CN101712129A - 机床重力负载电气配重的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床重力负载电气配重的系统，包括电流闭环控制器、位置闭环控制器、速度闭环控制器、位置反馈采集器、速度反馈计算器、电流采集器和实时钟；其特征在于还包括：电流比较器、电流调节器、PWM控制器和逆变器。通过在垂直驱动坐标驱动系统电流环增加转矩偏移指令，在速度环和位置环分别采用不同的控制策略实现双向的高性能运转。实现对重力负载的电气配重的系统。该系统采用自动控制原理，通过数控系统和伺服驱动的控制技术，实现对重力负载的电气配重，避免了机械配重与液压气动配重的缺陷，简化了机床结构，提高了机床的性能和可靠性，适于在竖直机床领域广泛推广。

Description

机床重力负载电气配重的系统

技术领域

本发明涉及一种机床垂直坐标控制方法，尤其涉及一种机床重力负载电气配重的系统。

背景技术

机床的垂直坐标由于运动部件重力作用，导致上行运动与下行运动负载差异大，常规的闭环控制很难同时满足差异如此之大的两种负载情况。传统的技术方案采用机械配重或液压气动装置配重解决此问题。机械配重将直接增加系统的运动惯量，将不利于机床快速工作；液压气动配重方案成本较高，存在阻尼大和“跑冒滴漏”的缺陷。因此一种更为有效的配重系统急需被研制。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种利用闭环控制方法通过数控系统和伺服驱动的控制技术，在垂直驱动坐标驱动系统电流环增加转矩偏移指令，在速度环和位置环分别采用不同的控制策略实现双向的高性能运转。实现对重力负载的电气配重的系统。其具体技术方案如下：

对于垂直运动的坐标，重力负载是恒定存在的。为了抵消其作用，可以在对电机控制的电流环输入端加一个恒定转矩分量，其控制模型等效于电流环前馈。该转矩分量可以根据垂向驱动电机与负载间传动关系及重力负载计算得到。此外在速度环和位置环均区份正向运动和反向运动，采用不同的控制模型，以适应正向负载和反向负载的差异。

一种机床重力负载电气配重的系统，包括电流闭环控制器、位置闭环控制器、速度闭环控制器、位置反馈采集器、速度反馈计算器、电流采集器和实时钟；

所述位置闭环控制器，用于进行系统位置闭环控制，并且其输出作为速度闭环控制器的输入指令输入；

所述速度闭环控制器，用于进行系统速度闭环控制；

所述实时钟，用于触发各采集器、各控制器和计算器周期性的工作；

所述电流闭环控制器包括：电流比较器、电流调节器、PWM控制器和逆变器；

其特征在于还包括：平衡转矩计算器，用于负责计算平衡垂直坐标重力所需的转矩，并转化为电流后，以指令的方式直接施加在电流闭环控制器中的指令端；

所述电流比较器，用于将速度闭环控制器计算输出的电流指令与来自电流采集器的有效反馈电流进行比较求差，再与来自平衡转距计算器求得的配重平衡电流求和，共同输出给电流调节器；

所述电流调节器，用于进行电流环调节运算；

所述PWM控制器，用于将电流调节器输出的结果转化为能够驱动逆变器的PWM信号；

所述逆变器，用于在PWM控制信号的控制下，通过驱动开关功率器件，将直流电压转化为电机运转所需的电流，进行电机的驱动；

所述平衡转矩计算器同电流比较器相连接，所述速度闭环控制器和电流采集器分别与电流比较器相连接；所述电流比较器进行作差求和后将输出传送到与其相连的电流调节器进行运算后，将结果发送到与其相连的PWM控制器中进行PWM信号的转换后，传送到与PWM控制器连接的逆变器中进行电机的控制。

