CN101494405B - 位置跟踪式纠偏伺服执行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及位置跟踪式纠偏伺服执行器。现有技术难以解决纠偏控制的快速性与平稳性的矛盾。本发明以直流伺服电动机为执行元件，其动力轴经联轴器与滚珠丝杆连接，丝杆的螺母与套在丝杆外的中空的推杆连接，丝杆螺母与直线导轨配合活动连接，将电机的旋转运动转换成推杆的直线运动；在联轴器处安装有圆形码盘，码盘在槽形光电开关的槽中转动以监测推杆的运动，壳体内还设置有三个分别检测推杆运动的前限位、后限位、及居中信号的霍尔开关，信号处理及控制电路板根据三个霍尔开关和光电开关及来自外部的指令实现对推杆位移的快速跟踪控制与保护。本发明结构紧凑、无触点、可靠性高、纠偏迅速且平稳，可广泛使用于各类带材生产过程的纠偏控制中。

Description

位置跟踪式纠偏伺服执行器

技术领域

本发明属于工业执行器技术领域，涉及一种纠偏伺服执行器，适于对塑料薄膜、纸、织物、胶带、胶片、金属箔带等各类带材生产中的纠偏控制。

背景技术

在诸如软包装印刷、塑料薄膜加工生产、纸品、纺织物、胶带、金属箔带等各类带材加工、生产过程中，由于机组中的带材张力不稳、各单元速度动态同步协调性能欠佳、机械振动、轴承磨损等而导致带材在向前运动中伴随着横向跑偏现象，严重影响了各类带材的加工质量及生产速度，甚至造成整个生产设备无法运行。

对带材跑偏进行纠偏矫正是各类带材生产中的基本要求，目前以电动机为纠偏执行元件的系统中，纠偏执行器常用直流伺服电动机与丝杆螺母副配合而构成纠偏驱动器，但由于直流伺服电动机工作于速度控制方式，使得纠偏动作的快速性与平稳性形成矛盾，制约了纠偏系统性能的提高，使得目前电机执行式的纠偏系统难以适应带材高速生产场合对高性能纠偏控制的要求。

发明内容

本发明的目的就是克服现有的纠偏执行器存在的动作快速性与平稳性间的矛盾问题，提供一种基于软检测方法的位置跟踪式纠偏伺服执行器，利用软检测与自学习的方法使得无需使用双轴伸式的执行电机及在电机的另一端轴上安装旋转位移传感器(PG)或在直线推杆端安装直线位移传感器而能使直流伺服电动机——滚珠推杆式纠偏执行器能工作于快速且平稳的位置跟踪控制方式的新型纠偏伺服执行器。

本发明包括壳体，壳体下部固定设置有底座，壳体的后盖板外侧面固定设置有电机，电机的动力输出轴伸入壳体内。壳体内设置有滚珠丝杆，滚珠丝杆与电机的动力输出轴同轴设置，并通过联轴器连接，滚珠丝杆与壳体通过滚珠轴承连接。壳体内设置有直线导轨，丝杆螺母与直线导轨配合活动连接，并通过直线导轨在圆周方向上限位，丝杆螺母与滚珠丝杆螺纹连接。丝杆螺母的一端与推杆的底部固定连接。壳体的前端设置有轴套

所述的编码盘为平面圆片型，其平面与电机的动力输出轴的轴向垂直。编码盘中心设置有轴孔以便电机的动力输出轴穿过。沿编码盘圆周方向间隔设置有检测齿和检测槽，编码盘的检测齿和检测槽数量和形状相同。槽形光电开关的发射端和接收端与检测齿和检测槽位置对应。

