CN109546908A - 电批伺服控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电批伺服控制系统及方法，电批伺服控制系统包括步进电机、编码器和电批控制器，编码器采集步进电机的速度信息，速度信息输出至电批控制器，电批控制器控制步进电机转动，步进电机转动带动批头拧紧螺丝，电批控制器采集步进电机电流信息，电批控制器根据电流信息和速度信息调节步进电机的输出扭力和输出转速，电批伺服控制方法包括设定的步进电机工作参数，采集步进电机的速度信息和电流信息，根据工作参数和反馈信息，步进电机输出设定的扭力和转速。本发明提供的电批伺服控制系统，电批使用寿命长，电批输出扭力校准周期长。

Description

电批伺服控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体地说，涉及一种电批伺服控制系统及方法。

背景技术

工厂自动化，智能化已经成为当前制造业发展趋势。螺丝拧紧是产品质量的一个重要保证。目前工厂已经逐步在用自动锁螺丝机替代人工，但是自动锁螺丝机的核心部件，螺丝批仍然采用传统的电动螺丝批。现有螺丝批主要分半自动扭控型和全自动扭控型。

半自动扭控型，碳刷电机(无刷电机)旋转经过减速齿轮，扭力在达到预设扭力值时,离合器跳脱起子头瞬间停止转动,但需放开启动开关后马达才会停止运转。全自动扭控型，碳刷电机(无刷电机)旋转经过减速齿轮，扭力在达到预设扭力值时,离合器跳脱马达煞车,起子头停止运转。由于减速齿轮是机械齿轮传动的工作方式，所以减速齿轮容易损坏，电批使用寿命短。而且齿轮传动还存在较大的机械损耗，需要定时的对电批的扭力进行校准，例如一天校准一次或两次，浪费大量时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电批伺服控制系统，电批使用寿命长，电批输出扭力校准周期长。

本发明公开的电批伺服控制系统及方法所采用的技术方案是:

一种电批伺服控制系统，包括步进电机、编码器和电批控制器，所述编码器与步进电机电连接，所述编码器采集步进电机的速度信息，所述速度信息输出至电批控制器，所述电批控制器控制步进电机转动，所述步进电机转动带动批头拧紧螺丝，所述电批控制器采集步进电机电流信息，所述电批控制器根据电流信息和速度信息调节步进电机的输出扭力和输出转速。

作为优选方案，所述电批控制器包括驱动器，所述驱动器包括速度环和电流环，所述速度环接收速度信息，所述速度环生成电流指令信息输出至电流环，所述电流环接收电流信息和电流指令信息，所述电流环生成步进电机驱动电流。

作为优选方案，所述驱动器包括位置环，所述编码器采集步进电机实际转动的圈数信息，所述实际转动的圈数信息输出至位置环，所述位置环判断实际转动的圈数信息是否正确。

作为优选方案，所述电批控制器包括主控制电路，所述主控制电路负责完成与外部设备的通信，所述主控制电路负责电批控制器内部的信息处理。

作为优选方案，包括上位机，所述上位机与电批控制器电连接，所述上位机还接收电批控制器输出的步进电机工作信息并记录。

作为优选方案，包括参数设置设备，所述参数设置设备根据需求将步进电机的工作参数、锁丝的分段速度、转动圈数及扭力参数输入至电批控制器。

本发明还提供一种电批伺服控制方法，该方法步骤如下:

步骤1，参数设置设备根据需求，设定步进电机的工作参数并输入至电批控制器，所述工作参数包括步进电机的扭力和转速；

步骤2，启动步进电机，编码器采集步进电机的速度信息并反馈至驱动器，电批控制器采集步进电机的电流信息并反馈至驱动器；

步骤3，根据工作参数和编码器反馈的速度信息和电流信息，驱动器驱动步进电机输出设定的转速、圈数、扭力，完成螺丝拧入；

步骤4，根据工作参数和编码器反馈的速度信息和电流信息，驱动器驱动步进电机输出设定扭力，完成螺丝拧紧。

作为优选方案，所述工作参数包括步进电机的转动圈数，所述步进电机的转动圈数为拧紧螺丝所需的转动圈数；所述编码器采集步进电机实际转动的圈数信息并反馈至位置环；所述位置环比较步进电机的转动圈数和实际步进电机的转动圈数信息；如不一致，报警提示错误。