本发明提出的机床重力负载电气配重的系统采用自动控制原理，通过数控系统和伺服驱动的控制技术，实现对重力负载的电气配重，针对上行和下行不同的负载情况采用不同的控制策略，从而实现机床在垂直方向的双向平稳运行，同时避免了机械配重与液压气动配重的缺陷，简化了机床结构，提高了机床的性能和可靠性。由于其结构简单、便于生产，并且大幅度的降低了成本适于在竖直机床领域广泛推广。

附图说明

图1为本发明所述系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的系统结构框图；

图3为本发明实施例的位置闭环控制器的控制流程图；

图4为本发明实施例的速度闭环控制器的控制流程图。

具体实施方式

如图1所示采用电流环、速度环及位置环的常用电机控制系统，在电流环输入端加一个恒定转矩分量，其控制模型等效于电流环前馈。控制系统可以有多种实现方式。对于电流环、速度环、位置环可以全部在伺服驱动器中实现；也可以全部在数控系统中实现；也可以仅有位置环或位置环及速度环在数控系统中，而电流环在伺服驱动器中。因此有关运算可以由数控系统的CPU或DSP软件实现，也可以由伺服驱动的CPU或DSP软件实现，也可以由数控系统中或伺服驱动中的FPGA可编程芯片实现。

如图2所示为本发明的一种实现方式，位置闭环在数控系统中完成，速度闭环和电流闭环在伺服驱动器中实现。处于数控系统中的位置闭环控制器由以下几部分构成：实时钟，主要负责定时触发位置闭环控制；伺服通讯主站接口，主要负责数控系统与伺服驱动间的通讯，可以采用多种工业现场总线通讯技术实现；位置信息解析器，主要负责从伺服通讯主站接口中得到位置反馈信息，并转化为数控系统机床坐标系下的坐标位置值，以及与位置给定相同的单位；位置反馈比较器，主要负责将位置信息解析器得到的位置信息与位置给定比较，并且求差得到位置随动误差，判断该误差的方向，分别派发给正向位置调节器和反向位置调节器。位置反馈比较器是在实时钟的驱动下，周期性工作。其每个周期的工作流程如下图所示：正向位置调节器、反向位置调节器，主要负责特定方向的位置闭环计算。区分正反向的位置闭环算法可以更好地适应垂直坐标正反方向不同的负载情况。两者可以采用不同的控制算法及参数。通常可以采用包括PID结合前馈的控制算法实现。调节器也是在实时钟的调度下工作。调节器输出速度指令通过伺服通讯主站接口传送给伺服系统，其工作过程如图3所示。

伺服驱动器中采用本发明的技术实现可以由以下几部分构成。实时钟，主要负责触发位置采样器、速度闭环控制器和电流闭环控制器周期性的工作。位置反馈采集器，主要负责定时采集来自角度或长度位置传感器的位置信息，同时该采集器还具有通过伺服通讯从站接口向数控系统发送位置信息的功能(位置反馈通常来自于包括光栅尺在内的长度位置传感器或包括旋转编码器和圆光栅在内的角度位置传感器)。伺服通讯从站接口，主要负责伺服驱动与数控系统间的通讯，包括接收来自数控系统的速度指令，以及向数控系统传递位置信息。可以采用多种工业现场总线通讯技术实现。电流闭环控制器，主要负责电流闭环控制。由实时钟触发周期性地工作。电流闭环控制器主要包括以下几部分构成：平衡转距计算器，主要负责计算平衡垂直坐标重力所需的转矩，并转化为电流，提交电流比较器。平衡转矩分量为T，以指令的方式直接施加在电流环指令端，用以平衡垂直移动部件重力作用。以滚珠丝杠传动副为例，该指令确定过程如下所示：

T＝(M*g*L)/(2πη)