所述的信号处理及控制电路板的印刷电路板上固定设置有指令连接件、传感器连接件、RC滤波器、施密特触发器、信号处理芯片、放大器、3.3V稳压器、5V稳压器、输出连接件、电流传感器、电流滤波器、电压滤波器、指令跟随器。其中，RC滤波器的输入端与传感器连接件的输出端连接，RC滤波器输出端与施密特触发器的输入端连接，施密特触发器的输出端与信号处理芯片的I/O输入端连接，指令跟随器的输入端与指令连接件的输出端连接，信号处理芯片的PWM输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端与输出连接件的输出端及电压滤波器的输入端连接，电流传感器的地端与放大器的地端连接，电流传感器的检测端与放大器的COM端及电流滤波器的输入端连接，电流滤波器的输出端、电压滤波器的输出端及指令跟随器的输出端与信号处理芯片的AD输入端连接，输出连接件的输入端与5V稳压器的输入端及放大器的主电源端连接，5V稳压器的输出端与3.3V稳压器的输入端、放大器的控制电源端、施密特触发器的电源端及指令跟随器的电源端连接，3.3V稳压器的输出端与信号处理芯片的电源端连接。

本发明中的电机、滚珠丝杆螺母副、滚珠轴承、霍尔开关、槽形光电开关，及信号处理及控制电路板的印刷电路板上的指令连接件、传感器连接件、RC滤波器、施密特触发器、信号处理芯片、放大器、3.3V稳压器、5V稳压器、输出连接件、电流传感器、电流滤波器、电压滤波器、指令跟随器等均采用的成熟产品，可以通过市场取得。例如：电机采用直流伺服电动机，滚珠丝杆螺母副采用TBT型滚珠丝杆螺母副、联轴器采用GS型联轴器、霍尔开关采用HK型霍尔接近开关、槽形光电开关采用PM-K24-U型光电开关、指令连接件与传感器连接件均采用CH2.54型连接件、施密特触发器采用CD40106施密特触发器、信号处理芯片采用TMS320LF2407A、放大器采用STK6877放大器、3.3V稳压器采用DF1117-3.3稳压电源、5V稳压器采用LM7805稳压电源、输出连接件采用HD-611型接线端子排、电流传感器采用精密电阻型传感器、电流滤波器与电压滤波器均采用有源RC滤波器、指令跟随器采用TLC2262型运算放大器。

本发明的有益效果是：采用基于软检测方法且具有自学习功能的位置跟踪方案以克服现有的纠偏执行器存在的动作快速性与平稳性间的矛盾问题，无需采用电动机与光电编码器(PG)机组的复杂结构，降低了造价、提高了可靠性，特别是与现有的纠偏驱动器比较具有显著的性价比优势，对提高相关生产设备的生产速度与质量都具有重要意义，并有重要的技术与经济效益。

本发明在诸如软包装印刷、塑料薄膜、纸类生产加工、纺织物、胶带、金属箔带等各类带材的加工、生产过程中对带材边缘、带材表面的印刷图案边缘或标志线的纠偏控制方面用途广泛、使用方便。

附图说明

图1为本发明的结构正视图示意图；

图2为本发明的结构俯视图示意图；

图3为编码盘的结构示意图；

图4为信号处理及控制电路板的结构示意图。

具体实施方式

如图1与图2所示，基于软检测方法的位置跟踪式纠偏伺服执行器包括壳体1，壳体1下部固定设置有底座16，壳体1的后盖板12外侧面固定设置有电机11，电机11的动力输出轴伸入壳体1内。壳体1内设置有滚珠丝杆17，滚珠丝杆17与电机11的动力输出轴同轴设置，并通过联轴器13连接，滚珠丝杆17与壳体1通过滚珠轴承14连接。壳体1内设置有直线导轨18，丝杆螺母15与直线导轨18配合活动连接，并通过直线导轨18在圆周方向上限位，丝杆螺母15与滚珠丝杆17螺纹连接。丝杆螺母15的一端与推杆19的底部固定连接。壳体1的前端设置有轴套20和前盖板21，推杆19穿过轴套20和前盖板21设置，推杆19的顶部与连接板22通过铰链连接。推杆19为中空，套置在滚珠丝杆17外，推杆19、滚珠丝杆17和直线导轨18平行设置。丝杆螺母15上固定设置有磁钢5，壳体1上由前到后依次设置有前限位霍尔开关2、居中霍尔开关4和后限位霍尔开关6，前限位霍尔开关2、居中霍尔开关4和后限位霍尔开关6与磁钢5在圆周方向上位置对应。编码盘8套置电机11的动力输出轴外，与联轴器13固定连接。壳体1内设置有槽形光电开关9，槽形光电开关9与编码盘8位置配合。信号处理及控制电路板7和接线盒10设置在壳体1外，前限位霍尔开关2、居中霍尔开关4、后限位霍尔开关6、槽形光电开关9、电机11和接线盒10均与信号处理及控制电路板7连接。壳体1外设置有保护罩3，信号处理及控制电路板7和接线盒10设置在保护罩3内。

