CN107179783A - 一种双驱动同步跟踪旋转运动控制装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双驱动同步跟踪旋转运动控制装置与方法，包括双驱动旋转运动装置部分及检测控制部分，本发明利用两个转子及扭矩传感器构成的检测系统检测两个轴的扭矩信号，输入工控计算机得到转角差和转速差，再根据力矩电机和交流伺服电机自带编码器测得电机的转角及转速，得到控制信号，经过运动控制卡及伺服驱动器、力矩驱动器驱动两个电机，实现对两电机的转角及转速的双闭环控制，使两驱动装置进行同步跟踪旋转运动。

Description

一种双驱动同步跟踪旋转运动控制装置与方法

技术领域

本发明涉及双驱动同步跟踪控制领域，具体涉及一种双驱动同步跟踪旋转运动控制装置与方法。

背景技术

随着科技的发展，现代制造业的发展出现了新的动力，标志着更加复杂的生产任务和高精度的生产要求。人们对机械设备的质量和产品性能要求越来越高，在某些场合针对一台电机进行控制已经不能满足工作需求。在设备控制过程中，常需要对多个运动单元进行协调同步控制，以使其具有恒定的转速或线速度或位移，来满足其工作需求。在新的制造发展形势下，机械系统的同步控制方法不断发展，规模不断扩大，广泛应用于各个领域。大型设备如冲剪机一般采用定尺停剪方式，该方式生产效率低，精度不易控制，常出现拉(压)痕等缺陷。若使滑动平台与工件同步运动，就能大大提高工作效率。而在需求高精度运动控制的制造业包括微电子，航空航天，太阳能电池，平板制造和检测的过程中同步控制也有许多应用，如在进行精密焊接时，如激光焊也需要考虑相对定位精度以及同步旋转精度，否则会发生咬边、产生缝隙等焊接缺陷。在工作过程中，机械装配变量和各种不确定性干扰的同步误差将影响工作进程，并且可能在工作过程中引起过流保护而阻碍工作过程。所以，控制同步误差已经成为产品制造和检验过程中保证高速度和高精度的重要因素。研究其控制理论和方法并运用于实际生产生活中具有重大的实际意义。

现有的双驱动同步跟踪旋转运动多使用光电编码器对驱动装置的转角转速进行同步控制，需在运动开始前对装置进行调零和误差分析。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种双驱动同步跟踪旋转运动控制装置与方法。

本发明考虑到现有的双驱动同步跟踪旋转运动多使用光电编码器对驱动装置的转角转速进行同步控制，需在运动开始前对装置进行调零和误差分析，使用扭矩传感器测量两电机轴的相对扭矩，可省去调零和误差分析的过程，并能在发现不同步时快速进行调整，从而恢复同步的稳定状态，使整个装置能够快速、准确、稳定地进行同步跟踪旋转运动。

本发明采用如下技术方案：

一种双驱动同步跟踪旋转运动控制装置，包括双驱动旋转运动装置部分及检测控制部分；

所述双驱动旋转运动装置部分包括扭矩传感器，所述扭矩传感器左右两侧的装置为对称结构；

扭矩传感器左侧的装置包括，交流伺服电机通过减速器减速后将扭矩通过与第一联轴器连接的第一轴传递给扭矩传感器，所述第一轴与扭矩传感器通过第二联轴器连接，还包括第一转子，所述第一转子固定在第一轴上，

扭转传感器右侧的装置包括，力矩电机将扭矩通过与第四联轴器连接的第二轴传递给扭矩传感器，第二轴与扭矩传感器通过第三联轴器连接，还包括第二转子，所述第二转子固定在第二轴上；

所述检测控制部分包括：伺服驱动器、运动控制卡、力矩驱动器、工控计算机、动态力矩测试仪及A/D转换卡；

所述扭矩传感器检测的扭转力矩信号输入动态力矩测试仪，然后通过A/D转换卡输入到工控计算机中；

工控计算机发出指令脉冲，经过运动控制卡分别输出伺服驱动器及力矩驱动器，进一步驱动交流伺服电机及力矩电机。

所述交流伺服电机及力矩电机均带有检测转速及转动角度的编码器，编码器检测的电机转速及角度信号，分别经过力矩驱动器及伺服驱动器，通过运动控制卡输入到工控计算机进行处理。

还包括第一、第二及第三基座，所述第一轴通过轴承座固定在第一基座上，所述第二轴通过轴承座固定在第三基座上，所述交流伺服电机与减速器安装架固定在第一基座上，所述扭矩传感器通过支架固定在第二基座上，力矩电机通过力矩电机安装架固定在第三基座上，三个基座固定在实验台上。

