CN102799194B - 一种伺服控制方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种伺服控制方法、装置及系统，用以控制气动执行元件内活塞的位置。其中，伺服控制方法包括：通过气动执行元件外部的非接触式位移传感器获得位置反馈信号，得知活塞所处的位置；将位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到信号比较结果；根据信号比较结果，通过控制与气动执行元件连接的阀门来控制活塞的运动。本发明由于采用非接触式位移传感器，实现活塞位置的精确控制，克服了接触式传感器通过和活塞杆连接来检测活塞位置，从而控制活塞运动的方式所带来的损耗等问题。

Description

一种伺服控制方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及工业控制领域，尤其涉及一种伺服控制方法、装置及系统。

背景技术

在工业上常用的伺服控制，是指对物体运动的有效控制，即对物体运动的速度、位置、加速度进行控制，比如通过控制气缸内活塞的运动来进行工业活动。一般使用传感器来获知气缸内活塞的位置，比如位移传感器，比如压力(气压或液压)传感器等，然后产生控制信号来将活塞调整至需要的位置。

传统的伺服控制系统在使用直线位移传感器时，多使用接触式传感器，通过和活塞杆的机械连接来检测活塞位置，然后通过阀门来控制气缸内活塞的运动。如电位计式传感器，通过电位计元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电信号输出。接触式位移传感器一个主要缺点是易磨损，另一个缺点是对冲击、振动的敏感性较高。

发明内容

为了克服现有的伺服控制中，采用接触式传感器来检测活塞位置而控制气动执行元件内活塞的运动所带来的问题，本发明实施例提供一种伺服控制方法，用于控制气动执行元件内活塞的运动，所述活塞将气动执行元件分割为第一腔和第二腔；该方法包括：

获得位置反馈信号，所述位置反馈信号由位于所述气动执行元件外部的非接触式位移传感器产生，用于标识所述活塞所处的位置；

根据指示信号，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关，来控制所述活塞的运动。

进一步的，根据指示信号，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关，来控制所述活塞的运动具体为：

将所述位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到上述指示信号，即信号比较结果；

根据所述信号比较结果，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关，来控制所述活塞的运动。

进一步的，上述设定值包括第一值，用于指示活塞的设定停止位置；

将位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到信号比较结果，并根据信号比较结果，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关具体包括：判断所述位置反馈信号的值是否大于所述第一值，获得第一信号比较结果；

当所述第一信号比较结果为是时，控制所述第二腔进气，第一腔排气，使得所述位置反馈信号的值减小；当所述第一信号比较结果为否时，控制所述第一腔进气，第二腔排气，使得所述位置反馈信号的值增大。

更进一步的，所述设定值进一步包括第二值，所述第二值小于所述第一值；

将所述位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到信号比较结果，并根据所述信号比较结果，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关进一步包括：在判断所述位置反馈信号的值是否大于所述第一值之前，判断所述位置反馈信号的值与所述第一值之差的绝对值，是否大于所述第二值，获得第二信号比较结果；

当所述第二信号比较结果为是时，继续所述判断所述位置反馈信号的值是否大于所述第一值的步骤；当所述第二信号比较结果为否时，控制所述第一腔和第二腔的进排气口处于关闭状态，使得所述活塞停止运动。

进一步的，所述设定值包括第三值和第四值，用于指示所述活塞往复运动区间的起始位和终止位，所述第三值小于所述第四值；将所述位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到信号比较结果，并根据所述信号比较结果，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关具体包括：判断所述位置反馈信号的值，与所述第三值和第四值的大小关系，获得第三信号比较结果；

当所述第三信号比较结果为，所述位置反馈信号的值大于所述第四值时，控制所述第二腔进气，第一腔排气，使得所述位置反馈信号的值减小；当所述第三信号比较结果为，所述位置反馈信号的值小于所述第三值时，控制所述第一腔进气，第二腔排气，使得所述位置反馈信号的值增加；当所述第三信号比较结果为，所述位置反馈信号的值介于所述第三值与第四值之间时，维持所述第一腔以及第二腔的进排气状态，使得所述活塞保持运动方向。

更进一步的，所述设定值进一步包括第五值；

将所述位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到信号比较结果，并根据所述信号比较结果，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开进一步包括：

在判断所述位置反馈信号的值，与所述第三值和第四值的大小关系之前，判断所述第四值是否大于所述第五值，获得第四信号比较结果；

当所述第四信号比较结果为是，继续所述判断所述位置反馈信号的值，与所述第三值和第四值的大小关系的步骤；当所述第四信号比较结果为否，使所述第一腔快速排气。

较优的，所述设定值进一步包括第六值，所述第六值小于所述第四值；

将所述位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到信号比较结果，并根据所述信号比较结果，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关进一步包括：

在判断所述位置反馈信号的值，与所述第三值和第四值的大小关系之前，判断所述第三值与所述位置反馈信号的值之差，是否大于所述第六值，获得第五信号比较结果；

当所述第五信号比较结果为是，使所述第二腔快速排气；所述第五信号比较结果为否，使所述第二腔可控排气，继续所述判断所述位置反馈信号的值，与所述第三值和第四值的大小关系的步骤。

