CN103744439A - 一种多电机消隙驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多电机消隙驱动控制系统。该系统中交流电源通过整流模块分别接入每条电机支路的驱动模块，且整流模块分别通过第一电流、电压传感器接入信号采集与调理模块，每条电机支路中驱动模块接入电机并通过第二电流传感器接入信号采集与调理模块、电机通过第二位置传感器接入信号采集与调理模块；齿轮与电机的转轴固定相接，各个齿轮均与输出轴啮合；输出轴通过第一位置传感器接入信号采集与调理模块，信号采集与调理模块接入DSP芯片，DSP芯片分别通过信号隔离输出模块接入各条电机支路的驱动模块，上位机通过CAN总线模块向DSP芯片发送位置控制信息，通过各条电机支路的驱动模块控制电机及齿轮的运转从而调整输出轴的转动并消除齿轮传动过程中的齿隙。

Description

一种多电机消隙驱动控制系统

技术领域

本发明涉及电机驱动控制的消除齿隙技术领域，特别是一种多电机消隙驱动控制系统。

背景技术

随着科技的进步，电机作为系统的最终执行元件，在各个领域已经得到了广泛的应用，同时，人们对电机的控制精度也提出了更高的要求。在高精度控制领域，伺服系统得到了广泛的应用，这主要是基于伺服系统良好的控制性能。在伺服系统中，伺服电机常使用齿轮进行传动功率，然而在齿轮传动过程中，不可避免的会存在齿侧间隙—齿隙，这对伺服系统的控制精度造成了严重的影响。

为了消除齿隙，传统的方法包括机械消隙控制和电消隙控制。机械消隙控制是在传动齿轮之间通过增加弹簧，实现消隙控制，该方法只能实现小功率的传动消隙，且不利于应对系统传动突变的情况。电消隙控制中常采用多速度环多电流环控制技术，该控制方法不能保证系统中各个环路的同步控制，系统的可靠性存在缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够高效、精确地消除齿轮传动过程中齿隙的多电机消隙驱动控制系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种多电机消隙驱动控制系统，包括交流电源、整流模块、第一电流传感器、第一电压传感器、上位机、DSP控制系统、第一位置传感器和多条电机支路，其中每条电机支路均包括驱动模块、第二电流传感器、电机、齿轮和第二位置传感器，DSP控制系统包括DSP芯片、CAN总线模块、信号采集与调理模块和信号隔离输出模块；

所述交流电源接入整流模块，整流模块的输出端分别接入每条电机支路的驱动模块，且整流模块分别通过第一电流传感器、第一电压传感器接入信号采集与调理模块，每条电机支路中驱动模块的输出端接入该条支路中的电机输入端，驱动模块输出端通过第二电流传感器接入信号采集与调理模块，电机通过第二位置传感器接入信号采集与调理模块，齿轮与电机的转轴固定相接；各个齿轮均与输出轴啮合；输出轴通过第一位置传感器接入信号采集与调理模块，信号采集与调理模块接入DSP芯片，DSP芯片分别通过信号隔离输出模块接入各条电机支路的驱动模块，上位机通过CAN总线模块与DSP芯片相连接；

上位机向DSP芯片发送位置控制信息，DSP芯片根据位置控制信息向各条电机支路发送控制信号，通过各条电机支路的驱动模块控制电机及齿轮的运转，从而调整输出轴的转动。

一种多电机消隙驱动控制方法，包括以下步骤：

步骤1，系统初始化，包括驱动模块的控制信号初始化，将DSP芯片与上位机建立通讯，并在DSP芯片中建立位置控制模块、速度控制模块、速度计算模块、消隙控制模块和电流控制模块；

步骤2，DSP芯片中的位置控制模块接收上位机通过CAN总线模块发送来的期望位置信号，同时位置控制模块读取第一位置传感器返回的输出轴的位置信息，位置控制模块根据期望位置信号和输出轴的位置信息得到速度控制信号，并将该速度控制信号发送至速度控制模块；

步骤3，速度计算模块将各条电机支路中第二位置传感器获得的电机位置信息转换为电机转动的速度值，并将该电机转动的速度值输入速度控制模块；

步骤4，速度控制模块根据步骤2所得速度控制信号与步骤3所得电机转动的速度值，得到速度控制模块对电流控制模块的电流控制信号；

步骤5，消隙控制模块通过第二位置传感器获得电机的位置信息，得到消隙控制模块对电流控制模块的电流控制信号；

步骤6，电流控制模块综合速度控制模块、消隙控制模块和第二电流传感器的电流控制信号，对驱动模块进行控制，进而拖动电机及齿轮进行运转，多条电机支路共同拖动输出轴进行运转。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）利用高性能微处理器构造出多个数字化控制模块，对整个消隙控制和驱动控制实施数字化控制，从而获得高精度的伺服控制。（2）构造出位置控制环、速度控制环、电流控制环和消隙控制环，多个环路共同作用，实现系统消隙驱动控制的高可靠性。（3）对于大负载的情况，可以通过增加多个电机支路，实现高功率大负载的有效控制。（4）系统采用同一位置控制环、速度控制环和消隙控制环，可以有效实现多条电机支路的同步控制及驱动控制系统的消隙控制。

