CN107992109A - 全闭环定位控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全闭环定位控制系统，使用于带有机械负载及电机的机械运动装置，其包括用于获取机械负载实际位移信息的位置反馈器件及用于获取电机位置信息的电机编码器，所述全闭环定位控制系统还包括一反馈增益设定单元、位置控制模块、速度检测单元、速度控制模块及功率驱动模块，所述反馈增益设定单元用于根据所述位置反馈器件及电机编码器的精度信息确定位置反馈增益G。本发明的全闭环定位控制系统可降低系统反馈信息的误差，并提高定位控制系统的响应性，其实现方式简单，同时，本发明还提供了一种全闭环定位控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及定位控制系统及方法，尤其涉及一种全闭环定位控制系统及方法。
背景技术
当今，位置定位控制系统已广泛应用于自动化控制领域。其工作原理为：将位置检测装置检测到的运动部件的实际位移量进行位置反馈，与位置指令信号进行比较，将两者的差值进行位置调节，变换成速度控制信号，通过驱动装置驱动伺服电机以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直至指令位置与反馈的实际位置的差值等于零。根据位置检测装置反馈位置信息的方式，可分为半闭环控制方式和全闭环控制方式。
半闭环控制方式是将位置检测装置安装在伺服电机的机轴末端，通过反馈电机轴的位置信息，从而达到间接控制部件位移的目的。全闭环控制方式是将位置检测装置安装在运动部件上，对运动部件的位置进行直接的反馈。由于全闭环控制方式中直接控制的运动部件位移不受外部机械传动误差，机械温度形变等外界因素的影响，因此，全闭环控制方式的定位精度主要取决于检测装置的分辨率，并且一般高于半闭环控制方式。
一般情况下，定位控制系统的机械传动装置多为：皮带、链条、丝杆、齿轮等，其中，由于以上传动装置的存在，使得电机每旋转一圈的电机编码器分辨率与电机每旋转一圈的位置检测装置的分辨率的比值K较大，而针对所述比值K较大的(大于1)定位控制系统，若采用全闭环控制方式，其响应性与半闭环控制方式相比将大大降低。因此，提高全闭环定位的响应性是目前定位控制系统的重要研究方向。
现有技术中，提高全闭环定位系统的响应性的常用方法有：提高上位机的脉冲发送频率和系统增益切换等。但由于上位机的脉冲发送频率的能力受软件和硬件的限制，无法任意提高脉冲发送频率，同时伺服驱动器本身接收脉冲频率的能力也是受限的，因此，提高上位机的脉冲发送频率并不能有效地提高全闭环定位的响应性。而增益切换主要针对系统不同的运行参数特性(如：根据转矩指令，速度指令，速度指令变化率，位置偏差，位置指令等)进行分类，得到不同类型的切换方式，但是这种方法软件实现复杂，同时对现场的调试人员要求高，具有一定的局限性。
鉴于此，有必要提供一种可解决上述缺陷的全闭环定位控制系统及方法以提高定位控制系统响应性，其实现方式简单、便于调试且实用性强。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种可提高定位控制系统响应性且实用性强的全闭环定位控制系统。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种可提高定位控制系统响应性、实现方式简单、便于调试的全闭环定位控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案：一种全闭环定位控制系统，使用于带有机械负载及电机的机械运动装置，所述全闭环定位控制系统包括用于获取机械负载实际位移信息的位置反馈器件及用于获取电机位置信息的电机编码器，所述全闭环定位控制系统还包括一反馈增益设定单元、位置控制模块、速度检测单元、速度控制模块及功率驱动模块，所述反馈增益设定单元用于根据所述位置反馈器件及电机编码器的精度信息确定位置反馈增益G，根据所述位置反馈增益G及机械负载的实际位移信息，获取位置反馈脉冲数；