所述第二联轴器与第一转子及扭矩传感器之间，第四联轴器和第二转子及扭转传感器之间均留有间隙。

一种双驱动同步跟踪旋转运动控制装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步，利用力矩电机及交流伺服电机自带的编码器检测电机的转角及转速，分别经过力矩驱动器及伺服驱动器，通过运动控制卡输入到工控计算机进行处理，得到反馈信号；

第二步，扭矩传感器及第一、第二转子测得的信号由动态扭矩测试仪输出给A/D转换卡转换成数字信号并输入到工控计算机进行处理，得到相应的转角差反馈信号；

第三步，将第一步和第二步得到的各反馈信号输入到工控计算机中使用设定好的算法进行处理，之后生成控制两电机的脉冲信号，分别经过运动控制卡和伺服驱动器、力矩驱动器处理后输出到交流伺服电机和力矩电机，从而实现对两电机的转角及转速的双闭环控制，使两驱动装置进行同步跟踪旋转运动。

本发明具有如下有益效果：

(1)本扭矩检测装置由一个扭矩传感器和两转子构成的动平衡系统组成，减少扭振，减小误差，使测量结果更加精确。

(2)本装置采用交流伺服电机与力矩电机进行旋转同步跟踪运动，并对二者同步情况进行实时动态监测，可实现在高速度下带动较大负载。

(3)本装置可用于同步跟踪精度要求高的科研和生产场所，为理论验证和高精度生产过程提供了一个很好的平台和思路。

附图说明

图1是本发明双驱动同步跟跟踪旋转运动控制装置总体结构示意图；

图2是本发明双驱动同步跟跟踪旋转运动控制装置主视图；

图3是本发明双驱动同步跟跟踪旋转运动控制装置俯视图；

图4是图1中两个转子与扭矩传感器的连接示意图；

图5是图4的主视图；

图6是图4的俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图6所示，一种双驱动同步跟踪旋转运动控制装置，包括双驱动旋转运动装置部分及检测控制部分；

所述双驱动旋转运动装置部分包括扭矩传感器，所述扭矩传感器左右两侧的装置为对称结构；

所述扭矩传感器左侧的装置包括交流伺服电机、减速器、第一联轴器、第一转子及第一轴；

所述交流伺服电机3通过减速器4减速后将扭矩通过与第一联轴器5连接的第一轴21传递给扭矩传感器8，所述第一轴21与扭矩传感器8通过第二联轴器7连接，所述第一转子6固定在第一轴21上.

扭转传感器右侧的装置包括力矩电机、第四联轴器、第二轴、第三联轴器及第二转子，力矩电机11将扭矩通过与第四联轴器10连接的第二轴15传递给扭矩传感器8，第二轴15与扭矩传感器8通过第三联轴器17连接，所述第二转子16固定在第二轴15上；

所述交流伺服电机及力矩电机均带有检测转速及转动角度的编码器，编码器检测的电机转速及角度信号，分别经过力矩驱动器及伺服驱动器，通过运动控制卡输入到工控计算机进行处理。

交流伺服电机与减速器通过减速器安装架2固定在第一基座1上，所述扭矩传感器通过支架19固定在第二基座18上，所述力矩电机通过力矩电机安装架13固定在第三基座上，第一轴的轴承座20固定在第一基座1上，所述第二轴的轴承座9固定在第三基座14上，所述三个基座都固定在加高的台座上，台座固定在实验台12上。

所述检测控制部分包括：

在同步跟踪旋转运动过程中，两转子构成动平衡系统，减少了整个装置的扭振，扭矩传感器能更精确地检测到两个驱动装置输出的扭矩，检测信号输入动态扭矩测试仪26，其输出信号经A/D转换卡27转换后生成数字信号并输入工控计算机25，经过相应处理后，可得到两侧轴之间的转角差和转速差；

电机驱动部分是由工控计算机发出指令脉冲，分别经过运动控制卡24和伺服驱动器22、力矩驱动器23输出控制两个电机的转动；

两电机的控制部分用于处理检测到的扭矩传感器两轴的相对转动，并对两电机的转动情况进行相应的控制处理；

交流伺服电机和力矩电机均带有编码器，可以对电机转动的角度和转速进行处理，得到转角反馈信号和转速反馈信号；

扭矩传感器和两动平衡转子组成的扭矩检测系统用于处理检测到的两侧轴的转角差和转速差，并形成反馈信号输入工控计算机，经设定的控制算法处理后将相关指令输出给交流伺服电机和力矩电机，如此便能对两电机的同步跟踪旋转运动进行实时监控调整。

