CN106788091A - 一种开环直线运动的伺服控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开环直线运动的伺服控制装置及方法，包括伺服控制机箱、伺服电机、导轨、限位装置；所述伺服控制机箱包括伺服控制板、伺服驱动器和用于供电的电源；所述伺服控制板上设有通信接口，用于与上位机通信，伺服控制板的输出端分别与伺服驱动器和伺服电机相连，伺服驱动器的输出端与伺服电机相连；所述限位装置安装在导轨的端部，其输出端与伺服控制板的输入端相连。本发明使用伺服电机进行开环直线运动，通过在轨道两端加装传感器的方法可实现确定运动零位和突发情况的状态恢复；伺服控制部分为一个整体机箱，提供AC220V电源和RS422通信即可实现远距离控制，实现伺服控制的即插即用和易于使用。

Description

一种开环直线运动的伺服控制装置及方法

技术领域

本发明具体涉及一种开环直线运动的伺服控制装置及方法，适用于伺服在较长距离上进行较高精度的高速开环直线运动。

背景技术

开环直线运动在传统的工业生产等领域有广泛的应用。传统的开环直线运动主要使用步进电机，通过调整步进电机输入脉冲信号的频率和脉冲个数来实现移动距离的可控。步进电机具有低频容易抖动、启动速度慢、无法过载运动、精度相对较低等缺点。对于在较长的直线轨道内负载较重设备进行来回往复运动，使用步进电机很难实现平稳运动和准确反馈位置，在特定场合需要负载大、加速快的开环直线运动。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种开环直线运动的伺服控制装置及方法。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种开环直线运动的伺服控制装置，包括伺服控制机箱、伺服电机、导轨、限位装置；所述伺服控制机箱包括伺服控制板、伺服驱动器和用于供电的电源；所述伺服控制板上设有通信接口，用于与上位机通信，伺服控制板的输出端分别与伺服驱动器和伺服电机相连，伺服驱动器的输出端与伺服电机相连，伺服电机用于安装在待驱动的物体上；所述导轨用于供待驱动的物体沿其运动；所述限位装置安装在导轨的端部，其输出端与伺服控制板的输入端相连。

作为本发明的进一步改进，所述导轨为齿条轨道；所述伺服控制装置还包括减速器，减速器的齿轮与导轨上的齿条啮合，减速器与伺服控制板电连接。

作为本发明的进一步改进，所述限位装置包括一个或者两个限位开关；当限位装置包括两个限位开关时，两个限位开关分别安装在导轨的两端。

作为本发明的进一步改进，所述限位开关包括限位块和与限位块相连的机械开关。

作为本发明的进一步改进，所述伺服控制板与伺服电机之间设有光电耦合器；伺服控制板与伺服驱动器之间设有单端-差分芯片，用于将信号转换为差分信号。

作为本发明的进一步改进，所述伺服电机和伺服驱动器之间还设有光电编码器，光电编码器用于在伺服电机和伺服驱动器之间形成电流与速度闭环。

一种开环直线运动的伺服控制方法，包括以下步骤：

步骤一、在伺服电机与伺服驱动器之间形成电流和速度闭环；

步骤二、设置伺服驱动器的相关参数，将伺服电机调整为位置环控制，使得伺服驱动器每接收一个脉冲，伺服电机运动一个单位长度；

步骤三、伺服控制板向伺服驱动器发送脉冲和方向信号，通过调整控制脉冲的频率和脉冲个数，实现伺服电机的位置和速度控制；

步骤四、伺服控制板对发向伺服驱动器的脉冲信号进行计数，计数的方向由方向信号控制，实时计算当前伺服电机的位置。

作为本发明的进一步改进，所述的一种开环直线运动的伺服控制方法，还包括步骤：直线运动的零位确认，具体为：在调试确定伺服运动正向和反向时，当伺服电机开始运动时，上位机发送“定零位”指令给伺服电机，使伺服电机进行反向或者正向开环运动，直到压到反向或者正向的限位开关停止运动，上位机通过伺服控制板接收到了限位开关发送的信号，上位机自动确认当前位置为设定距离，而后发送“回零”指令给伺服电机，解除限位状态，伺服电机回到零位；在伺服电机出现系统异常而断电的情况时，上位机发送“定零位”指令给伺服电机，按照前述步骤使得伺服电机回到零位。

作为本发明的进一步改进，所述直线运动的零位确认步骤中，设定距离为-0.2m。

本发明的有益效果：

本发明的一种开环直线运动的伺服控制装置及方法，使得伺服电机进行开环直线运动，伺服电机具有力矩恒定、负载力强、加速度快且运动精度高的特点，可以胜任大负载、长距离的高速运动，通过在轨道两端加装传感器的方法可实现确定运动零位和突发情况的状态恢复；伺服控制部分为一个整体机箱，提供AC220V电源和RS422通信即可实现远距离控制，实现伺服控制的即插即用和易于使用。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体原理示意图；