所述位置控制模块用于根据位置指令脉冲数及所述反馈增益设定单元获得的位置反馈脉冲数获取速度指令，并发送至所述速度控制模块；
所述速度检测单元用于根据所述电机编码器获得的电机位置信息获取电机的转动速度并发送至所述速度控制模块；
所述速度控制模块用于根据所述速度指令及电机的转动速度获取转矩指令并发送至所述功率驱动模块；
所述功率驱动模块用于根据所述转矩指令获取输出电流，驱动电机运行以控制机械负载做定位运动。
其进一步技术方案为：所述位置反馈器件为光电式编程器、绝对值式编码器、光栅尺或旋转变压器。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种全闭环定位控制方法，其包括以下步骤：
步骤S1，获取位置反馈增益G；
步骤S2，获取机械负载的实际位移信息及电机的位置信息；
步骤S3，根据所述位置反馈增益G和机械负载的实际位移信息，获取机械负载的位置反馈脉冲数；
步骤S4，获取位置指令脉冲数；
步骤S5，根据所述位置指令脉冲数及位置反馈脉冲数获取速度指令；
步骤S6，根据电机的位置信息获取电机的转动速度；
步骤S7，根据所述速度指令及电机的转动速度获取转矩指令；
步骤S8，根据所述转矩指令获取输出电流，驱动电机运行以控制机械负载做定位运动。
其进一步技术方案为：所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11，分别获取电机每转一周时电机编码器及位置反馈器件的精度；
步骤S12，计算电机每转一周时电机编码器与位置反馈器件两者之间的精度比K；
步骤S13，根据所述精度比K获取位置反馈增益G。
其进一步技术方案为：所述步骤S13具体为：当精度比K值不大于1时，位置反馈增益G值为1；否则，位置反馈增益G值取精度比K值的整数部分。
本发明的有益技术效果在于：基于本发明提供的全闭环定位控制系统，使用于带有机械负载及电机的机械运动装置，通过在所述定位控制系统中设置反馈增益设定单元和位置反馈器件，利用反馈增益设定单元根据位置反馈增益G对所述位置反馈器件获取的机械负载的实际位移信息进行增益运算，获取位置反馈脉冲数，从而降低位置信息的误差，并提高定位控制系统的响应性，同时，本发明还公开了一种全闭环定位控制方法，该方法实现方式简单，便于调试，实用性强。
附图说明
图1是本发明全闭环定位控制系统一具体实施例的原理框图。
图2是本发明全闭环定位控制方法的流程图。
图3是图2所示全闭环定位控制方法的获取位置反馈增益G的流程图。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，在某些实施例，例如本实施例中，本发明全闭环定位控制系统10，使用于带有机械负载21及电机22的机械运动装置，以实现对该机械运动装置的定位控制，所述全闭环定位控制系统10包括用于获取机械负载21的实际位移信息的位置反馈器件1101及用于获取电机22的位置信息的电机编码器1201，所述全闭环定位控制系统10还包括一反馈增益设定单元1102、位置控制模块110、速度检测单元1202、速度控制模块120及功率驱动模块130。
所述反馈增益设定单元1102用于根据所述位置反馈器件1101及电机编码器1201的精度信息获取位置反馈增益G，利用位置反馈增益G对所述机械负载21的实际位移信息进行增益运算，获取位置反馈脉冲数，并发送至所位置控制模块110。
所述位置控制模块110用于根据接收到的位置指令脉冲数及所述反馈增益设定单元1102获得的位置反馈脉冲数获取速度指令，并发送至所述速度控制模块120。其中，所述位置指令脉冲数为当前系统接收到的位置指令脉冲数。
所述速度检测单元1202用于根据所述电机编码器1201获得的电机22的位置信息获取电机22的转动速度并发送至所述速度控制模块120。
所述速度控制模块120用于根据所述速度指令及电机22的转动速度获取转矩指令并发送至所述功率驱动模块130。
所述功率驱动模块130用于根据所述转矩指令获取输出电流，驱动所述电机22运行以控制机械负载21做定位运动。