较优的，所述非接触式位移传感器为，微脉冲式或磁致伸缩式位移传感器。

本发明实施例同时提供了一种伺服控制装置，用于控制气动执行元件内活塞的运动，所述活塞将所述气动执行元件分割为第一腔和第二腔；该装置包括：

位置反馈信号获得单元，用于获得由位于所述气动执行元件外部的非接触式位移传感器产生的位置反馈信号，所述位置反馈信号用于标识所述活塞所处的位置；

活塞控制单元，用于根据指示信号，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关，来控制所述活塞的运动。

进一步的，所述活塞控制单元包括：

比较器单元，用于将所述位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到指示信号即信号比较结果；以及

阀门控制单元，用于根据所述信号比较结果，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关，来控制所述活塞的运动。

更进一步的，所述比较器单元包括第一比较子单元，用于判断所述位置反馈信号的值是否大于所述第一值，获得第一信号比较结果，将所述第一信号比较结果发送至所述阀门控制单元；

所述阀门控制单元具体用于，当所述第一信号比较结果为是时，控制所述第二腔进气，第一腔排气，使得所述位置反馈信号的值减小；当所述第一信号比较结果为否时，控制所述第一腔进气，第二腔排气，使得所述位置反馈信号的值增大。

更优的，比较器单元进一步包括第二比较子单元，用于判断所述位置反馈信号的值与所述第一值之差的绝对值，是否大于第二值，获得第二信号比较结果；所述第二值小于所述第一值；

所述阀门控制单元进一步用于，当所述第二信号比较结果为是时，通知所述第一判断子单元进行判断；当所述第二信号比较结果为否时，控制所述第一腔和第二腔的进排气口处于关闭状态，使所述活塞停止运动。

进一步的，所述设定值包括第三值和第四值，用于指示所述活塞往复运动区间的起始位和终止位，所述第三值小于所述第四值；

所述比较器单元进一步包括第三比较子单元，用于判断所述位置反馈信号的值，与所述第三值和第四值的大小关系，获得第三信号比较结果；

所述阀门控制单元进一步用于，当所述第三信号比较结果为，所述位置反馈信号的值大于所述第四值时，控制所述第二腔进气，第一腔排气，使得所述位置反馈信号的值减小；当所述第三信号比较结果为，所述位置反馈信号的值小于所述第三值时，控制所述第一腔进气，第二腔排气，使所述位置反馈信号的值增加；当所述第三信号比较结果为，所述位置反馈信号的值介于所述第三值与第四值之间时，维持所述第一腔以及第二腔的进排气状态，使得所述活塞保持运动方向。

较优的，所述设定值进一步包括第五值；所述比较器单元进一步包括第四比较子单元，用于判断所述第四值是否大于所述第五值，获得第四信号比较结果：

所述阀门控制单元进一步用于，当所述第四信号比较结果为是，通知所述第三比较子单元进行判断；当所述第四信号比较结果为否，使第一腔快速排气。

较优的，所述设定值进一步包括第六值，所述第六值小于所述第四值；所述比较器单元进一步包括第五比较子单元，用于判断所述第三值与所述位置反馈信号的值之差，是否大于所述第六值，获得第五信号比较结果：

所述阀门控制单元进一步用于，当所述第五信号比较结果为是，使所述第二腔快速排气；所述第五信号比较结果为否，使所述第二腔可控排气，并通知所述第三判断子单元进行判断。

较优的，所述非接触式位移传感器为，微脉冲式或磁致伸缩式位移传感器，所述非接触式位移传感器的磁环，位于所述活塞上。

本发明同时提供了一种伺服控制系统，用于控制气动执行装置内活塞的运动，所述活塞将所述气动执行装置分割为第一腔和第二腔。该伺服控制系统包含：位移传感装置，所述气动执行装置，以及上述伺服控制装置中的任一种；

所述位移传感装置包含所述非接触式位移传感器；所述位移传感装置用于将所述非接触式位移传感器产生的所述位置反馈信号，传递给所述伺服控制装置的位置反馈信号获得单元。

较优的，所述位移传感装置的波导管位于所述气动执行装置外部的气动执行元件拉杆内。

由于采用了非接触式传感模式，使部件之间的机械连接减少，磨损也就相应减少，部件的使用寿命也就相应提高。由于机械连接减少且采用磁场感应的检测方式，更能适用于悬浮颗粒较多如烟尘多的工作环境。与传统的接触式传感器相比，非接触式位移传感器对各种外界冲击和振动不至太过敏感，从而传感信号更稳定，更能准确地判断气动执行元件活塞的所在位置，从而提高了伺服控制的精准度。尤其是微脉冲位移传感器，无需对传感器以及现有气动执行元件做任何改动即可直接使用，实现非接触式的传感模式。并且，非接触式位移传感器(尤其是微脉冲位移传感器以及磁致伸缩式位移传感器，直接利用了气动执行元件内活塞的磁环)的体积较小，结构也相对简单，对安装空间的要求也小。