附图说明

图1是本发明多电机消隙驱动控制系统的双电机消隙驱动控制系统整体结构图。

图2是本发明多电机消隙驱动控制系统的双电机消隙驱动控制系统原理示意图。

图3是本发明多电机消隙驱动控制系统的双电机消隙驱动控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明多电机消隙驱动控制系统，包括交流电源、整流模块、第一电流传感器、第一电压传感器、上位机、DSP控制系统、第一位置传感器和多条电机支路，其中每条电机支路均包括驱动模块、第二电流传感器、电机、齿轮和第二位置传感器，DSP控制系统包括DSP芯片、CAN总线模块、信号采集与调理模块和信号隔离输出模块；

所述交流电源接入整流模块，整流模块的输出端分别接入每条电机支路的驱动模块，且整流模块分别通过第一电流传感器、第一电压传感器接入信号采集与调理模块，每条电机支路中驱动模块的输出端接入该条支路中的电机输入端，驱动模块输出端通过第二电流传感器接入信号采集与调理模块，电机通过第二位置传感器接入信号采集与调理模块，齿轮与电机的转轴固定相接；各个齿轮均与输出轴啮合；输出轴通过第一位置传感器接入信号采集与调理模块，信号采集与调理模块接入DSP芯片，DSP芯片分别通过信号隔离输出模块接入各条电机支路的驱动模块，上位机通过CAN总线模块与DSP芯片相连接；上位机向DSP芯片发送位置控制信息，DSP芯片根据位置控制信息向各条电机支路发送控制信号，通过各条电机支路的驱动模块控制电机及齿轮的运转，从而调整输出轴的转动。

所述各条电机支路中电机的转轴、齿轮和第二位置传感器同轴。所述电机支路的条数为偶数。所述信号采集与调理模块包括顺次相连的稳压滤波电路、偏置电压电路和比例调整电路，稳压滤波电路稳定传感器的输出信号，偏置电压电路将传感器的输出信号转换为比例调整电路能够处理的范围，比例调整电路将信号调整为DSP芯片能够接收的范围。

本发明多电机消隙驱动控制系统，各个硬件的功能如下：

所述整流模块将交流电源提供的交流电整流为驱动模块可以使用的直流电；所述第一电压传感器用于检测整流模块的输出电压；所述驱动模块由信号隔离输出模块控制后用于驱动电机的运行；所述第一电流传感器用于检测整流模块的输出电流，第二电流传感器用于检测驱动模块的输出电流；所述电机用于拖动齿轮进行运转；所述第一位置传感器用于检测电机的位置信息，第二位置传感器用于检测输出轴的位置信息；所述信号采集与调理模块用于接收各个电流传感器、电压传感器、位置传感器的输出值；所述齿轮用于拖动输出轴进而拖动负载的运行；所述上位机通过CAN总线模块与DSP芯片进行通信，对系统进行控制并实时显示系统运行结果。

结合图2，本发明多电机消隙驱动控制系统的工作原理如下：将DSP控制系统、驱动模块、电机及其齿轮作为多电机消隙驱动控制系统基本组成单元，与输出轴的第一位置传感器、位置控制模块组成整个系统的闭环控制，用于实现该伺服系统的高精度位置控制；电流控制模块、驱动模块、第二电流传感器组成系统的电流控制环用于实现系统内部电流的闭环控制；消隙控制模块、电流控制模块、驱动模块、电机、第二位置传感器组成系统的消隙控制环，用于实现系统齿隙的消除；速度控制模块、电流控制模块、驱动模块、电机、第二位置传感器、速度计算模块组成系统的速度控制环，位置控制模块通过速度控制环实现系统的位置控制。

结合图3，本发明多电机消隙驱动控制方法，包括以下步骤：

步骤1，系统初始化，包括驱动模块的控制信号初始化，将DSP芯片与上位机建立通讯，并在DSP芯片中建立位置控制模块、速度控制模块、速度计算模块、消隙控制模块和电流控制模块；

步骤2，DSP芯片中的位置控制模块接收上位机通过CAN总线模块发送来的期望位置信号，同时位置控制模块读取第一位置传感器返回的输出轴的位置信息，位置控制模块根据期望位置信号和输出轴的位置信息得到速度控制信号，并将该速度控制信号发送至速度控制模块；

