CN100477481C - 采用电机实现精确定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用电机实现精确定位的方法，采用以下步骤：系统进行多次校准运行，每次主控制单元控制电机从高速运行直接刹车制动，数据存储单元存储电机从刹车制动开始到完全停止时运转的误差圈数，其中，误差圈数的计算步骤具体为：在系统校准运行的过程中，主控制单元控制电机分别在转速一、转速二、转速三下运行多次，数据存储单元存储不同转速下的平均误差圈数，即平均误差圈数一、平均误差圈数二、平均误差圈数三；主控制单元控制系统正常运行，当主控制单元检测到电机已运行的圈数距离指定圈数相差误差圈数时，主控制单元控制电机刹车制动。上述电机为直流无刷电机。本发明工作效率高、成本低、可靠性高。

Description

采用电机实现精确定位的方法

技术领域

本发明涉及一种采用电机实现精确定位的方法，尤其涉及一种在负载低变化率的场合应用电机实现精确定位的方法。

背景技术

在很多工业应用中，都有使用电机进行精确定位的需求。很多情况下，负载比较固定，例如，直接以圈数控制参数的加工设备，如电子元器件行业中的绕线式电阻、绕线式电感、变压器、线圈、音圈、电解电容等，需要在相同型号的工件上绕制一定圈数的铜线或其它材质；又如，以长度为控制参数的加工设备，如造纸行业需要把成圈的纸裁减成合适的相同长度；再如，医药、饮料行业需要液体的定量罐装设备等。

现有技术中，主要采用两种方案来解决上述情况的定位需求。

其中一种方案是使用步进电机进行控制，步进电机的步距角一般小于1.8度，即1/200圈，这种方案定位精度高、成本适中，但由于一般的步进电机的转速最高只能达到600转/分左右，因此这种方案的效率太低。

另一种方案是使用直流伺服电机，图1示意出现有技术中直流伺服电机在实现定位过程中的转速变化趋势。直流伺服电机配合编码器或光电盘给出圈数和转速测量信号，控制系统控制直流伺服电机在较高转速运行，此时的转速一般大于6000转/分；由于突然从高速运行状态刹车，直流伺服电机不会立即停止运行，因此，为避免影响定位精度，根据圈数反馈信号，在临近到达指定圈数时(如图1中到达时间T₁时)使直流伺服电机降为低速运行，此时的转速一般小于600转/分，并在指定圈数到达时(如图1中到达时间T₂时)进行刹车处理，由于此时电机转速较低，定位精度可在5度以内。此种方案的效率和成本均较适中，其定位精度比上述采用步进电机的方案稍差，但可满足一般的使用要求。然而，直流伺服电机从高速运行至刹车停止的过程中还要经过一段低速运行的过程(如图1中T₁至T₂时间段)，其效率较低；另一方面，由于上述编码器及光电盘价格昂贵，造成整个系统的成本较高；同时，直流伺服电机中的碳刷会被磨损，其故障率较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种电机在负载可变情况下可快速刹车，且保证定位精确的方法。

本发明进一步所要解决的技术问题在于提供一种低成本、高可靠性的采用电机实现负载可变情况下精确定位的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：提供一种采用电机实现精确定位的方法，采用以下步骤：系统进行多次校准运行，每次主控制单元控制电机从高速运行直接刹车制动，数据存储单元存储电机从刹车制动开始到完全停止时运转的误差圈数，其中，误差圈数的计算步骤具体为：在系统校准运行的过程中，主控制单元控制电机分别在转速一、转速二、转速三下运行多次，数据存储单元存储不同转速下的平均误差圈数，即平均误差圈数一、平均误差圈数二、平均误差圈数三；；主控制单元控制系统正常运行，当主控制单元检测到电机已运行的圈数距离指定圈数相差误差圈数时，主控制单元控制电机刹车制动。

上述转速一为指定转速，转速二为高于指定转速，转速三为低于指定转速。

当主控制单元检测到电机已运行的圈数距离指定圈数相差平均误差圈数二时，若此时主控制单元检测到电机转速最接近转速二，主控制单元控制电机刹车制动，否则主控制单元控制电机继续运行；当主控制单元检测到电机已运行的圈数到达距离指定圈数相差平均误差圈数一时，若此时主控制单元检测到电机转速大于或者最接近转速一，主控制单元控制电机刹车制动，否则主控制单元控制电机继续运行；当主控制单元检测到电机已运行的圈数到达距离指定圈数相差平均误差圈数三时，主控制单元控制电机刹车制动。