附图说明

图1为本发明一实施例的方法流程示意图；

图2为现有技术中气缸示意图；

图3为本发明一方法实施例的流程示意图；

图4为本发明一方法实施例的流程示意图；

图5为本发明一方法实施例的流程示意图；

图6为本发明一装置实施例的结构示意图；

图7为本发明一系统实施例的部分气路示意图；

图8为本发明一系统实施例的部分气路示意图；

图9为本发明一系统实施例结构框图；

图10为本发明一实施例中气缸和传感器位置关系示意图；

图11为本发明一实施例中气缸和传感器位置关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细地说明。在此，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明提供一种伺服控制方法实施例，用于控制气动执行元件内活塞的运动，活塞将所述气动执行元件分割为第一腔和第二腔，该方法包括：

获得位置反馈信号，位置反馈信号由位于气动执行元件外部的非接触式位移传感器产生，用于标识活塞所处的位置；

根据活塞所处的位置，控制与第一腔和所述第二腔连接的阀门开关，来控制活塞的运动。

位置反馈信号可实时反映在用户操作面板上，即能显示活塞在气动执行元件内的具体位置，用户可实时掌握活塞的具体位置，并根据具体位置随时发出指示信号，通过阀门的调节来控制活塞的位置。并且，可以再通过从操作面板上实时获知的位置了解控制结果。

更多的情况下，用户无需守在操作面板旁，通过人工判断现有位置与希望活塞到达的位置之间的差，再进行调节；只要将目标值事先设定，即通过比较器实现反馈值与设置值的比较，就能变半自动化的控制为全自动控制。

如图1所示，该伺服控制方法包括：

获得位置反馈信号，所述位置反馈信号由位于所述气动执行元件外部的非接触式位移传感器产生，用于标识所述活塞所处的位置；

将所述位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到信号比较结果；

根据所述信号比较结果，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关，来控制所述活塞的运动。

气动执行元件是将气体能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的执行元件，实现直线往复运动的气动执行元件称为气缸；实现回转运动的称为摆动气缸。本申请中以气缸为例进行说明，而对回转型运动的摆动气缸的控制原理是相近的，同样可以适用，传感器产生的位置反馈信号同样能标识活塞所处的位置。在本申请中描述的第一腔和第二腔，如图2所示，分别为气缸102内被活塞分隔成的左腔和右腔。当然，随气缸的放置方向(即活塞的运动方向)的不同，第一腔和第二腔也可能为上腔和下腔的关系。气缸也可以被多个活塞分隔成更多的腔室，但本发明对分隔这些腔体的活塞位置的控制的原理是相似的，所以后续只以第一腔和第二腔，即图2中的左腔和右腔举例说明。并且图2为有杆气缸的示例，活塞上连有活塞杆，左腔为无杆腔，右腔为有杆腔。本发明所举实施例亦可适用无杆气缸，此处仅以图2为例作描述。图2中活塞的初始状态位于气缸的最左端，第一腔和第二腔各有气孔，分别连接在换向阀上。在本实施例中，我们使用电磁换向阀，通过阀门的换向来改变腔体进气和排气的状态，通过调速阀门开启的大小来调节进排气量的多少。第一腔为进气状态时，则第二腔为排气状态；第二腔为进气状态时，则第一腔为排气状态。

非接触式位移传感器处于气缸的外部，通过检测气缸内活塞上的磁环，获得检测信号。下面以微脉冲位移传感器为例，其检测信号为电流信号，再经电流-电压转换电路变成电压信号，即上述位置反馈信号。需要指出的是，由于本例中，出于信号稳定性的考虑，接受的电信号均为电流信号，而比较值均为电压信号，所以将用户设定值和位置反馈信号，由电流-电压转换回路转变为电压信号，再进行比较判断。本发明中微脉冲式位移传感器的使用方式要优于其余非接触式的位移传感器，因为其直接利用气缸内部活塞上装有的磁环，以磁环位移的改变产生不同的磁通量，来获得活塞的位置感应信号，与气缸102并不产生任何直接接触。比如，将磁致伸缩位移传感器的感应磁块设置在位移传感器上，用机械方式连接感应磁块和气缸的活塞杆，也能实现非接触式感应，产生稳定的反馈信号。但由于存在机械接触，在高振动、高频率、高灰尘和对安装空间有要求的环境中的效果不及使用微脉冲式位移传感器，且因机械连接出现的磨损则无法完全避免。

本发明的方法可用在诸多伺服控制的场合，在一个使活塞停止在气缸内的指定位置的实施例中，用户需要预先设定该位置(电信号)。假设气缸内活塞的行程范围是0～400mm(主要由气缸的长度确定)，对应的控制信号为4～20mA，用户若希望让活塞在距离气缸左侧壁150mm(即不考虑活塞厚度，第一腔长度为150mm)，距离右侧壁250mm的位置停下，则只需要在操作界面上给出10mA的控制信号，活塞就能停在相应位置。