其中，所述反馈增益设定单元1102分别与所述电机编码器1201及位置反馈器件1101连接，以分别获取电机22每旋转一周时电机编码器1201的精度及电机22每旋转一周时位置反馈器件1101的精度，从而获取位置反馈增益G；所述反馈增益设定单元1102还接收位置反馈器件1101发送的机械负载21的实际位移信息，结合位置反馈增益G，获取相应的位置反馈脉冲数，并发送至所述位置控制模块110；所述速度检测单元1202连接于所述速度控制模块120及电机编码器1201之间，以接收电机编码器1201获得的电机22的位置信息，从而获取电机22的转动速度并发送至所述速度控制模块120；所述功率驱动模块130作为所述全闭环定位控制系统10的输出端与带有机械负载21及电机22的机械运动装置电性相连，通过输出电流驱动所述电机22运行以控制机械负载21进行运动。
所述全闭环定位控制系统10通过位置反馈器件1101获取机械负载21的实际位移信息，通过电机编码器1201获取电机22的位置信息，其中，所述实际位移信息发送至反馈增益设定单元1102，电机22的位置信息发送至速度检测单元1202；所述反馈增益设定单元1102根据电机22每旋转一周时的电机编码器1201与位置反馈器件1101两者之间的精度比K，获取位置反馈增益G，根据所述位置反馈增益G对接收到的实际位移信息进行增益运算，获取位置反馈脉冲数，并将所述位置反馈脉冲数发送至位置控制模块110，以对机械负载21的位置进行反馈。
所述位置控制模块110对接收到的位置指令脉冲数及位置反馈脉冲数进行闭环控制以获取速度指令并发送至所述速度控制模块120，所述速度控制模块120对所述速度指令及电机22的转动速度进行闭环反馈控制以获取转矩指令并发送至所述功率驱动模块130。
所述功率驱动模块130根据速度控制模块120获得的转矩指令，运用矢量控制技术，获取三相输出电流，并输出至电机22以驱动电机22运行，控制机械负载21做定位运动。所述电机22可通过机械传动机构带动机械负载21做定位运动，其中，机械传动机构包括滚珠丝杆、皮带、链条、齿轮等。
在某些实施例，例如本实施例中，所述位置反馈器件1101为光栅尺。当然，在本发明的其他实施例中，所述位置反馈器件1101可为光电式编码器、绝对值式编码器、开路集电极或旋转变压器等，其余结构和功能均与本实施例相同。
基于上述设计，本发明的全闭环定位控制系统利用反馈增益设定单元，可根据位置反馈增益G对机械负载的实际位移信息进行增益运算，即根据系统机械传动机构的实际情况对机械负载的实际位移信息进行反馈增益相乘，获取位置反馈脉冲数，从而降低位置信息的误差，并提高定位控制系统的响应性，使得定位控制系统的位置调节更加灵敏快捷，而且实现过程简单，便于调试，实用性强。
参照图2和图3，本发明还提供了一种全闭环定位控制方法，可应用于上述全闭环定位控制系统，其包括以下步骤：
步骤S1，获取位置反馈增益G。
在本实施例中，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11，分别获取电机每转一周时电机编码器的精度及电机每旋转一周时位置反馈器件的精度；
步骤S12，计算电机每转一周时电机编码器与位置反馈器件两者之间的精度比K；
步骤S13，根据所述精度比K获取位置反馈增益G。
进一步地，所述步骤S13具体为：当精度比K值不大于1时，位置反馈增益G值为1；否则，位置反馈增益G值取精度比K值的整数部分。
步骤S2，获取机械负载的实际位移信息及电机的位置信息。
所述步骤S2具体为：根据位置反馈器件的精度及系统定位的长度或角度检测计算出机械负载的实际位移脉冲数以获取机械负载的实际位移信息；通过电机编码器检测电机的位置信息。其中，所述机械负载的实际位移信息为机械负载的实际位移脉冲数。
步骤S3，根据所述位置反馈增益G对机械负载的实际位移信息进行增益运算，获取机械负载的位置反馈脉冲数。
进一步地，所述步骤S3具体为：将所述实际位移信息即机械负载的实际位移脉冲数乘以位置反馈增益G以获取机械负载的位置反馈脉冲数。通过对机械负载的实际位移脉冲数进行增益运算，有利于提高位置控制的可靠性，并提高定位控制系统的响应性。