第一转子6跟随第一轴21转动，第二转子16跟随第二轴15转动，在各轴同轴的条件下可以减少两电机工作带来的扭振，减少扭矩传感器8的测量误差；扭矩传感器8可以进行静态和动态测量，可以实现快速采样的目标。

整个装置完全对称；两转子尺寸应足够大以获得足够大的转动惯量，第一转子6和第二转子16分别固定第一轴21和第二轴15上，紧靠轴肩；第二联轴器7与第一转子6及扭矩传感器之间、第四联轴器和第二转子16及扭矩传感器之间分别也要留有适当的间隙以免干扰转动。

第一联轴器和第四联轴器在装配时需要注意与电机及轴肩之间留有间隙；第一轴承座20和第二轴承座9分别安装在第一轴和第二轴的轴身靠近转子，以减少轴的弯曲变形。

所述的双驱动同步跟踪旋转运动控制方法，包括如下步骤：

第一步利用编码器检测交流伺服电机和力矩电机的转角和转速；

第二步将步骤一检测到的信号经过伺服驱动器22和力矩驱动器23、运动控制卡24后输出给工控计算机25处理，得到反馈信号；

第三步将扭矩传感器和两动平衡转子组成的扭矩检测系统测得的信号由动态扭矩测试仪26输出给A/D转换卡27转换成数字信号并输入到工控计算机25进行处理，得到相应的转角差反馈信号；

第四步将步骤二和步骤三得到的各反馈信号输入到工控计算机25中使用设定好的算法进行处理，之后生成控制两电机的脉冲信号，分别经过运动控制卡24和伺服控制器22、力矩驱动器23处理后输出到交流伺服电机3和力矩电机11，从而实现对两电机的转角及转速的双闭环控制，使两驱动装置进行同步跟踪旋转运动。

本实施例中交流伺服电机选用松下公司MSMJ系列电机中额定输出功率为400W的交流伺服电机，额定转矩为1.3N·m，额定转速为3000rpm，带有制动器，可用来快速停止和准确定位；适配的减速器选用中国会通公司的HTF系列方法兰输出型二级行星减速机，型号为HTF60-25-MSMJ042G，减速比为25，额定输出力矩为40N，额定输入转速为4000rpm；第一联轴器选用米思米公司的双膜片(高刚性)膜片型联轴器，型号为CPSWSK40-14-14-osk，两端有键槽孔，第二联轴器选用米思米公司的双膜片(高刚性)膜片型联轴器，型号为CPSWWK65-16-18，两端有键槽孔；轴的三段直径分别为两端轴颈14mm和16mm、轴身20mm，长度为20mm、35mm、35mm，轴颈上有键槽，直径16mm的轴颈与扭矩传感器的轴连接；扭矩传感器选用美国Interface公司的T2精密扭矩传感器，量程范围为100N·m，采用非接触式动态测量，轴径为18mm。

力矩电机的输出轴为圆轴，无需适配减速器，其扭矩通过用第四联轴器连接的第二轴传递给扭矩传感器,第二轴与扭矩传感器用第三联轴器连接。其中力矩电机选用中国精研公司的TP系列力矩电机，型号为100TP40DV22，圆轴输出，最大容许转矩60N·m，最大输出功率40W；第四联轴器选用米思米公司的双膜片(高刚性)膜片型联轴器，型号为CPSWSK40-12-14-osk，两端有键槽孔；第三联轴器与第二联轴器选型相同，第一轴与第二轴尺寸一样，16mm的轴颈与扭矩传感器的另一轴连接。

第一轴的轴承座20与轴身配合并固定在第一基座上，第二轴的轴承座9也与轴身配合并固定在第三基座上，轴承座采用米思米公司的，型号为S-BGHKSA6904ZZ-40,安装高度40mm，内径20mm。

交流伺服电机3与减速器4用减速器安装架2固定在第一基座上，扭矩传感器8用支架19固定在第二基座上，力矩电机11用力矩电机安装架13固定在第三基座14上，所述的安装架和支座都是电机或传感器配套的，基座固定在加高的台座上，基座宽180mm，螺纹孔之间距离140mm，台座高200mm，宽300mm，台面宽200mm，台座固定在实验台12上。因此装置到实验台台面的安装高度为263mm。