位移传感器用位置反馈信号提供活塞所处的位置信息，通过控制模块，将电流信号转变为电压信号，比较器将用户设定的位置与活塞目前所处的位置进行比较。如图3所示，用户指定的活塞停止位置反映为电流信号I_t，经电流-电压转换电路变为V_t；位移传感器产生的感应信号为电流信号I_S，经电流-电压转换电路变为V_S。本例中，假设活塞的原始位置在气缸内壁最左侧，设此处为感应的零点位置，随距离零点位置的位移增加，感应电流越大(基本成线性关系)，即活塞位置越靠右(以图2为示)，即右腔空间越小则电流信号的值越大，对应的电压值也越大。为方便起见，下文均以左腔表示第一腔，右腔表示第二腔来进行描述。活塞从原始位置开始启动时，处于指定停止位置的左侧，在电压比较电路中体现为V_S＜V_t，换向阀使得左腔进气，右腔排气，利用两腔压差将活塞向指定停止位置推进。用户在活塞运动过程中设置停止指令，当V_S＞V_t时(表明活塞位于指定位置的右侧)，此时若活塞正在从左向右运动，换向阀换向，使得气缸右腔进气，左腔排气，使右腔气体压力变大推动活塞向左移动；如果活塞正在从右向左运动，即左腔正处排气状态，保持阀门的开启方向，使气缸左腔排气，右腔进气，仍推动活塞向左移动。

由于阀门的开启和关闭一般并非瞬间完成，而是一个渐进的过程，使得活塞的运动具有一定的惯性。比如，比较器得出V_S＞V_t，使得活塞由右向左运动，当活塞到达指定的停止位置时，右腔的换气阀逐渐由进气转为排气，左腔的换气阀逐渐由排气转为进气状态，但由于进气和排气状态的转变都无法瞬时达到，活塞还在短暂的时间内向左运动，致使比较器得出V_t＞V_S的判断结果(即V_S是否大于V_t的判断结果为否)，使得右腔的再次变为进气状态而左腔为排气状态，使得活塞在指定位置附近做短距离往复，随着往复区间逐渐缩短，使得左右腔的换向阀还未完成由进气或排气状态切换至另一状态时又接到相反的指令，最后逐渐使换向阀处于既非进气又非排气的关闭状态，来使活塞停在指定位置。

在图4所示的一个较优的实施例中，为避免上述往复的发生，使活塞迅速停止在指定位置，实现对用户的停止位置命令的高效执行，增加一个设定值，只要V_t和V_S之间的差值的绝对值小于ΔV，则进行中封，即使两腔的换向阀都处于关闭状态。这样，当活塞运行到接近指定停止位置时，其中一腔的进气状态的换向阀逐渐关闭，另一腔排气状态的换向阀也逐渐关闭，活塞因惯性以及还未关闭的换向阀的影响，仍保持原来的运动方向，随后停在指定停止位置处。这里ΔV的值远小于指定停止位置对应的电压值，其对应的距离仅是活塞的缓冲距离。如图4所示，|V_S-V_t|＞ΔV这个判断比较在V_S是否大于V_t的判断之前来进行，如果活塞已经处于指定停止位置的缓冲范围之内(ΔV～-ΔV)，对气缸做上述中封处理；如果活塞距离停止位置还较远，再进行上述V_S与V_t之间大小的判断。ΔV可以预先为用户设定好，一般取活塞整个行程(在气缸内的全行程，如上述0～400mm)的1％～5％(用户指定误差范围内可调)之间的距离所对应的电压值，使得运动中的活塞能恰好停至指定位置。ΔV与缸径和负载均有关系，气缸缸径越大，负载(活塞的滑动阻尼)越大，则ΔV越小，反之则ΔV越大。

本发明的方法的另一应用场合为，使得活塞在气缸的指定范围内做往复运动，用户预先设定该指定范围的区间位置。比如在烟草复烤的工业应用中，通过指定活塞在气缸中任意指定行程段做往复运动，推动烟草做纵向(或横向) 的平铺，再比如在食品加工工业中，使擀面杖将面团擀至一定面积和厚度。同样以活塞的全行程0～400mm为例，当用户选择使活塞在100mm～300mm范围内做控速往复运动时，其设置表现为低限信号I_l和高限信号I_h，分别对应低限电压V_l和高限电压V_h。经电流-电压转换得到位移传感器的位置反馈信号仍为V_S，由传感信号I_S经电流-电压转换得来。仍以活塞的全行程为400mm为例，活塞的位置在0～400mm区间对应的传感感应电流在4～20mA之间，即活塞处于0位置时感应电流为4mA，处于400mm位置时感应电流为20mA，100mm～300mm行程段往复运动对应的是8mA和16mA两个限位信号。

在一个实施例中，接到位移传感器的位置反馈信号，等量转换位V_S后，比较器将V_S与V_l以及V_h进行大小比较，实际上是依据电压信号的大小，判断活塞处于设定的往复区间内，或者区间的左侧或右侧。当V_S小于V_l时，使左腔连接的换向阀处于进气状态。如前述的分析，即，使换向阀保持进气状态，或者将换向阀由排气状态转变为进气状态，这与活塞当前状态下的运动方向而定，如果使活塞保持当前运动方向，即保持换向阀的进气状态，如果使活塞改变当前运动方向，即由排气状态转而进入进气状态。当V_S大于V_h时，使右腔的换气阀进入或保持进气状态。当V_S处于V_l和V_h之间时，保持气缸阀门的开关现状。这样，活塞就能在设定的区间范围内做往复运动了。