步骤S4，获取位置指令脉冲数。其中，所述位置指令脉冲数为当前系统接收到的位置指令脉冲数。
步骤S5，根据所述位置指令脉冲数及位置反馈脉冲数获取速度指令。其具体为：对位置指令脉冲数及位置反馈脉冲数进行闭环控制以获取速度指令。
步骤S6，根据电机的位置信息获取电机的转动速度。
步骤S7，根据所述速度指令及电机的转动速度获取转矩指令。其具体为：对所述速度指令及电机的转动速度进行闭环反馈控制以获取转矩指令。
步骤S8，根据所述转矩指令获取输出电流，驱动电机运行以控制机械负载做定位运动。其具体为：运用矢量控制技术对转矩指令进行处理以获取三相输出电流，驱动电机运行，通过机械传动机构带动控制机械负载做定位运动。
基于上述全闭环定位控制方法，通过计算确定位置反馈增益G，并对实际位移信息进行增益运算，从而获取位置反馈脉冲数。位置反馈增益G可根据系统机械传动机构的实际情况进行设置，有利于消除机械传动机构的误差，并达到提高定位系统响应性的目的，而且实现方式简单，便于调试。
综上所述，本发明全闭环定位控制系统及方法，通过设置反馈增益设定单元，使得位置反馈增益G可根据系统机械传动机构的实际情况进行设置，消除机械传动机构的误差，并达到提高系统定位响应性的目的，同时实现方式简单，便于调试，降低工作难度，实用性强。
以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种全闭环定位控制系统，使用于带有机械负载及电机的机械运动装置，其特征在于：所述全闭环定位控制系统包括用于获取机械负载实际位移信息的位置反馈器件及用于获取电机位置信息的电机编码器，所述全闭环定位控制系统还包括一反馈增益设定单元、位置控制模块、速度检测单元、速度控制模块及功率驱动模块，所述反馈增益设定单元用于根据所述位置反馈器件及电机编码器的精度信息确定位置反馈增益G，根据所述位置反馈增益G及机械负载的实际位移信息，获取位置反馈脉冲数；
所述位置控制模块用于根据位置指令脉冲数及所述反馈增益设定单元获得的位置反馈脉冲数获取速度指令，并发送至所述速度控制模块；
所述速度检测单元用于根据所述电机编码器获得的电机位置信息获取电机的转动速度并发送至所述速度控制模块；
所述速度控制模块用于根据所述速度指令及电机的转动速度获取转矩指令并发送至所述功率驱动模块；
所述功率驱动模块用于根据所述转矩指令获取输出电流，驱动电机运行以控制机械负载做定位运动。
2.如权利要求1所述的全闭环定位控制系统，其特征在于：所述位置反馈器件为光电式编码器、绝对值式编码器、光栅尺或旋转变压器。
3.一种全闭环定位控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1，获取位置反馈增益G；
步骤S2，获取机械负载的实际位移信息及电机的位置信息；
步骤S3，根据所述位置反馈增益G和机械负载的实际位移信息，获取机械负载的位置反馈脉冲数；
步骤S4，获取位置指令脉冲数；
步骤S5，根据所述位置指令脉冲数及位置反馈脉冲数获取速度指令；
步骤S6，根据电机的位置信息获取电机的转动速度；
步骤S7，根据所述速度指令及电机的转动速度获取转矩指令；
步骤S8，根据所述转矩指令获取输出电流，驱动电机运行以控制机械负载做定位运动。
4.如权利要求3所述的全闭环定位控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11，分别获取电机每转一周时电机编码器及位置反馈器件的精度；
步骤S12，计算电机每转一周时电机编码器与位置反馈器件两者之间的精度比K；
步骤S13，根据所述精度比K获取位置反馈增益G。
5.如权利要求4所述的全闭环定位控制方法，其特征在于，所述步骤S13具体为：当精度比K值不大于1时，位置反馈增益G值为1；否则，位置反馈增益G值取精度比K值的整数部分。
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