作为优选方案，所述电批控制器将步进电机的工作信息传输至上位机，所述上位机保存步进电机工作的信息，并可以对步进电机的工作信息进行查询。

作为优选方案，所述步进电机的工作信息包括螺丝的编号、螺丝拧紧的时间点、步进电机实际转动圈数、步进电机扭力和步进电机转速。

本发明公开的电批伺服控制系统的有益效果是：步进电机输出直接用于锁螺丝，减少了机械齿轮的传动，增加了电批的使用寿命。同时采集步进电机的电流信息和速度信息，并进行反馈控制输出，使得步进电机的输出扭力满足螺丝需求。这样可以大大的延长电批输出扭力的校准周期，节省了时间。

附图说明

图1是本发明电批伺服控制系统的结构示意图。

图2是本发明电批伺服控制系统的驱动器结构示意图。

图3是本发明电批伺服控制系统的主控电路结构示意图。

图4是本发明电批伺服控制方法的流程示意图。

图5是本发明电批伺服控制系统的主控制电路图。

图6是本发明电批伺服控制系统的I/O输入输出模块电路图。

图7是本发明电批伺服控制系统的QEP模块和通信模块电路图。

图8是本发明电批伺服控制系统的PWM输出模块电路图。

图9是本发明电批伺服控制系统的ADC采样模块电路图。

图10是本发明电批伺服控制系统的过流保护电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步阐述和说明:

请参考图1，电批伺服控制系统包括步进电机10、编码器20、电批控制器30、参数设置设备40和上位机50。

步进电机10低速扭力大，将步进电机输出扭力直接用于锁螺丝，减少了机械齿轮的传动，减少了机械损耗，提高了电批的使用寿命。

编码器20为光电编码器。光电编码器可以采集步进电机的速度信息和步进电机实际转动圈数信息，并将采集的信息输出至电批控制器，用于反馈控制。

参数设置设备40可以根据螺丝的型号，将对应的步进电机10的工作参数输入至电批控制器30，参数设置设备40与电批控制器30之间的通信方式为RS232。其中步进电机的工作参数包括步进电机的扭力、步进电机的转动速度和步进电机的转动圈数。步进电机的扭力需要符合对应螺丝的扭力标准，步进电机的转动速度需要符合螺丝拧入的工艺需要，步进电机的转动圈数为螺丝拧紧所需转动的圈数。

上位机50可以将控制程序写入电批控制器30，同时上位机50还可以接收电批控制器30输出的步进电机工作信息。上位机50与电批控制器30之间的通信方式为RS232，上位机50可以是PC机。其中步进电机工作信息包括螺丝的编号、螺丝拧紧的时间点、步进电机实际的转动圈数、步进电机的转动扭力和步进电机的转动速度。上位机将保存这些信息，并可以对步进电机的工作信息进行查询。

请参考图2和图3，电批控制器30包括驱动器32和DSP主控制电路。驱动器包括位置环322、速度环324、电流环326和PWM驱动器328。

位置环322接收光电编码器采集的步进电机实际转动圈数信息，并将步进电机实际转动圈数信息同螺丝拧紧所需的转动圈数进行比较，如圈数不一致，则报警提示错误。例如，电批打螺丝过程中出现螺丝浮高、滑牙、漏锁、花头等情况时，可及时报警。

速度环324接收光电编码器采集的步进电机的速度信息，并进行一个PI(比例积分)调节。速度环PI调节后生成电流指令信息，电流指令信息输出至电流环。

电流环326接收光电编码器采集的步进电机的电流信息和电流指令信息，并进行一个PI调节。电流环PI调节后生成PWM输出值，PWM驱动器328根据PWM输出值驱动步进电机转动。

请参考图5至图10，DSP主控电路包括I/O输入输出控制模块、QEP模块、ADC采用模块、PWM输出模块、过流保护模块和通讯模块。其中，主控电路的主控制芯片型号为TMS320F28035PNT。

I/O输入输出模块，主要负责接收外部控制信号，控制步进电机的正反转和起停，以及完成异常报警输出。例如，外接PLC控制器，电批控制器通过I/O口或RS485通信完成与PLC控制器通信。通过高速光耦合器件6N136和光耦芯片TLP2801-1来隔离信号输入输出，减少信号中的干扰。