进一步的，用户希望停止活塞的往复运动状态而迅速地归位在原始位置(贴近于气缸右壁或者左壁)，可通过设置归零值来实现。通常情况下，用户希望停止活塞的往复运动状态而迅速地归位，会直接将低限信号I_l和高限信号I_h切断(即归零)，这时对应的电压信号也基本为零(转换时可能存在一定误差)，当比较器检测到V_h小于这个基本为零的高限电压信号时，使换向阀处于快速排气状态，以便使活塞迅速归位。设左侧即无杆侧为原始位置，则使左腔换向阀处于快速排气状态。使换向阀处于快速排气状态之所以与高限值比，是因为有时低限值对应的往复区间起始位也可能为0位置，而如果高限值小于归零值，则能确定是用户希望停止往复运动而使活塞归位。有时，用户只将设置区间调至0位，此时低限信号I_l和高限信号I_h为4mA，对应的电压信号为0.8V，所以如图5所示，将归零值设置为稍大于0.8V，只要V_h小于0.8V，无需进行V_S与V_l和V_h的大小判断，即使换向阀处于快速排气状态，实现快速排气。

实现快速排气，可以通过将换向阀的排气口(工作口与气缸的气孔相连)与一两位三通阀相连，将两位三通阀的一个通道与大气相通，即处于排气状态的换向阀，与和大气相通状态的两位三通阀相连时，就能实现快速排气。与快速排气相对的可控排气，即两位三通阀中与大气相通的通道被关闭，仍以换向阀排气开度的大小，来控制排气速度(即单位时间的排气量)。上述判断中，如果V_h大于设置的归零值，即进入可控排气状态。在后述伺服控制系统的实施例中，有关于两位三通阀在系统中连接关系的说明。

当用户设定了往复运动的区间后，较优方案是使活塞加速启动并迅速运动至该区间范围，然后再在该区间范围内作控速运动。使活塞加速启动可以通过前述使右腔快速排气来实现。前文描述过，由于阀门的开关是一个连续的过程，加之活塞的惯性，当活塞加速启动并移动至在设定区间范围的左端时，活塞还处在加速运动中，右腔换气阀方才收到进入进气状态的指示，会使活塞继续以一定的加速度向右移动。要想使活塞在设定区间范围内做控速往复运动，可以通过设置缓冲保护值来实现。缓冲保护值远小于高限值乃至低限值，其作用是使活塞由左向右加速运动至设定往复区间的左端之前的某一小段距离时，再将右腔由快速排气状态转为可控排气状态，使得活塞到达设定区间的左端时恢复到控速运动状态。缓冲保护值的取值，一般小于上述归零值，在上例归零值取0.8V的情况下，缓冲保护值在本例中取0.2V。如图5所示，在将V_S与V_l以及V_h进行大小比较之前，判断V_l与V_S的差是否小于0.2V，如果大于0.2V，意味着活塞处于设定区间范围的左侧，并与左端位置还有相当一段距离，此时使右腔处于快速排气状态；当V_l与V_S的差小于0.2V时，将右腔转变为可控排气状态，使得活塞的加速度减小，在到达设定区间范围的左端位置时开始控速运动。这样，活塞在上例的100mm～300mm范围内做控速的运动，在0～100mm和300mm～400mm的行程区间内快速运动。

上述两个使用场景可以合并使用，比如在让活塞处于在指定区间的控速运动(用户已经设置I_l和I_h)时，用户指示活塞在某处停止，则用户再行设置I_t，将I_l和I_h归零，使得比较器判断V_S和V_t之间的大小关系，通过判断结果来控制阀门的开合，使活塞停止于指定位置。比如在上述擀面的例子中，使擀面杖将面团擀至要求的面积和厚度后，使擀面杖停止于某处，再沿杖的方向切割。

本发明实施例还提供了一种伺服控制装置，用于控制气缸内活塞的运动，活塞将气缸分割为第一腔和第二腔，在下文中仍以左腔和右腔来描述。该伺服控制装置包括：

位置反馈信号获得单元，用于获得由位于气缸外部的非接触式位移传感器产生的位置反馈信号，位置反馈信号用于标识活塞所处的位置；

活塞控制单元，用于根据指示信号，控制与第一腔和第二腔连接的阀门开关，来控制活塞的运动。

如前述分析，可以通过在伺服控制装置设置比较器来实现全自动的伺服控制，用户在操作面板上设置希望实现的控制目标，比如活塞的停止位置或往复运动的区间，比较器自动将活塞所处的位置与设置位置进行比较，产生相应的指示信号，使的阀门控制单元来执行该指示信号，即通过控制阀门来实现活塞运动的控制。如图6所示，该伺服控制装置包括：

位置反馈信号获得单元，用于获得由位于气缸外部的非接触式位移传感器产生的位置反馈信号，位置反馈信号用于标识活塞所处的位置；

比较器单元，用于将位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到指示信号即信号比较结果；

阀门控制单元，用于根据信号比较结果，控制与第一腔和第二腔连接的阀门开关，来控制活塞的运动。

在使活塞停止在气缸内的指定位置的实施场景中，用户预先设定该位置。该位置对应的设定值设为V_t，上述比较器单元包括第一比较子单元，来判断位置反馈信号V_S的值是否大于V_t，获得第一信号比较结果，将所述第一信号比较结果发送至所述阀门控制单元；

所述阀门控制单元具体用于，当所述第一信号比较结果为是时(V_S＞V_t)，控制右腔进气，左腔排气，使活塞向左运动，位置反馈信号的值减小；反之，控制所述左腔进气，右腔排气，使活塞向右移动来靠近设定的停止位置。