扭矩传感器和两动平衡转子组成的扭矩检测部分中，第一转子6用螺钉固定在第一轴21的轴肩上；第一轴与扭矩传感器用第二联轴器连接，第二转子用螺钉固定在第二轴的轴肩。第二轴与扭矩传感器的轴用第三联轴器连接，扭矩传感器用配套的支架19固定在第二基座上。所述的转子直径300mm，厚度为10mm。

在同步跟踪旋转运动过程中，扭矩传感器能精确地检测到两个驱动装置输出的扭矩，并将检测信号输入动态扭矩测试仪26中，动态扭矩测试仪选择美国Interface公司的9850动态型扭矩测试仪，其输出信号经A/D转换卡27转换后生成数字信号并输入工控计算机25，经过相应处理后，可得到两侧轴之间的转角差和转速差。

电机驱动部分是由工控计算机25发出指令脉冲，分别经过运动控制卡24和伺服驱动器22、力矩驱动器23输出以分别控制交流伺服电机3和力矩电机11的转动。伺服驱动器选择松下公司的适配驱动器，型号为MBDKT2510，力矩电机的驱动器选择精研公司的TK系列内置式驱动器，型号为TK100E。

本发明使用扭矩传感器测量两电机轴的相对扭矩，可省去调零和误差分析的过程，利用扭矩传感器测量精度高、稳定性好、具有测量静态和动态扭矩、无需反复调零、可连续测量正反转扭矩、采样频率高、动态响应快的优点，可以动态测定两电机轴的相对扭矩值，从而使双驱动同步跟踪旋转运动精度更高、响应更快。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双驱动同步跟踪旋转运动控制装置，其特征在于，包括双驱动旋转运动装置部分及检测控制部分；

所述双驱动旋转运动装置部分包括扭矩传感器，所述扭矩传感器左右两侧的装置为对称结构；

扭矩传感器左侧的装置包括，交流伺服电机通过减速器减速后将扭矩通过与第一联轴器连接的第一轴传递给扭矩传感器，所述第一轴与扭矩传感器通过第二联轴器连接，还包括第一转子，所述第一转子固定在第一轴上，

扭转传感器右侧的装置包括，力矩电机将扭矩通过与第四联轴器连接的第二轴传递给扭矩传感器，第二轴与扭矩传感器通过第三联轴器连接，还包括第二转子，所述第二转子固定在第二轴上；

所述检测控制部分包括：伺服驱动器、运动控制卡、力矩驱动器、工控计算机、动态力矩测试仪及A/D转换卡；

所述扭矩传感器检测的扭转力矩信号输入动态力矩测试仪，然后通过A/D转换卡输入到工控计算机中；

工控计算机发出指令脉冲，经过运动控制卡分别输出伺服驱动器及力矩驱动器，进一步驱动交流伺服电机及力矩电机。

2.根据权利要求1所述的一种双驱动同步跟踪旋转运动控制装置，其特征在于，所述交流伺服电机及力矩电机均带有检测转速及转动角度的编码器，编码器检测的电机转速及角度信号，分别经过力矩驱动器及伺服驱动器，通过运动控制卡输入到工控计算机进行处理。

3.根据权利要求1所述的一种双驱动同步跟踪旋转运动控制装置，其特征在于，还包括第一、第二及第三基座，所述第一轴通过轴承座固定在第一基座上，所述第二轴通过轴承座固定在第三基座上，所述交流伺服电机与减速器安装架固定在第一基座上，所述扭矩传感器通过支架固定在第二基座上，力矩电机通过力矩电机安装架固定在第三基座上，三个基座固定在实验台上。

4.根据权利要求1所述的一种双驱动同步跟踪旋转运动控制装置，其特征在于，所述第二联轴器与第一转子及扭矩传感器之间，第四联轴器和第二转子及扭转传感器之间均留有间隙。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种双驱动同步跟踪旋转运动控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，利用力矩电机及交流伺服电机自带的编码器检测电机的转角及转速，分别经过力矩驱动器及伺服驱动器，通过运动控制卡输入到工控计算机进行处理，得到反馈信号；

第二步，扭矩传感器及第一、第二转子测得的信号由动态扭矩测试仪输出给A/D转换卡转换成数字信号并输入到工控计算机进行处理，得到相应的转角差反馈信号；

第三步，将第一步和第二步得到的各反馈信号输入到工控计算机中使用设定好的算法进行处理，之后生成控制两电机的脉冲信号，分别经过运动控制卡和伺服驱动器、力矩驱动器处理后输出到交流伺服电机和力矩电机，从而实现对两电机的转角及转速的双闭环控制，使两驱动装置进行同步跟踪旋转运动。