M垂直运动质量

g重力加速度

L丝杠导程

η传动效率

对应到电流前馈给定I_T＝T/K_T

K_T转矩系数

电流采集器，主要负责从电机测采集电流，经过A/D变换，转化为可以数字化处理的数字量。对于不同的电机采用不同的技术获取有效的反馈电流。例如对于用此同步电机通常采用Clarke变换，再采用Park变换，将三相交流电转换为id和iq分量，其中iq为有效的电流，作为反馈量，送电流比较器，参与电流环比环计算。电流比较器，主要负责将速度闭环控制器计算输出的电流指令与来自电流采集器的有效反馈电流进行比较求差，再与来自平衡转距计算器求得的配重平衡电流求和，共同输出给电流调节器。电流调节器，主要负责电流环调节运算。通常先进行调节运算，可以采用PID调节算法，也可以采用包括模糊控制等其它控制算法。对于交流电机控制，通常计算结果尚需要进行坐标变换转化为生成调制信号所需的电压信号，例如逆Park变换。PWM控制器，主要负责将电流调节器输出的结果转化为能够驱动逆变器的PWM信号。对于三相交流永磁同步电机，通常采用SVPWM技术。逆变器，主要负责在PWM控制信号的控制下，通过驱动开关功率器件，将直流电压转化为电机运转所需的电流，实现伺服电机的驱动。对于三相交流伺服电机，通常采用三相全桥逆变电路。

速度反馈计算器，主要负责处理来自位置反馈采集器得到的位置信息，采用固定时间的反馈计数(M法)或测量相邻的两个反馈量(反馈脉冲)之间的时间(T法)来计算当前速度。速度闭环控制器，主要负责实现速度闭环控制。由实时钟触发周期性地工作。速度闭环控制器主要包括以下几部分构成：速度比较器，主要负责将位置信息解析器得到的速度信息与来自伺服通讯从站接口的速度给定比较，并且求差得到速度随动误差，判断该误差的方向，分别派发给正向速度调节器和反向速度调节器。速度比较器是在实时钟的驱动下，周期性工作。正向速度调节器、反向速度调节器，主要负责特定方向的速度闭环计算。区分正反向的速度闭环算法可以更好地适应垂直坐标正反方向不同的负载情况。两者可以采用不同的控制算法及参数。通常可以采用包括PID结合前馈的控制算法实现。调节器也是在实时钟的调度下工作。调节器输出电流指令作为电流给定传送给电流闭环控制器。其每个周期的工作流程如图4所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种机床重力负载电气配重的系统，包括电流闭环控制器、位置闭环控制器、速度闭环控制器、位置反馈采集器、速度反馈计算器、电流采集器和实时钟；

所述位置闭环控制器，用于进行系统位置闭环控制，并且其输出作为速度闭环控制器的输入指令输入；

所述速度闭环控制器，用于进行系统速度闭环控制；

所述实时钟，用于触发各采集器、各控制器和计算器周期性的工作；

所述电流闭环控制器包括：电流比较器、电流调节器、PWM控制器和逆变器；

其特征在于还包括：平衡转矩计算器，用于负责计算平衡垂直坐标重力所需的转矩，并转化为电流后，以指令的方式直接施加在电流闭环控制器中的指令端；

所述电流比较器，用于将速度闭环控制器计算输出的电流指令与来自电流采集器的有效反馈电流进行比较求差，再与来自平衡转距计算器求得的配重平衡电流求和，共同输出给电流调节器；

所述电流调节器，用于进行电流环调节运算；

所述PWM控制器，用于将电流调节器输出的结果转化为能够驱动逆变器的PWM信号；

所述逆变器，用于在PWM控制信号的控制下，通过驱动开关功率器件，将直流电压转化为电机运转所需的电流，进行电机的驱动；

所述平衡转矩计算器同电流比较器相连接，所述速度闭环控制器和电流采集器分别与电流比较器相连接；所述电流比较器进行作差求和后将输出传送到与其相连的电流调节器进行运算后，将结果发送到与其相连的PWM控制器中进行PWM信号的转换后，传送到与PWM控制器连接的逆变器中进行电机的控制。

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