步骤3，速度计算模块将各条电机支路中第二位置传感器获得的电机位置信息转换为电机转动的速度值，并将该电机转动的速度值输入速度控制模块；

步骤4，速度控制模块根据步骤2所得速度控制信号与步骤3所得电机转动的速度值，得到速度控制模块对电流控制模块的电流控制信号；

步骤5，消隙控制模块通过第二位置传感器获得电机的位置信息，得到消隙控制模块对电流控制模块的电流控制信号；

步骤6，电流控制模块综合速度控制模块、消隙控制模块和第二电流传感器的电流控制信号，对驱动模块进行控制，进而拖动电机及齿轮进行运转，多条电机支路共同拖动输出轴进行运转。

下面以双电机消隙驱动控制系统为例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

结合图1，本发明多电机消隙驱动控制系统的双电机消隙驱动控制系统，包括交流电源、整流模块、电流传感器A、电压传感器V、驱动模块1、电流传感器A1、电机1、齿轮1、位置传感器P1、驱动模块2、电流传感器A2、电机2、齿轮2、位置传感器P2、上位机、输出轴、位置传感器P和DSP控制系统；所述DSP控制系统由DSP芯片、信号采集与调理模块、信号隔离输出模块和CAN总线模块构成。

所述整流模块与交流电源、驱动模块1、驱动模块2、电流传感器A、电压传感器V连接；所述驱动模块1与整流模块、电流传感器A1、信号隔离输出模块相连；所述电机1与电流传感器A1、位置传感器P1、齿轮1相连；所述驱动模块2与整流模块、电流传感器A2、信号隔离输出模块相连；所述电机2与电流传感器A2、位置传感器P2、齿轮2相连；所述信号采集与调理模块与电流传感器Ａ、电压传感器V、电流传感器A1、位置传感器P1、电流传感器A2、位置传感器P2、位置传感器P相连；所述输出轴与齿轮1、齿轮2、位置传感器P相连；所述上位机通过CAN总线模块与DSP芯片相连。

所述整流模块将交流电源提供的交流电整流为驱动模块1和驱动模块2可以使用的直流电；所述电流传感器A和电压传感器V用于检测整流模块的输出电流和电压；所述驱动模块1由信号隔离输出模块控制后用于驱动电机1的运行；所述电流传感器A1用于检测驱动模块1的输出电流；所述电机1用于拖动齿轮1进行运转；所述位置传感器P1用于检测电机1的位置信息；所述驱动模块2由信号隔离输出模块控制后用于驱动电机2的运行；所述电流传感器A2用于检测驱动模块2的输出电流；所述电机2用于拖动齿轮2进行运转；所述位置传感器P2用于检测电机2的位置信息；所述位置传感器P用于检测输出轴的位置信息；所述信号采集与调理模块用于接收电流传感器A、电压传感器V、电流传感器A1、位置传感器P1、电流传感器A2、位置传感器P2、位置传感器P的输出值；所述齿轮1、齿轮2用于共同拖动输出轴进而拖动负载的运行；所述上位机通过CAN总线模块与DSP芯片进行通信，可以对系统进行控制并实时显示系统运行结果。

所述信号采集与调理模块将接收到的电压、电流、位置信号进行调理，使其达到DSP芯片的输入范围，DSP芯片通过反馈的驱动模块的电流信号以及电机的位置信号，对系统实施闭环控制，保证消隙驱动控制的精准度。

结合图2，本发明多电机消隙驱动控制系统的双电机消隙驱动控制系统，由DSP芯片实现系统的整个控制，包括位置控制模块、速度控制模块、速度计算模块、消隙控制模块、电流控制模块；上位机通过CAN总线将期望位置信号发送给位置控制模块，位置控制模块通过读取位置传感器P返回的输出轴的位置信息，经计算后，将得到的速度控制信号发送给速度控制模块，速度计算模块将位置传感器P1和位置传感器P2获得的电机1和电机2的位置信息转换为其速度值，速度控制模块根据速度控制信号与速度计算模块的速度值，得到其对电流控制模块1与电流控制模块2的电流控制信号；消隙控制模块通过计算位置传感器P1和位置传感器P2获得的电机1和电机2的位置信息，得到其对电流控制模块1与电流模块2的电流控制信号；电流控制模块1综合速度控制模块、消隙控制模块和电流传感器A1的电流控制信号，对驱动模块1进行控制，进而拖动电机1及齿轮1进行运转；电流控制模块2综合速度控制模块、消隙控制模块和电流传感器A2的电流控制信号，对驱动模块2进行控制，进而拖动电机2及齿轮2进行运转；齿轮1与齿轮2共同拖动输出轴进行运转，进而实现该系统的消隙驱动控制。