如图3所示，编码盘8为平面圆片型，其平面与电机11的动力输出轴的轴向垂直。编码盘8设置有轴孔8-5以便电机11的动力输出轴穿过。沿编码盘8圆周方向间隔设置有检测齿8-2和检测槽8-3，编码盘8的检测齿8-2和检测槽8-3数量和形状相同。编码盘8上开有安装孔8-4以便将编码盘8安装在联轴器13上。槽形光电开关9的发射端和接收端与检测齿8-2和检测槽8-3位置对应。

如图4所示，信号处理及控制电路板7的印刷电路板上固定设置有指令连接件23、传感器连接件24、RC滤波器25、施密特触发器26、信号处理芯片27、放大器28、3.3V稳压器29、5V稳压器30、输出连接件31、电流传感器32、电流滤波器33、电压滤波器34、指令跟随器35。其中，RC滤波器的输入端与传感器连接件的输出端连接，RC滤波器输出端与施密特触发器的输入端连接，施密特触发器的输出端与信号处理芯片的I/O输入端连接，指令跟随器的输入端与指令连接件的输出端连接，信号处理芯片的PWM输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端与输出连接件的输出端及电压滤波器的输入端连接，电流传感器的地端与放大器的地端连接，电流传感器的检测端与放大器的COM端及电流滤波器的输入端连接，电流滤波器的输出端、电压滤波器的输出端及指令跟随器的输出端与信号处理芯片的AD输入端连接，输出连接件的输入端与5V稳压器的输入端及放大器的主电源端连接，5V稳压器的输出端与3.3V稳压器的输入端、放大器的控制电源端、施密特触发器的电源端及指令跟随器的电源端连接，3.3V稳压器的输出端与信号处理芯片的电源端连接。

工作中，当带材边缘或标志线在放卷过程中出现横向跑偏时，跑偏传感器即输出相应的信号到纠偏控制器，经纠偏控制器的控制算法运算后输出指令到位置跟踪式纠偏伺服执行器中的接线盒，进而输入到信号处理及控制板电路板上的指令连接件，并经指令跟随器后输入到信号处理芯片的AD输入端，而电机的电枢电流则由电流传感器、电流滤波器后输入到信号处理芯片的AD输入端，电枢电压信号经电压滤波器后输入到信号处理芯片的AD输入端，信号处理芯片根据如式(1)～式(3)所示的推杆位移软检测算法及纠偏控制算法后经信号处理芯片的PWM输出端输出控制信号到放大器的输入端连接，经放大器的输出端与输出连接件的输出端与电机连接，进而控制推杆的运动以达到纠偏的目的。此外，槽形光电开关的输出信号反映了推杆的运动信号，该信号经传感器连接件输入并依次通过RC滤波器及施密特触发器后输入到信号处理芯片的I/O输入端，则信号处理芯片据此信号定时地对软检测算法进行校正以提高对推杆运动信号实时软检测的精度，这样就可实现无需在电机的另一个轴端安装成本高的光电编码器产品(PG)，而只使用一片简单廉价的码盘与光开关，不仅降低了整机造价，而且减小了体积、提高了可靠性。

通过检测电机的电枢电压u、电枢电流i获取推杆19位移x的主要软检测算法如下：

$n\left(k\right)=\frac{1}{C_e}\{u\left(k\right)-(R+\frac{L}{T})i\left(k\right)+\frac{L}{T}i(k-1)\}---\left(1\right)$

$V\left(k\right)=\frac{m}{60}n\left(k\right)---\left(2\right)$

x(k)＝x(k-1)+TV(k)   (3)

