CN107608249A - 伺服电机驱动器控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伺服电机驱动器控制系统，其技术方案要点包括编码器；霍尔感应器；基准负载检测部，用于获取基准负载电流；惯性负载检测部，获取惯性负载电流；获取惯性脉冲数；传动参数数据库，用于对伺服电机控制用的传动参数及其对应的惯性参数进行存储；上位控制器，通过分别接收基准负载电流、惯性负载电流和惯性脉冲数并计算获取惯性参数；基于所获取的惯性参数以调取传动参数数据库内存储的惯性参数进行逐一对比，若所获取的惯性参数与所调取传动参数数据库内存储的惯性参数相同时，调取与该惯性参数对应的传动参数并传输至伺服驱动器以修改启停参数本发明具有适应于存在多种传动方式的流水线，提升调试效率的效果。
Description
技术领域
本发明涉及伺服系统，更具体地说它涉及一种伺服电机驱动器控制系统。
背景技术
一般而言，伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出，能够跟随输入量(或给定值)的任意变化而变化的自动控制系统。而在自动控制系统中，能够以一定的准确度响应控制信号的系统称为随动系统，亦称伺服系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。
公开号为CN103262404A的中国专利公开了根据负载重量的实时伺服电机控制器，其在负载惯性根据负载(原材料)的重量发生变化的情况下，也能适应性地控制伺服电机。
而在工厂的整体流水线上，常使用大量的伺服电机，进行传动控制，大量的伺服电机必定存在不同类型的传动方式连接，如齿轮传动、链轮链条传动、带轮带传动、丝杠螺母传动等。如现在的汽车工厂，大型零件使用链条传动，小型的零件使用皮带传动，对一些钣金件加工则使用齿轮传动。而不同的传动方式由于其传动效率的不同，产生的惯性传动量有所不同，因此在流水线开机之前，需要调试人员根据传动方式进行一一的调试；从而延长了伺服系统需要调试的时长，且人工容易产生误差。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种伺服电机驱动器控制系统，其优点在于适应于存在多种传动方式的流水线，提升调试效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种伺服电机驱动器控制系统，包括:
编码器，用于检测伺服电机的转动行程，并且输出表示该转动行程的脉冲反馈信号；
霍尔感应器，检测伺服电机的电流，并且输出表示该电流的电流反馈信号；
基准负载检测部，用于获取霍尔感应器当伺服电机在指定匀转速下的输出的基准负载电流；
惯性负载检测部，当伺服电机在指定转动行程下且到达指定转动行程时,获取基于霍尔感应器以输出的惯性负载电流；当伺服电机在指定转动行程下,获取基于编码器以输出的惯性脉冲数；
传动参数数据库，用于对伺服电机控制用的传动参数及其对应的惯性参数进行存储；
上位控制器，通过分别接收基准负载电流、惯性负载电流和惯性脉冲数并计算获取惯性参数；基于所获取的惯性参数以调取传动参数数据库内存储的惯性参数进行逐一对比，若所获取的惯性参数与所调取传动参数数据库内存储的惯性参数相同时，调取与该惯性参数对应的传动参数并传输至伺服驱动器以修改启停参数。
通过采用上述技术方案，基准负载检测部在伺服电机匀转速的情况下获取基准负载电流，上位控制器通过对基准负载电流的在指定转速下的运算，将基准负载电流乘以对应伺服电机的转矩常数，获得伺服电机在基准负载下的基准转矩，以验证转矩常数是否正确。而通过对惯性负载电流计算能够获得伺服电机3在移动至指定角度后转矩T，而通过对惯性脉冲数累计计算能够获得伺服电机3在惯性的作用下多转动的转动量，即转动行程，而通过对转动行程进行对于时间的二次积分即可获得角加速度；通过因此通过带入上位控制器1的计算获得对应的传动参数再将计算获取惯性参数与传动参数数据库里的惯性参数逐一对比，获取到对应的传动参数值，最终通过将传动参数值输入到相应的伺服驱动器中，便能够实现对相应伺服电机的调试。
由于整体调试过程，通过上位控制器自动控制，相对调节人员逐一调节，能够大大加快调试效率，也提升了调试后参数的稳定性。
本发明进一步设置为：所述上位控制器上连接有通道选择部，所述通道选择部上设置有多个供伺服控制器连接的数据连接端口。