图2为本发明一种实施例的伺服直线运动部分装配示意图；

图3为本发明一种实施例的减速器与伺服电机的装配示意图；

图4为本发明一种实施例的减速器齿轮与齿条啮合结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，一种开环直线运动的伺服控制装置，包括伺服控制机箱、伺服电机、导轨、限位装置；所述伺服控制机箱包括伺服控制板、伺服驱动器和用于供电的电源；所述伺服控制板上设有通信接口，用于与上位机通信，接收上位机发送出来的信号；伺服控制板的输出端分别与伺服驱动器和伺服电机相连，伺服驱动器的输出端与伺服电机相连，伺服控制板发出驱动器控制信号给伺服驱动器，伺服驱动器发送伺服驱动信号给旋转电机，且伺服控制板还用于发送抱闸信号给旋转电机；伺服电机用于安装在待驱动的物体上；所述导轨用于供待驱动的物体沿其运动；所述限位装置安装在导轨的端部，其输出端与伺服控制板的输入端相连。

优选地，所述导轨为齿条轨道；为了增大伺服电机的负载能力，所述伺服控制装置还包括减速器，减速器的齿轮与导轨上的齿条啮合，减速器与伺服控制板电连接。

在本发明的一种实施例中，所述限位装置包括一个或者两个限位开关；当限位装置包括两个限位开关时，两个限位开关分别安装在导轨的两端。

优选地，所述限位开关包括限位块和与限位块相连的机械开关。

在本发明的一种实施例中，所述伺服电机的编码线缆使用屏蔽双绞线包裹，同时伺服电机的编码线和驱动线使用线槽拖曳器包裹；机械开关连接线缆使用屏蔽双绞线包裹。

在本发明的一种实施例中，所述伺服控制板与伺服电机之间设有光电耦合器，用来进行信号隔离处理；伺服控制板与伺服驱动器之间设有单端-差分芯片(优选为AM26C31)，用于将信号转换为差分信号。

在本发明的一种实施例中，所述伺服电机和伺服驱动器之间还设有光电编码器，光电编码器用于在伺服电机和伺服驱动器之间形成电流与速度闭环。

一种开环直线运动的伺服控制方法，包括以下步骤：

步骤一、利用位于伺服电机与伺服驱动器间的光电编码器在伺服电机与伺服驱动器之间形成电流和速度闭环，使得伺服电机具备较好的负载和加减速特性；

步骤二、设置伺服驱动器的相关参数，将伺服电机调整为位置环控制，使得伺服驱动器每接收一个脉冲，伺服电机运动一个单位长度；此时伺服电机的控制类似于步进电机；

步骤三、伺服控制板向伺服驱动器发送脉冲和方向信号，通过调整控制脉冲的频率和脉冲个数，实现伺服电机的位置和速度控制；

步骤四、伺服控制板对发向伺服驱动器的脉冲信号进行计数，计数的方向由方向信号控制，实时计算当前伺服电机的位置。例如：假设小车正向运动1m，伺服控制板需发送的脉冲数为a，如果发送b个脉冲且方向信号为负，当前位置为c，则运动后伺服位置s＝[c-(b/a)*1]。以较小的时间间隔△t采集两个位置s1、s2，则可计算平均速度v＝(s2-s1)/△t。取△t为极小时间(实际系统中取2ms)即可获得近似实时速度。

在本发明的一种实施例中所述的一种开环直线运动的伺服控制方法，还包括步骤：直线运动的零位确认，具体为：在调试确定伺服运动正向和反向时，当伺服电机开始运动时，上位机发送“定零位”指令给伺服电机，使伺服电机进行反向或者正向开环运动，直到压到位于导轨上的反向或者正向的限位开关停止运动，上位机通过伺服控制板接收到了限位开关发送的信号，上位机自动确认当前位置为设定距离，而后发送“回零”指令给伺服电机，解除限位状态，伺服电机回到零位；在伺服电机出现系统异常而断电的情况时，上位机发送“定零位”指令给伺服电机，按照前述步骤使得伺服电机回到零位(即伺服电机运动，直到压到位于导轨上的反向或者正向的限位开关停止运动，上位机发送“定零位”指令给伺服电机，解除限位状态，伺服电机回到零位)。

在本发明的一种实施例中，所述直线运动的零位确认步骤中，设定距离为-0.2m，比如当上位机自动确认当前位置为-0.2m，则伺服电机收到“回零”指令后，移动0.2m，即可回到零位)。

实施例一

在某XX项目中，需要在高达130米的户外实现小车直线运动，速度要求1.5m/s，负载10公斤，运动距离12米。由于该项目整体处于户外，各种测距传感器工作稳定性很难保证；由于轨道距离较长，测角多圈传感器也很难应用。因而采用了基于伺服的开环直线运动方式。