上述电机为直流无刷电机。

与现有技术相较，本发明的电机在负载可变的情况下，从高速运行直接刹车制动，其省略了中间低速运行的环节，可以减少每次运转的时间，工作效率较高。另外，本发明采用直流无刷电机，其成本较低，无需使用昂贵的编码器；本发明的定位方案算法简单，可以使用廉价的高速51系列单片机实现，减少使用昂贵的DSP(数字信号处理)处理器费用；同时，本发明避免更换碳刷维护，故障率低。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1是现有采用直流伺服电机实现定位的方法中直流伺服电机的转速变化趋势图。

图2是本发明一较佳实施例的系统硬件原理框图。

图3是本发明的电机转速变化趋势图。

具体实施方式

假设电机从刹车制动开始到完全停止时运转的圈数为Q，经过的时间为t，系统的转动惯量为R，制动开始时电机的转速为n，电机的最大扭矩为J，则Q＝KRn/J(K为在一定范围内变化的经验常数)。因为在通常的系统中若系统的转动惯量较大，则会选用大功率(扭矩)电机，相反则会选用较小功率，所以可认为Q＝K’n(其中K’＝KR/J)，即运转的圈数Q与电机的转速n成正比(比例常数K’随转速不同在一定范围内变化)。

根据实验，大多数系统当转速为6000转/分时，Q在3～10圈之间，而当转速降为600转/分时，Q小于0.05圈。这也是前述现有技术中为保证定位准确性而对直流伺服电机进行降速的原因。

在低负载变化率时，根据大量的实验和计算发现，在转速为6000转/分时直接刹车，Q在多次实验的结果中基本不变(偏差小于1％)。所以只要精确掌握刹车时的提前量Q就可以实现满足定位要求的高速运行状态下直接制动，从而大大提高效率。

本发明根据上述原理，采用电机实现精确定位的方法为：首先，系统进行多次校准运行，每次使电机从高速运行状态直接刹车，获取并记录电机从刹车制动开始到完全停止时运转的误差圈数Q；然后，使系统正常运行，当电机运转圈数距离指定圈数相差Q时，进行刹车制动，从而实现精确定位。

上述方法中误差圈数计算的方法如下：在负载改变时，即更换加工产品时，系统需要进行多次校准运行。假设系统刹车前转速为n，误差圈数为Q，则设定电机转速n₁＝n，试运行m₁次，分别计算误差圈数Q₁到Q_m1，再计算平均误差圈数一Q_n1；设定电机转速n₂＝n(1+1％)，试运行m₂次，分别计算误差圈数Q₁到Q_m2，再计算平均误差圈数二Q_n2；设定电机转速n₃＝n(1-1％)，试运行m₃次，分别计算误差圈数Q₁到Q_m3，再计算平均误差圈数三Q_n3；将上述Q_n1、Q_n2、Q_n3按产品分类存储于数据存储单元中。

上述方法中定位控制的方法如下：在系统正常运行时，主控制单元对转速进行伺服控制，保证转速恒定在要求的转速n，可采用PID(比例积分微分)加模糊表查询，同时检测电机运转圈数。假设在没有误差圈数的理想状态下，电机从高速运行直接刹车制动，其运行的指定圈数为X，则当电机已运行的圈数到达X-Q_n2时，若此时系统转速大于或者等于n(1+0.5％)，则立即启动刹车，否则继续运行；当电机已运行的圈数到达X-Q_n1时，若此时系统转速大于或等于n(1-0.5％)，则立即启动刹车，否则继续运行；当电机已运行的圈数到达X-Q_n3时启动刹车。

对于某些负载较恒定的系统，可省略上述电机转速为n₂及n₃时的校准运行，即只进行转速为n₁(指定转速)时的校准运行，这种情况下，当电机已运行的圈数到达X-Q_n1时，立即启动刹车。

负载可能随时间推移发生变化，如刚开机时，系统温度较低，运转一段时间后，系统温度较高，温度变化后对负载会产生一定影响。在类似情况下，可将系统在各种转速下的平均误差圈数Q_n1、Q_n2及Q_n3存储为初始误差数据，系统每次运行都要进行圈数校准计算，若连续两次出现微小误差，则将该微小误差累加到上述初始误差数据上，转速n₁、n₂、n₃的误差数据做相同调整，以后的运行控制使用调整后的误差数据。当系统刚开机时(未更换产品，无须重新校准运行时)，系统调入初始误差数据，并作为当前误差数据，进行系统运行的圈数控制，并根据每次运行的误差情况随时修正当前误差数据。