通过采用上述技术方案，上位控制器通过通道选择部能够与多个伺服控制器信号连接，从而使得一个上位控制器能够多台伺服电机进行控制，减低了伺服系统的成本。
本发明进一步设置为：所述惯性负载检测部用于记录在预设检测时长内检测脉冲参数恒定后的惯性脉冲数。
通过采用上述技术方案，当基准负载电流长时间处在同一数值时，则能够表示基准负责电流值处于一个稳定的状态。因而通过在检测时长后获取伺服电机的电流值，能够获得更加稳定更加准确的基准负载电流参数。
本发明进一步设置为：所述惯性负载检测部用于当检测脉冲参数在设定的检测时长内恒定后记录惯性脉冲数。
通过采用上述技术方案，当惯性脉冲数长时间处在同一数值时，则能够表示伺服电机停止转动。因而通过在检测时长后能够获得准确的获取惯性脉冲数值。
本发明进一步设置为：所述上位控制器上连接有用于暂存基准负载电流、惯性负载电流和惯性脉冲数的数据寄存器，所述上位控制器在数据寄存器存储基准负载电流、惯性负载电流和惯性脉冲数后提取数据。
通过采用上述技术方案，通过数据寄存器将基准负载电流、惯性负载电流和惯性脉冲数进行存储，使得上位控制器在检测完毕后，能够更加快速的获取基准负载电流、惯性负载电流和惯性脉冲数的参数。
本发明进一步设置为：所述传动调节参数包括圆柱齿轮传动参数、圆锥齿轮传动参数、皮带传动参数、链轮传动参数、丝杆传动参数和绞车滚筒传动参数。
通过采用上述技术方案，通过在传动调节参数里添加各种传动方式的参数，能够上位控制器向伺服驱动器输出的参数能够适应于伺服电机传动的各种状况。
本发明进一步设置为：所述上位控制器上连接有用于在电流反馈信号高于预设值信号时输出报警信号的安全保护部。
通过采用上述技术方案，安全保护部通过对电流反馈信号的检测，从而当伺服电机输出电流过大时，存在损坏风险时，及时输出报警信号，向外进行提醒，实现对伺服电机起到保护的作用。
本发明进一步设置为：所述编码器包括用于在伺服电机转动一周输出若干脉冲的a相和b相；所述a相和b相输出的脉冲数相同，且脉冲相位相差90度。
通过采用上述技术方案，通过对a相或b相的输出脉冲进行计数，就能够获取到伺服电机转动的角度，且a相或b相的在伺服电机转动一圈输出的脉冲数越多，则越准确。而由于a相和b相的脉冲相同且相位角相差90度，因而通过在伺服电机启动时，检测a相和b相脉冲的输出顺序，即可得到伺服电机的正反转信息。
本发明进一步设置为：所述编码器还包括用于在伺服电机转动一周输出一次脉冲的z相。
通过采用上述技术方案，z相在伺服电机转动一次仅输出一次脉冲，因而在计算较大脉冲时，先通过z相计算圈数，再通过多余部分的a相计算，计算转过的角度，能够减小计算量，加快控制器的计算速度。
本发明进一步设置为：所述上位控制器内设置有用于同步上位控制器和伺服驱动器时间的同步时钟。
通过采用上述技术方案，通过在同步时钟提供同步的时间，降低由于信号传输时差产生的影响。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、根据上位控制器获取数据并计算输送带的传动参数，实现传动参数的自动调节；
2、在上位机上设置通道选择部，实现对上位控制器能够对多个伺服驱动器进行控制。
附图说明
图1是本实施例的结构框图；
图2是本实施例的流程图。
附图标记说明：1、上位控制器；2、伺服驱动器；3、伺服电机；4、霍尔感应器；5、编码器；6、通道选择部；7、惯性负载检测部；8、基准负载检测部；9、数据寄存器；10、传动参数数据库；11、安全保护部。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例，一种伺服电机驱动器控制系统，如图1所示，包括伺服电机3、伺服驱动器2和上位控制器1，其中上位控制器1通过串行接口与伺服驱动器2连接，向伺服驱动器2输出信号，实现对伺服电机3的控制。
为了实现上位控制器1对多台伺服驱动器2的控制，上位控制器1上连接有通道选择部6，通道选择部6上设置有多个供伺服控制器连接的数据连接串行端口。
其中为了检测伺服电机3的运行状态，给予上位控制器1和伺服驱动器2反馈信号，伺服驱动器2在伺服电机3上连接有用于检测伺服电机3转动行程的编码器5和用于检测伺服电机3转动电流的霍尔传感器。
编码器5固定连接在伺服电机3上，与伺服电机3的电机轴同步转动；编码器5利用光电编码的原理，在伺服电机3转动相应角度后输出脉冲信号，从而通过检测编码器5输出的脉冲数乘以单个脉冲对应伺服电机转动行程，即可获得伺服电机3的转动行程，而通过将伺服电机3的转动行程除以伺服电机3驱动的时间则可获得伺服电机3的转动速度。
