个电机的负载状态，比如通过设置在各电机上的负载传感器实时检测两个电机的功率等。
第二检测模块2主要用于实时检测两个电机的转速，比如通过内置于各电机中的测速器实时检测两个电机的转轴的旋转速度等。
第三检测模块3主要用于在两个电机的负载相同时，获取两个电机的相对角度位置关系，以作为初始相对角度位置关系，比如通过设置在各电机上的绝对值编码获取两个电机的转轴角度值，再通过差值计算器对两个转轴角度值进行差值计算等。
控制模块4主要用于当其中一个齿轮脱离齿圈时，对低载电机施加第一偏置电流以降低转速，同时对高载电机施加第二偏置电流以增加转矩，直至低载电机与高载电机的转速相同且相对角度位置关系恢复至初始相对角度位置关系；其中，当前脱离齿圈的齿轮所对应的电机为低载电机，当前的另一个齿轮所对应的电机为高载电机；第一偏置电流与第二偏置电流的方向相反。
一般的，为便于对两个电机分别施加偏置电流，本实施例中，控制模块4主要包括第一电流控制器、第二电流控制器。其中，第一电流控制器主要用于根据计算出的第一偏置电流值对低载电机施加偏置电流，而第二电流控制器主要用于根据计算出的第二偏置电流值对高载电机施加偏置电流。
此外，为便于精确控制两个电机的转速和角度位置，本实施例中，控制模块4还包括第一速度控制器和第二速度控制器。其中，第一速度控制器主要用于微调修正低载电机的转速，以辅助控制低载电机的转速和角度位置，而第二速度控制器主要用于微调修正高载电机的转速，以辅助控制高载电机的转速和角度位置。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法，其特征在于，包括：
实时检测两个电机的负载状态和转速；
在两个所述电机的负载相同时，获取两个所述电机的相对角度位置关系，以作为初始相对角度位置关系；
当其中一个齿轮脱离齿圈时，对低载电机施加第一偏置电流以降低转速，同时对高载电机施加第二偏置电流以增加转矩，直至所述低载电机与所述高载电机的转速相同且相对角度位置关系恢复至所述初始相对角度位置关系；
其中，当前脱离所述齿圈的齿轮所对应的电机为所述低载电机，当前的另一个齿轮所对应的电机为高载电机；所述第一偏置电流与所述第二偏置电流的方向相反。
2.根据权利要求1所述的基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法，其特征在于，对低载电机施加第一偏置电流，具体包括：
通过公式：
Figure QLYQS_1
；
计算第一偏置电流，并对所述低载电机施加所述第一偏置电流；
其中，I1为第一偏置电流，Ib为偏置电流常数，v1为低载电机的实时负载检测值，v0为两个齿轮均与齿圈形成啮合时的两个电机的均衡负载。
3.根据权利要求2所述的基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法，其特征在于，对高载电机施加第二偏置电流，具体包括：
通过公式：
Figure QLYQS_2
；
计算第二偏置电流，并对所述高载电机施加所述第二偏置电流；
其中，I2为第二偏置电流，Ib为偏置电流常数，v2为高载电机的实时负载检测值，v0为两个齿轮均与齿圈形成啮合时的两个电机的均衡负载。
4.根据权利要求1所述的基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法，其特征在于，实时检测两个电机的负载状态，具体包括：
通过分别设置在两个所述电机上的负载传感器实时检测各自对应的所述电机的负载状态。
5.根据权利要求1所述的基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法，其特征在于，实时检测两个电机的转速，具体包括：
通过分别内置于两个所述电机中的测速器实时检测各自对应的所述电机的转速。
6.根据权利要求1所述的基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制方法，其特征在于，获取两个所述电机的相对角度位置关系，具体包括：
通过分别设置在两个所述电机上的绝对值编码器检测各自对应的所述电机的转轴初始角度，再计算两个所述转轴初始角度的差值。
7.一种基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制***，其特征在于，包括：
第一检测模块，用于实时检测两个电机的负载状态；
第二检测模块，用于实时检测两个电机的转速；
第三检测模块，用于在两个所述电机的负载相同时，获取两个所述电机的相对角度位置关系，以作为初始相对角度位置关系；
控制模块，用于当其中一个齿轮脱离齿圈时，对低载电机施加第一偏置电流以降低转速，同时对高载电机施加第二偏置电流以增加转矩，直至所述低载电机与所述高载电机的转速相同且相对角度位置关系恢复至所述初始相对角度位置关系；
其中，当前脱离所述齿圈的齿轮所对应的电机为所述低载电机，当前的另一个齿轮所对应的电机为高载电机；所述第一偏置电流与所述第二偏置电流的方向相反。
8.根据权利要求7所述的基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制***，其特征在于，所述控制模块包括：
第一电流控制器，用于对所述低载电机施加第一偏置电流；
第二电流控制器，用于对所述高载电机施加第二偏置电流。
9.根据权利要求8所述的基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制***，其特征在于，所述控制模块还包括：
第一速度控制器，用于控制所述低载电机的转速；
第二速度控制器，用于控制所述高载电机的转速。
10.根据权利要求9所述的基于非整齿圈双齿轮啮合机构的电机控制***，其特征在于，所述第一检测模块具体为设置在各所述电机上的负载传感器，所述第二检测模块具体为内置于各所述电机中的测速器，所述第三检测模块具体包括设置于各所述电机上的绝对值编码器以及与各所述绝对值编码器信号连接的差值计算器。
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