本发明一较佳实施例的系统硬件原理框图如图2所示，本实施例中的电机采用直流无刷电机，系统的工作状态有4种：等待、启动、高速运行、定位刹车。

等待状态时，如图3中时间T₀时，电机不通电，主控制单元等待用户启动信号。如图3中T₀-T₁时间段为启动状态，这时主控制单元(本实施例中为高速单片机系统)在收到启动信号后，按设定的加速度曲线启动电机，电机运转时，三相霍尔信号输出50％占空比的方波信号，相互之间相位相差120度，此三路信号直接控制驱动电路进行换相操作，同时测量电路分别独立测量三路信号的脉冲宽度T_a、T_b、T_c，取平均值后其数值精确与转速n成反比：

$n=\frac{3\×60}{(\mathrm{Ta}+\mathrm{Tb}+\mathrm{Tc})\×p}$ 其中p代表电机的极数

主控制单元根据实时测量的转速和系统预设的目标转速，通过软件PID算法计算得出PWM(脉宽调制)信号的脉冲宽度，此PWM信号通过驱动模块实时调节电机转速按系统预设的加速曲线加速。系统处于高速运行状态时，电机转速达到要求的速度后，转入高速运行状态，如图3中T₁-T₂时间段，此时与启动状态相同，主控单元通过PWM信号控制驱动电路调节电机转速，使之保持恒定。图3中T₂时为定位刹车状态，在启动和高速运行状态，主控制单元还同时进行圈数的闭环控制。圈数测量采用计数办法：三路霍尔信号状态每改变一次，圈数计数根据判断的旋转方向加1或减1，当圈数计数到达要求的位置时，主控制单元切断电机电源、控制电机刹车制动(可使电机线圈短路，采用能耗方式制动；也可使驱动电路反相工作使电机工作在发电机状态给电源系统充电)，电机实现快速制动并停止在固定位置。

本发明的定位方法中电机转速的变化趋势如图3中实线所示，相较于前述现有技术中采用直流伺服电机实现定位的方法(其直流伺服电机转速变化趋势如图3中虚线所示)，本发明省略了中间低速运行的环节，可以减少每次运转的时间。

与现有技术相较，本发明采用直流无刷电机，其成本较低，直接使用直流无刷电机的三相霍尔输出信号进行圈数控制和转速伺服，无需使用昂贵的编码器；本发明的定位方案算法简单，可以使用廉价的高速51系列单片机实现，减少使用昂贵的D S P(数字信号处理)处理器费用；同时，本发明避免更换碳刷维护，控制主要由软件完成，电子线路结构简单可靠，故障率低。

Claims (5)

1、一种采用电机实现精确定位的方法，其特征在于采用以下步骤：

系统进行多次校准运行，每次主控制单元控制电机从高速运行直接刹车制动，数据存储单元存储电机从刹车制动开始到完全停止时运转的误差圈数，其中，误差圈数的计算步骤具体为：在系统校准运行的过程中，主控制单元控制电机分别在转速一、转速二、转速三下运行多次，数据存储单元存储不同转速下的平均误差圈数，  即平均误差圈数一、平均误差圈数二、平均误差圈数三；

主控制单元控制系统正常运行，当主控制单元检测到电机已运行的圈数距离指定圈数相差误差圈数时，主控制单元控制电机刹车制动。

2、如权利要求1所述的采用电机实现精确定位的方法，其特征在于：  上述转速一为指定转速，转速二为高于指定转速，转速三为低于指定转速。

3、如权利要求2所述的采用电机实现精确定位的方法，其特征在于：上述转速二为高于指定转速1％，转速三为低于指定转速1％。

4、如权利要求2所述的采用电机实现精确定位的方法，其特征在于：当主控制单元检测到电机已运行的圈数距离指定圈数相差平均误差圈数二时，若此时主控制单元检测到电机转速最接近转速二，主控制单元控制电机刹车制动，否则主控制单元控制电机继续运行；当主控制单元检测到电机已运行的圈数到达距离指定圈数相差平均误差圈数一时，若此时主控制单元检测到电机转速大于或者最接近转速一，主控制单元控制电机刹车制动，否则主控制单元控制电机继续运行；当主控制单元检测到电机已运行的圈数到达距离指定圈数相差平均误差圈数三时，主控制单元控制电机刹车制动。

5、如权利要求1至4中任意一项所述的采用电机实现精确定位的方法，其特征在于：上述电机为直流无刷电机。

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