在进一步优化的实施例中，为了使活塞能在指定停止位置快速停止，比较器单元进一步包括第二比较子单元，用于判断V_S与V_t之差的绝对值，是否大于缓冲值ΔV，获得第二信号比较结果；该缓冲值ΔV远小于V_t。

阀门控制单元进一步用于，当第二信号比较结果为是时，通知第一判断子单元进行判断；当第二信号比较结果为否时，使左腔和右腔的进排气口都处于关闭状态。上述通知第一判断子单元进行判断，可以是此时才将位置反馈信号通知第一比较子模块，第一比较子模块将其存有的V_t与从第二判断子单元获知的V_S进行上述大小比较，得到比较结果后通知阀门控制单元。上述通知第一判断子单元进行判断，也可以是告知第二判断子单元的比较结果，由第一比较子模块继续其V_S与V_t的判断，此时第一比较子模块由位置反馈信号获得单元处获得V_S。

图7展示了上述使活塞停止在指定位置的实施例的伺服控制系统的部分气路图。气缸102被活塞分隔成的左右腔分别接有带先导式单向阀的调速阀103，使用调速阀的优点是能凭借阀门开度的大小，来控制活塞以怎样的速度到达指定停止位置，阀门开启的越大(其他条件不变时)，相同气压条件下气体的单位流量越大，活塞运动的速度就越快。带先导式的单向阀的调速阀103，与中泄式三位五通阀104的两个工作口相连，中泄式三位五通阀104的进气管道105接供气侧，供气至供气管道105之前可能还包括过滤器、减压阀等。比较及控制单元106即上述伺服控制装置，获得传感器101的反馈信号后，将客户端输入的指定信号与传感器101的反馈信号进行比较，得出比较结果后，控制三位五通阀104的各阀门的开关状态(或者也对调速阀发送控制信号控制开关大小)。传感器101为微脉冲式位移传感器，与气缸102并不直接接触，而是利用气缸102活塞上的磁环的位移来产生磁感应电流。比较及控制单元106可用比较器以及可编程逻辑控制器PLC来实现，亦可用软件来实现。传感器101的初始反馈信号为电流信号，在使用电压比较器(电压比较回路)的场合，还需要电流-电压转换电路。

在使活塞在气缸的指定范围内做往复运动的应用场景中，将往复运动的指定范围用V_l和V_h来表示，分别指示往复运动区间的起始位和终止位，其中低限电压V_l小于高限电压V_h(第三值标识起始位)。

比较器单元进一步包括第三比较子单元，判断V_S与低限电压V_l和高限电压V_h的大小关系，获得第三信号比较结果；

阀门控制单元进一步用于，当第三信号比较结果为，V_S大于V_h时，控制右腔进气，左腔排气，使活塞向左移动，V_S减小；当第三信号比较结果为，V_S小于V_l时，控制左腔进气，右腔排气，使活塞向右移动，V_S增大；当V_S处于V_l～V_h区间范围内，维持左右腔的进排气状态。

进一步的，用户希望停止活塞的往复运动状态而迅速地归位在原始位置通过设置归零值来实现，归零值远小于往复运动状态下的V_h。比较器单元进一步包括第四比较子单元，用于判断V_h是否大于归零值，获得第四信号比较结果：

阀门控制单元进一步用于，当第四信号比较结果为是，通知第三比较子单元进行判断；当第四信号比较结果为否，使左腔快速排气，使活塞快速回归至原始位置。

当用户调整了V_h，使得V_h小于设置的归零值，则标识用户将往复运动区间的高位值归零(I_h＝0即切断信号)或将活塞往复运动区间的最右值设为0。此时控制右腔进入进气状态(如果本来为进气状态则保持)，并使左腔迅速排气，使得活塞迅速回归气缸左壁。这里的归零值，只需稍大于活塞位移为零时对应的电压或电流值即可。

在一个较佳的实施例中，设置缓冲保护值，使得活塞在由左往右移动进入指定往复运动区间时，即开始控速运动状态，即在活塞离往复运动区间的起始位置还有相当距离时，使右腔快速排气，使活塞加速向右移动。当活塞移动至距离起始位置还剩缓冲保护值对应的距离时，使右腔进入可控排气状态，使活塞向右移动的加速度减小，到达起始位置时加速度减至零，活塞开始做控速运动。