具体编码器5由外至内依次包括a相、b相和z相；a相和b相在伺服电机3转动一圈后输出的脉冲数相同，均为131072次脉冲；伺服电机3转动一周输出一次脉冲的z相。且a相和b相脉冲相位相差90度。因而通过在伺服电机3启动时，检测a相和b相脉冲的输出顺序，即可得到伺服电机3的正反转信息；因此通过连接编码器5的端口，获取编码器5输出的编码。
霍尔感应器4，连接在伺服电机3的采样电路上，用于获取伺服电机3实时输出的电流，并且输出表示该电流的电流信号,从而通过将电流值乘以对应伺服电机的转矩常数即可获得转矩。
众所周知，伺服驱动器2能够将PWM信号转化成励磁信号提供给伺服电机3，且伺服驱动器2包括控制伺服电机3转动指定转动行程的位置模式，用于控制伺服电机3在指定转速下转动的速度模式和用于控制伺服电机3在指定电流下转动的转矩模式。
利用上述伺服驱动器2的特点，上位控制器1上分别连接有基准负载检测部8、惯性负载检测部7和传动参数数据库10。
其中基准负载检测部8，用于获取霍尔感应器4当伺服电机3在指定匀转速下的输出的基准负载电流。即基准负载检测部8通过上位控制器1向伺服驱动器2输出匀速的信号，使伺服电机3处于速度模式下，再获取稳定速度状态下的基准。而此速度根据伺服电机3的最大转速进行调节，一般为伺服电机3最大转速的40％-60％。而为了提高检测的精确度，基准负载检测部8当负载电流处于在设定的检测时长内恒定后记录基准负载电流，本实施例中设定的检测时长为5秒。而当基准负载检测部8获取基准负载电流后，即向上位控制器1输出表示基准负载电流值的信号。
惯性负载检测部7，当伺服电机3在指定转动行程下且到达指定转动行程时,获取基于霍尔感应器4以输出的惯性负载电流；当伺服电机3在指定转动行程下,获取基于编码器5以输出的惯性脉冲数。即惯性负载检测部7通过上位控制器1向伺服驱动器2输出定转动行程的脉冲信号，使伺服电机3处于位置模式下，转动至指定的转动行程后停止，再获取伺服电机3到达指定行程输出的惯性负载电流，和表示伺服电机3最终停止时输出的惯性脉冲数。
其中由于惯性负载电流值为瞬时值，为了提高检测的精准性，在上位控制器1上还连接了用于同步上位控制器1和伺服驱动器2时间的同步时钟，从而减小由于时间误差产生的检测误差。
惯性脉冲数为一个稳定的值，为了提高检测的精确性。惯性负载检测部7当惯性脉冲数在设定的检测时长内恒定后，再记录惯性脉冲数，本实施例中设定的检测时长为1秒。而当惯性负载检测部7获取了惯性负载电流和惯性脉冲数后，则立即向上位控制器1输出惯性负载电流值和惯性脉冲数值的信号。
为了在基准负载电流、惯性负载电流和惯性脉冲数中一者或者两者未检测时，记录保存已检测的数据，上位控制器1上连接有用于暂存基准负载电流、惯性负载电流和惯性脉冲数的数据寄存器9。
传动参数数据库10，用于对伺服电机3控制用的传动参数及其对应的惯性参数进行存储；其中本实施例中传动参数包括圆柱齿轮传动参数、圆锥齿轮传动参数、皮带传动参数、链轮传动参数、丝杆传动参数和绞车滚筒传动参数。而对应传动参数的惯性参数根据，不同传动方式之间的传动效率和转动惯量获得。
惯量的单位为kg·m2，从能量角度，其定义如下：
由于上述式中质量和半径都是指定的对象，是不变的所以把它们提出来变成了转动惯量J。
从做功的角度分析，电机输出转矩做功W为：
W＝F·S＝F·R·ω·t＝T·ω·t
由于传动方式不同传动效率不同，得：
W＝φE
故得：
由于：
故得：
以上公式中：
T为转矩，单位为N·m；
J为转动惯量，单位为kg·m2；
ω为角速度，单位为rad/s；
β为角加速度，单位为rad/s2；
φ为传动参数，无单位；
因此从上式中可以得出，只要计算获取转矩T、角加速度β，再将不同传动方式中的转动惯量J和传动参数φ带入公式中，如获得等式，即可表示带入的传动方式的传动参数为正确。
以圆柱齿轮传动参数为例，圆柱齿轮的传动效率φ为98-99％，且转动惯量为：
以丝杆传动参数为例，丝杆的传动效率φ为30％-60％，且转动惯量为：
上位控制器1，在数据寄存器9存储基准负载电流、惯性负载电流和惯性脉冲数后提取数据，并进行计算获取传动效率，其中在基准负载电流乘以对应伺服电机的转矩常数即可对应的伺服电机3在基准负载下的基准转矩，以验证转矩常数是否正确。而通过对惯性负载电流计算能够获得伺服电机3在移动至指定角度后转矩T，而通过对惯性脉冲数累计计算能够获得伺服电机3在惯性的作用下多转动的转动量，即转动行程，而通过对转动行程进行对于时间的二次积分即可获得角加速度β；通过因此通过带入上位控制器1的计算获得对应的传动参数。