式(1)-式(3)中的R、L、T分别是电机的电枢电阻、电感、及信号采用周期，n(k)、u(k)、i(k)、V(k)分别是第k个采样时刻的直流伺服电动机11的转速(rpm)、电枢电压(V)、电枢电流(A)、及推杆19的线速度(mm/s)，m为丝杆17的螺距(mm)，x(k)、x(k-1)分别是第k个采样时刻与第k-1个采样时刻的推杆直线位移量的计算值(mm)。

此外，霍尔开关2、4、6分别用于对推杆进行前限位、居中、及后限位的检测，其信号经传感器连接件输入并依次通过RC滤波器及施密特触发器后输入到信号处理芯片的I/O输入端，通过信号处理芯片的判别与控制以实现对推杆的行程限位保护及居中操作控制。

例如带材在放卷过程中，当其边缘或标志线出现横向跑偏时，跑偏传感器即输出相应的信号到纠偏控制器，经纠偏控制器的控制算法运算后输出指令使基于软检测方法的位置跟踪式纠偏伺服执行器推动放卷机构作与跑偏方向相反的运动，以达到纠偏控制的目的。

Claims (1)

1.位置跟踪式纠偏伺服执行器，包括外壳，其特征在于：壳体下部固定设置有底座，壳体的后盖板外侧面固定设置有电机，电机的动力输出轴伸入壳体内；壳体内设置有滚珠丝杆，滚珠丝杆与电机的动力输出轴同轴设置，并通过联轴器连接，滚珠丝杆与壳体通过滚珠轴承连接；壳体内设置有直线导轨，丝杆螺母与直线导轨配合活动连接，并通过直线导轨在圆周方向上限位，丝杆螺母与滚珠丝杆螺纹连接；丝杆螺母的一端与推杆的底部固定连接；壳体的前端设置有轴套和前盖板，推杆穿过轴套和前盖板设置，推杆的顶部与连接板通过铰链连接；推杆为中空，套置在滚珠丝杆外，推杆、滚珠丝杆和直线导轨平行设置；丝杆螺母上固定设置有磁钢，壳体上由前到后依次设置有前限位霍尔开关、居中霍尔开关和后限位霍尔开关，前限位霍尔开关、居中霍尔开关和后限位霍尔开关与磁钢在圆周方向上位置对应；编码盘套置电机的动力输出轴外，并与联轴器固定连接；壳体内设置有槽形光电开关，槽形光电开关与编码盘位置配合；信号处理及控制电路板和接线盒设置在壳体外，前限位霍尔开关、居中霍尔开关、后限位霍尔开关、槽形光电开关、电机和接线盒均与信号处理及控制电路板连接；壳体外设置有保护罩，信号处理及控制电路板和接线盒设置在保护罩内；

所述的编码盘为平面圆片型，其平面与电机的动力输出轴的轴向垂直；编码盘中心设置有轴孔，沿编码盘圆周方向间隔设置有检测齿和检测槽，编码盘的检测齿和检测槽数量和形状相同，槽形光电开关的发射端和接收端与检测齿和检测槽位置对应；

所述的信号处理及控制电路板的印刷电路板上固定设置有指令连接件、传感器连接件、RC滤波器、施密特触发器、信号处理芯片、放大器、3.3V稳压器、5V稳压器、输出连接件、电流传感器、电流滤波器、电压滤波器、指令跟随器；其中，RC滤波器的输入端与传感器连接件的输出端连接，RC滤波器输出端与施密特触发器的输入端连接，施密特触发器的输出端与信号处理芯片的I/O输入端连接，指令跟随器的输入端与指令连接件的输出端连接，信号处理芯片的PWM输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端与输出连接件的输出端及电压滤波器的输入端连接，电流传感器的地端与放大器的地端连接，电流传感器的检测端与放大器的COM端及电流滤波器的输入端连接，电流滤波器的输出端、电压滤波器的输出端及指令跟随器的输出端与信号处理芯片的AD输入端连接，输出连接件的输入端与5V稳压器的输入端及放大器的主电源端连接，5V稳压器的输出端与3.3V稳压器的输入端、放大器的控制电源端、施密特触发器的电源端及指令跟随器的电源端连接，3.3V稳压器的输出端与信号处理芯片的电源端连接。

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