在伺服控制装置中，比较器单元进一步包括第五比较子单元，用于判断V_l与V_S之差，是否大于缓冲保护值，获得第五信号比较结果：

阀门控制单元进一步用于，当第五信号比较结果为是，使右腔快速排气；第五信号比较结果为否，使右腔处于可控排气状态，并通知第三判断子单元进行上述判断。

较优的，非接触式位移传感器为微脉冲式位移传感器或磁致伸缩式位移传感器。并且，上述两个应用场景亦可结合使用，上述方法实施例中已做出了举例，此处不再赘述。

图8展示了上述使活塞停止在指定位置的伺服控制系统的部分气路图。气缸102被活塞分隔成的左右腔分别接有调速阀107，使用调速阀的优点是能凭借阀门开度的大小，来控制活塞以怎样的速度在指定范围内运动，比如，使活塞以4S(秒)为一个循环周期在指定范围内往复运动。气缸102的左右腔与两位五通阀108通过调速阀107相连。两位五通阀108的进气管道接供气侧，供气至供气管道之前依次经过主滤器和过滤减压阀。比较及控制单元110即上述提供的伺服控制装置实施例，获得传感器101的反馈信号后，将客户端输入的指定信号与传感器101的反馈信号进行比较，得出比较结果后，控制两位五通阀108的各阀门的开关状态(或者也对调速阀发送控制信号控制开关大小)。两位三通阀109通过换向阀，与气缸102左右两腔的排气通道相连，作为优化方案实现气缸的快速排气。传感器101为微脉冲式位移传感器，与气缸102并不直接接触，而是利用气缸102活塞上的磁环的位移来产生磁感应电流。比较及控制单元106可用比较器以及可编程逻辑控制器PLC来实现，亦可用软件来实现。传感器101的初始反馈信号为电流信号，在使用电压比较器(电压比较回路)的场合，还需要电流-电压转换电路。

上述两例伺服控制系统在下述环境参数中，可获得如下理论控制精度，优于现有使用接触式位移传感器的伺服控制系统。

环境参数为：

气缸缸径φ63mm

指令信号DC4～20mA

供给空气压0.3～0.7MPa

标准行程50～1000mm

环境温度-10～60℃

理论控制精度为：

灵敏度±1％F.S(以内)

直线精度±3％F.S(以内)

迟滞±2％F.S(以内)

重复精度±1％F.S(以内)

其中，F.S即气缸内活塞的全行程(Full Span)。

如图10所示，传感器101在图10中为微脉冲式位移传感器或磁致伸缩式位移传感器，与气缸102的位置关系为，传感器101的波导管直接位于气缸102上方，与气缸不产生机械接触，可直接使用气缸内部的活塞上的磁环，利用气缸102活塞上的磁环的位移来产生磁感应电流。另一例如图11所示，传感器101的波导管即位于气缸拉杆之内。气缸拉杆即用于固定气缸盖和气缸腔体的长条杆，图11所示的拉杆共四根，从四个平行方向将气缸盖与气缸腔体进行固定。因为波导管为长条形状，只要将波导管作入拉杆，更能节省传感器的安装空间。

上述系统实施例仅为不同使用场景对应的具体例子，本发明提供的伺服控制系统的实施例如图9所示，包括位移传感装置、气缸装置和上述伺服控制装置提供的各种实施例的组合；上述位移传感单元包含非接触式位移传感器；位移传感单元用于将非接触式位移传感器产生的位置反馈信号传递给位移传感装置的位置反馈信号获得单元。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种伺服控制方法，用于控制气动执行元件内活塞的运动，所述活塞将所述气动执行元件分割为第一腔和第二腔；其特征在于，所述方法包括：

获得位置反馈信号，所述位置反馈信号由位于所述气动执行元件外部的非接触式位移传感器产生，用于标识所述活塞所处的位置；

根据指示信号，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关，来控制所述活塞的运动；

其中，所述根据指示信号，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关，来控制所述活塞的运动具体为：

将所述位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到所述指示信号，所述指示信号为信号比较结果；

根据所述信号比较结果，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关，来控制所述活塞的运动；

其中，所述设定值包括第一值，用于指示所述活塞的设定停止位置；

将所述位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到信号比较结果，并根据所述信号比较结果，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关具体包括：判断所述位置反馈信号的值是否大于所述第一值，获得第一信号比较结果；

当所述第一信号比较结果为是时，控制所述第二腔进气，第一腔排气，使得所述位置反馈信号的值减小；当所述第一信号比较结果为否时，控制所述第一腔进气，第二腔排气，使得所述位置反馈信号的值增大；

其中，所述设定值进一步包括第二值，所述第二值小于所述第一值；

将所述位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到信号比较结果，并根据所述信号比较结果，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关进一步包括：在判断所述位置反馈信号的值是否大于所述第一值之前，判断所述位置反馈信号的值与所述第一值之差的绝对值，是否大于所述第二值，获得第二信号比较结果；

当所述第二信号比较结果为是时，继续所述判断所述位置反馈信号的值是否大于所述第一值的步骤；当所述第二信号比较结果为否时，控制所述第一腔和第二腔的进排气口都处于关闭状态，使得所述活塞停止运动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定值还包括第三值和第四值，用于指示所述活塞往复运动区间的起始位和终止位，所述第三值小于所述第四值；将所述位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到信号比较结果，并根据所述信号比较结果，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关具体包括：判断所述位置反馈信号的值，与所述第三值和第四值的大小关系，获得第三信号比较结果；

当所述第三信号比较结果为，所述位置反馈信号的值大于所述第四值时，控制所述第二腔进气，第一腔排气，使得所述位置反馈信号的值减小；当所述第三信号比较结果为，所述位置反馈信号的值小于所述第三值时，控制所述第一腔进气，第二腔排气，使得所述位置反馈信号的值增加；当所述第三信号比较结果为，所述位置反馈信号的值介于所述第三值与第四值之间时，维持所述第一腔以及第二腔的进排气状态，使得所述活塞保持运动方向。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述设定值进一步包括第五值；

将所述位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到信号比较结果，并根据所述信号比较结果，控制与所述第一腔和第二腔连接的阀门开关进一步包括：