结合图3，本发明多电机消隙驱动控制系统的双电机消隙驱动控制方法流程图，具体步骤如下：

第1步，系统初始化，包括驱动模块的控制信号初始化及与上位机建立通讯的相关设置；

第2步，检测电机1和电机2的初始位置，并计算其初始位置的差值E₀；

第3步，控制电机1正向转动一个小角度ne，控制电机2反向转动一个小角度ne，n的初始值为1；

第4步，读取电流传感器A1、A2的值I1、I2，并计算I1、I2的值是否大于额定电流值I_额的5%，若满足条件则程序继续执行，否则n值加1后继续执行第3步；5%的额定电流值用于保证消隙驱动控制的准确度；

第5步，记E=E₀+ne₀作为电机1与电机2的固定位置差值；

第6步，读取上位机对位置的设定值；

第7步，根据上位机对位置的设定值，调整控制系统的相关参数；

第8步，驱动电机1和电机2运行，并保持其位置的差值始终为恒定值E；

第9步，检测输出轴的位置值是否达到其设定值，若满足条件则程序继续执行，否则继续执行第7步；

第10步，读取整流模块的电流值和电压值，以及驱动模块1和驱动模块2的电流值，并判断该电流值和电压值是否超出设定的警戒边界，若电流电压出界，则向上位机发送错误信息，并停止运行，否则继续执行第6步，读取上位机对位置的设定值。

Claims (5)

1.一种多电机消隙驱动控制系统，其特征在于，包括交流电源、整流模块、第一电流传感器、第一电压传感器、上位机、DSP控制系统、第一位置传感器和多条电机支路，其中每条电机支路均包括驱动模块、第二电流传感器、电机、齿轮和第二位置传感器，DSP控制系统包括DSP芯片、CAN总线模块、信号采集与调理模块和信号隔离输出模块；

所述交流电源接入整流模块，整流模块的输出端分别接入每条电机支路的驱动模块，且整流模块分别通过第一电流传感器、第一电压传感器接入信号采集与调理模块，每条电机支路中驱动模块的输出端接入该条支路中的电机输入端，驱动模块输出端通过第二电流传感器接入信号采集与调理模块，电机通过第二位置传感器接入信号采集与调理模块，齿轮与电机的转轴固定相接；各个齿轮均与输出轴啮合；输出轴通过第一位置传感器接入信号采集与调理模块，信号采集与调理模块接入DSP芯片，DSP芯片分别通过信号隔离输出模块接入各条电机支路的驱动模块，上位机通过CAN总线模块与DSP芯片相连接；

上位机向DSP芯片发送位置控制信息，DSP芯片根据位置控制信息向各条电机支路发送控制信号，通过各条电机支路的驱动模块控制电机及齿轮的运转，从而调整输出轴的转动。

2.根据权利1所述的多电机消隙驱动控制系统，其特征在于，所述各条电机支路中电机的转轴、齿轮和第二位置传感器同轴。

3.根据权利1所述的多电机消隙驱动控制系统，其特征在于，所述电机支路的条数为偶数。

4.根据权利1所述的多电机消隙驱动控制系统，其特征在于，所述信号采集与调理模块包括顺次相连的稳压滤波电路、偏置电压电路和比例调整电路，稳压滤波电路稳定传感器的输出信号，偏置电压电路将传感器的输出信号转换为比例调整电路能够处理的范围，比例调整电路将信号调整为DSP芯片能够接收的范围。

5.一种多电机消隙驱动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，系统初始化，包括驱动模块的控制信号初始化，将DSP芯片与上位机建立通讯，并在DSP芯片中建立位置控制模块、速度控制模块、速度计算模块、消隙控制模块和电流控制模块；

步骤2，DSP芯片中的位置控制模块接收上位机通过CAN总线模块发送来的期望位置信号，同时位置控制模块读取第一位置传感器返回的输出轴的位置信息，位置控制模块根据期望位置信号和输出轴的位置信息得到速度控制信号，并将该速度控制信号发送至速度控制模块；

步骤3，速度计算模块将各条电机支路中第二位置传感器获得的电机位置信息转换为电机转动的速度值，并将该电机转动的速度值输入速度控制模块；

步骤4，速度控制模块根据步骤2所得速度控制信号与步骤3所得电机转动的速度值，得到速度控制模块对电流控制模块的电流控制信号；

步骤5，消隙控制模块通过第二位置传感器获得电机的位置信息，得到消隙控制模块对电流控制模块的电流控制信号；

步骤6，电流控制模块综合速度控制模块、消隙控制模块和第二电流传感器的电流控制信号，对驱动模块进行控制，进而拖动电机及齿轮进行运转，多条电机支路共同拖动输出轴进行运转。

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