图2为伺服直线运动部分(即伺服电机、导轨和限位开关)装配示意图，轨道为齿条轨道，伺服电机及相关设备负载于小车上。如附图3和4所示，伺服电机使用减速比为4:1的减速器增大负载能力，减速器齿轮与齿条啮合。伺服电机的编码线缆使用屏蔽双绞线可提高抗干扰能力，同时伺服电机的编码线和驱动线使用线槽拖曳器以避免线缆绞缠。

伺服导轨两端均放置限位块，用于保证伺服装置不会脱轨。靠近限位块的位置安装机械开关和电子限位开关，用于进行电子限位和指示零位。机械开关连接线缆使用屏蔽双绞线缆保证信号抗干扰能力。

伺服控制机箱包含伺服控制板、伺服驱动器和用于供电的电源。伺服控制板装配在金属屏蔽盒中增强抗干扰能力。伺服控制板选择英飞凌XE167作为主控芯片，负责驱动脉冲的产生、限位信号的处理以及与上位机的通信。伺服的限位信号发送至伺服控制板，通过消抖芯片MAX6818发送至主控芯片指示正反向限位。为了实现长达130m的长距离通信，采用RS422通信方式。为减少电磁干扰，伺服控制板发送至伺服电机的信号均使用光电耦合器隔离；伺服控制板发送至伺服驱动器的信号采用AM26C31转换为差分信号。

实际使用中，该小车运动误差不超过1mm，最大速度为1.5m/s，当设置最大速度为1.5m/s时，可以在7s内完成加减速运动跑完9m。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种开环直线运动的伺服控制装置，其特征在于：包括伺服控制机箱、伺服电机、导轨、限位装置；所述伺服控制机箱包括伺服控制板、伺服驱动器和用于供电的电源；所述伺服控制板上设有通信接口，用于与上位机通信，伺服控制板的输出端分别与伺服驱动器和伺服电机相连，伺服驱动器的输出端与伺服电机相连，伺服电机用于安装在待驱动的物体上；所述导轨用于供待驱动的物体沿其运动；所述限位装置安装在导轨的端部，其输出端与伺服控制板的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种开环直线运动的伺服控制装置，其特征在于：所述导轨为齿条轨道；所述伺服控制装置还包括减速器，减速器的齿轮与导轨上的齿条啮合，减速器与伺服控制板电连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种开环直线运动的伺服控制装置，其特征在于：所述限位装置包括一个或者两个限位开关；当限位装置包括两个限位开关时，两个限位开关分别安装在导轨的两端。

4.根据权利要求3所述的一种开环直线运动的伺服控制装置，其特征在于：所述限位开关包括限位块和与限位块相连的机械开关。

5.根据权利要求1所述的一种开环直线运动的伺服控制装置，其特征在于：所述伺服控制板与伺服电机之间设有光电耦合器；伺服控制板与伺服驱动器之间设有单端-差分芯片，用于将信号转换为差分信号。

6.根据权利要求1所述的一种开环直线运动的伺服控制装置，其特征在于：所述伺服电机和伺服驱动器之间还设有光电编码器，光电编码器用于在伺服电机和伺服驱动器之间形成电流与速度闭环。

7.一种开环直线运动的伺服控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在伺服电机与伺服驱动器之间形成电流和速度闭环；

步骤二、设置伺服驱动器的相关参数，将伺服电机调整为位置环控制，使得伺服驱动器每接收一个脉冲，伺服电机运动一个单位长度；

步骤三、伺服控制板向伺服驱动器发送脉冲和方向信号，通过调整控制脉冲的频率和脉冲个数，实现伺服电机的位置和速度控制；

步骤四、伺服控制板对发向伺服驱动器的脉冲信号进行计数，计数的方向由方向信号控制，实时计算当前伺服电机的位置。

8.根据权利要求6所述的一种开环直线运动的伺服控制方法，其特征在于：还包括步骤：直线运动的零位确认，具体为：在调试确定伺服运动正向和反向时，当伺服电机开始运动时，上位机发送“定零位”指令给伺服电机，使伺服电机进行反向或者正向开环运动，直到压到反向或者正向的限位开关停止运动，上位机通过伺服控制板接收到了限位开关发送的信号，上位机自动确认当前位置为设定距离，而后发送“回零”指令给伺服电机，解除限位状态，伺服电机回到零位；在伺服电机出现系统异常而断电的情况时，上位机发送“定零位”指令给伺服电机，按照前述步骤使得伺服电机回到零位。

9.根据权利要求6所述的一种开环直线运动的伺服控制方法，其特征在于：所述直线运动的零位确认步骤中，设定距离为-0.2m。