在判断所述位置反馈信号的值，与所述第三值和第四值的大小关系之前，判断所述第四值是否大于所述第五值，获得第四信号比较结果；

当所述第四信号比较结果为是，继续所述判断所述位置反馈信号的值，与所述第三值和第四值的大小关系的步骤；当所述第四信号比较结果为否，使所述第一腔快速排气。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述设定值进一步包括第六值，所述第六值小于所述第四值；

将所述位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到信号比较结果，并根据所述信号比较结果，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关进一步包括：

在判断所述位置反馈信号的值，与所述第三值和第四值的大小关系之前，判断所述第三值与所述位置反馈信号的值之差，是否大于所述第六值，获得第五信号比较结果；

当所述第五信号比较结果为是，使所述第二腔快速排气；所述第五信号比较结果为否，使所述第二腔可控排气，继续所述判断所述位置反馈信号的值，与所述第三值和第四值的大小关系的步骤。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非接触式位移传感器为，微脉冲式位移传感器或磁致伸缩位移传感器。

6.一种伺服控制装置，用于控制气动执行元件内活塞的运动，所述活塞将所述气动执行元件分割为第一腔和第二腔；其特征在于，所述装置包括：

位置反馈信号获得单元，用于获得由位于所述气动执行元件外部的非接触式位移传感器产生的位置反馈信号，所述位置反馈信号用于标识所述活塞所处的位置；

活塞控制单元，用于根据指示信号，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关，来控制所述活塞的运动；

其中，所述活塞控制单元包括：

比较器单元，用于将所述位置反馈信号的值与设定值进行比较，得到所述指示信号，所述指示信号为信号比较结果，其中，所述设定值包括第一值，用于指示所述活塞的设定停止位置；以及

阀门控制单元，用于根据所述信号比较结果，控制与所述第一腔和所述第二腔连接的阀门开关，来控制所述活塞的运动；

其中，所述比较器单元包括第一比较子单元，用于判断所述位置反馈信号的值是否大于所述第一值，获得第一信号比较结果，将所述第一信号比较结果发送至所述阀门控制单元；

所述阀门控制单元具体用于，当所述第一信号比较结果为是时，控制所述第二腔进气，第一腔排气，使得所述位置反馈信号的值减小；当所述第一信号比较结果为否时，控制所述第一腔进气，第二腔排气，使得所述位置反馈信号的值增大；

其中，所述比较器单元进一步包括第二比较子单元，用于判断所述位置反馈信号的值与所述第一值之差的绝对值，是否大于第二值，获得第二信号比较结果；所述第二值小于所述第一值；

所述阀门控制单元进一步用于，当所述第二信号比较结果为是时，通知所述第一比较子单元进行判断；当所述第二信号比较结果为否时，控制所述第一腔和第二腔的进排气口处于关闭状态，使所述活塞停止运动。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述设定值还包括第三值和第四值，用于指示所述活塞往复运动区间的起始位和终止位，所述第三值小于所述第四值；

所述比较器单元进一步包括第三比较子单元，用于判断所述位置反馈信号的值，与所述第三值和第四值的大小关系，获得第三信号比较结果；

所述阀门控制单元进一步用于，当所述第三信号比较结果为，所述位置反馈信号的值大于所述第四值时，控制所述第二腔进气，第一腔排气，使得所述位置反馈信号的值减小；当所述第三信号比较结果为，所述位置反馈信号的值小于所述第三值时，控制所述第一腔进气，第二腔排气，使所述位置反馈信号的值增加；当所述第三信号比较结果为，所述位置反馈信号的值介于所述第三值与第四值之间时，维持所述第一腔以及第二腔的进排气状态，使得所述活塞保持运动方向。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述设定值进一步包括第五值；所述比较器单元进一步包括第四比较子单元，用于判断所述第四值是否大于所述第五值，获得第四信号比较结果：

所述阀门控制单元进一步用于，当所述第四信号比较结果为是，通知所述第三比较子单元进行判断；当所述第四信号比较结果为否，使第一腔快速排气。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述设定值进一步包括第六值，所述第六值小于所述第四值；所述比较器单元进一步包括第五比较子单元，用于判断所述第三值与所述位置反馈信号的值之差，是否大于所述第六值，获得第五信号比较结果：

所述阀门控制单元进一步用于，当所述第五信号比较结果为是，使所述第二腔快速排气；所述第五信号比较结果为否，使所述第二腔可控排气，并通知所述第三比较子单元进行判断。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述非接触式位移传感器为，微脉冲式位移传感器或磁致伸缩式位移传感器，所述非接触式位移传感器的磁环，位于所述活塞上。

11.一种伺服控制系统，用于控制气动执行元件内活塞的运动，所述活塞将所述气动执行元件分割为第一腔和第二腔；其特征在于，所述伺服控制系统包含：位移传感装置，所述气动执行元件，以及如权利要求6～10任一项所述的伺服控制装置；

所述位移传感装置包含所述非接触式位移传感器；所述位移传感装置用于将所述非接触式位移传感器产生的所述位置反馈信号，传递给所述伺服控制装置的位置反馈信号获得单元。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述位移传感装置的波导管位于所述气动执行元件外部的气动执行拉杆内。