同时上位控制器1上还连接有用于在电流反馈信号高于预设值信号时输出报警信号的安全保护部11。安全保护部11通过对电流反馈信号的检测，从而当伺服电机3输出电流过大时，存在损坏风险时，及时输出报警信号，向外进行提醒，实现对伺服电机3起到保护的作用。
调试方法，图2所示：
S1、基准负载检测部8在速度模式下获取基准负载电流，并输入到数据寄存器9中；
S2、惯性负载检测部7在位置模式下获取惯性负载电流和惯性脉冲数，并输入到数据寄存器9中；
S3、上位控制器1获取数据寄存器9中的参数并计算获得惯性参数，并将计算获取惯性参数与传动参数数据库10里的惯性参数逐一对比，若所获取的惯性参数与所调取传动参数数据库10内存储的惯性参数相同时，调取与该惯性参数对应的传动参数；
S4、上位控制器1将获取的传动参数传输至伺服驱动器2以修改启停参数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的设计构思之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种伺服电机驱动器控制系统，其特征在于：包括：
编码器(5)，用于检测伺服电机(3)的转动行程，并且输出表示该转动行程的脉冲反馈信号；
霍尔感应器(4)，检测伺服电机(3)的电流，并且输出表示该电流的电流反馈信号；
基准负载检测部(8)，用于获取霍尔感应器(4)当伺服电机(3)在指定匀转速下的输出的基准负载电流；
惯性负载检测部(7)，当伺服电机(3)在指定转动行程下且到达指定转动行程时, 获取基于霍尔感应器(4)以输出的惯性负载电流；当伺服电机(3)在指定转动行程下, 获取基于编码器(5)以输出的惯性脉冲数；
传动参数数据库(10)，用于对伺服电机(3)控制用的传动参数及其对应的惯性参数进行存储；
上位控制器(1)，通过分别接收基准负载电流、惯性负载电流和惯性脉冲数并计算获取惯性参数；基于所获取的惯性参数以调取传动参数数据库(10)内存储的惯性参数进行逐一对比，若所获取的惯性参数与所调取传动参数数据库(10)内存储的惯性参数相同时，调取与该惯性参数对应的传动参数并传输至伺服驱动器(2)以修改启停参数。
2.根据权利要求1所述的伺服电机驱动器控制系统，其特征在于：所述上位控制器(1)上连接有通道选择部(6)，所述通道选择部(6)上设置有多个供伺服控制器连接的数据连接端口。
3.根据权利要求1所述的伺服电机驱动器控制系统，其特征在于：所述基准负载检测部(8)用于当负载电流参数处于在设定的检测时长内恒定后记录基准负载电流。
4.根据权利要求1所述的伺服电机驱动器控制系统，其特征在于：所述惯性负载检测部(7)用于记录在预设检测时长内检测脉冲参数恒定后的惯性脉冲数。
5.根据权利要求1所述的伺服电机驱动器控制系统，其特征在于：所述上位控制器(1)上连接有用于暂存基准负载电流、惯性负载电流和惯性脉冲数的数据寄存器(9)，所述上位控制器(1)在数据寄存器(9)存储基准负载电流、惯性负载电流和惯性脉冲数后提取数据。
6.根据权利要求1所述的伺服电机驱动器控制系统，其特征在于：所述传动调节参数包括圆柱齿轮传动参数、圆锥齿轮传动参数、皮带传动参数、链轮传动参数、丝杆传动参数和绞车滚筒传动参数。
7.根据权利要求1所述的伺服电机驱动器控制系统，其特征在于： 所述上位控制器(1)上连接有用于在电流反馈信号高于预设值信号时输出报警信号的安全保护部(11)。
8.根据权利要求1所述的伺服电机驱动器控制系统，其特征在于：所述编码器(5)包括用于在伺服电机(3)转动一周输出若干脉冲的a相和b相；所述a相和b相输出的脉冲数相同，且脉冲相位相差90度。
9.根据权利要求8所述的伺服电机驱动器控制系统，其特征在于：所述编码器(5)还包括用于在伺服电机(3)转动一周输出一次脉冲的z相。
10.根据权利要求1所述的伺服电机驱动器控制系统，其特征在于：所述上位控制器(1)内设置有用于同步上位控制器(1)和伺服驱动器(2)时间的同步时钟。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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