QEP模块，负责接收步进电机的编码信号，完成对步进电机的速度和转动圈数解析，并将解析出的速度信号作为反馈信号去控制步进电机，解析的转动圈数信号作为对比信号判断螺丝的拧紧情况。QEP模块为步进电机的控制和监控提供基础。接收器芯片AM26LS32AID接收光电编码器的编码信号，并将信号输出至主控制芯片。

ADC采样模块，主要负责对步进电机线圈内部的电流进行实时采集，并将采集的电流作为电流反馈输出至电流环，电流环通过电流反馈来实时控制步进电机的运转和扭力情况。通过触发器SN74LVC14APW和运算放大器TL084C实现电机实时电流采样。

PWM输出模块，将PWM输出的功率进行放大，主要实现对步进电机电流的实时控制。通过栅极驱动器芯片IR2103S驱动MOS管IRF640N输出。

过流保护电路，实现步进电机的电流在异常情况下，保证驱动器不会因大电流而被烧毁。

通讯模块，可以对驱动器进行参数设置，并将外部控制信号翻译为内部指令信号，并通过内部指令信号来实现系统的控制和状态读取。通过通讯信芯片MAX3232E或SP3232E来实现RS-232通信。

本技术方案中，对步进电机扭力、速度和转动圈数状态信息进行检测，通过步进电机扭力、速度和转动圈数的反馈硬件电路和软件算法，能够实现±5％扭力精确控制，实现步进电机最大转速1500rpm及最大扭力900mN.m。

本技术方案中，步进电机输出直接用于锁螺丝，减少了机械齿轮的传动，增加了电批的使用寿命。同时采集步进电机的电流信息和速度信息，并进行反馈控制输出，使得步进电机的输出扭力满足螺丝需求。大大的延长电批输出扭力的校准周期，节省了时间。

请参考图4，本发明还提供一种电批伺服控制方法，方法步骤如下:

步骤1，参数设置设备根据螺丝的型号，设定步进电机的工作参数并输入至电批控制器，工作参数包括步进电机转动的扭力、转速和圈数。

步骤2，启动步进电机，编码器采集步进电机的速度信息并反馈至驱动器，编码器采集步进电机的实际转动圈数信息并反馈至驱动器，电批控制器采集步进电机的电流信息并反馈至驱动器。

步骤3，根据步进电机的工作参数和编码器反馈的速度信息和电流信息,驱动器驱动步进电机输出设定的转速、圈数、扭力，完成螺丝拧入。

步骤4，根据步进电机的工作参数和编码器反馈的速度信息和电流信息，驱动器驱动步进电机输出设定扭力，完成螺丝拧紧。

步骤5，电批控制器将步进电机的工作信息输出至上位机，上位机保存步进电机的工作信息，并且可以对其进行查询。

步骤6，位置环比较设定的步进电机转动圈数和步进电机实际转动圈数，如不一致，报警提示错误。

其中，步进电机的工作信息包括螺丝的编号、螺丝拧紧时间点、步进电机实际转动圈数、步进电机扭力和步进电机转速。电批记录每个螺丝的工作结果状态，并可以对其进行追溯。电机输出设定的转速为锁丝的分段速度。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种电批伺服控制系统，其特征在于，包括步进电机、编码器和电批控制器，所述编码器与步进电机电连接，所述编码器采集步进电机的速度信息，所述速度信息输出至电批控制器，所述电批控制器控制步进电机转动，所述步进电机转动带动批头拧紧螺丝，所述电批控制器采集步进电机电流信息，所述电批控制器根据电流信息和速度信息调节步进电机的输出扭力和输出转速。

2.如权利要求1所述的电批伺服控制系统，其特征在于，所述电批控制器包括驱动器，所述驱动器包括速度环和电流环，所述速度环接收速度信息，所述速度环生成电流指令信息输出至电流环，所述电流环接收电流信息和电流指令信息，所述电流环生成步进电机驱动电流。

3.如权利要求2所述的电批伺服控制系统，其特征在于，所述驱动器包括位置环，所述编码器采集步进电机实际转动的圈数信息，所述实际转动的圈数信息输出至位置环，所述位置环判断实际转动的圈数信息是否正确。

4.如权利要求1所述的电批伺服控制系统，其特征在于，所述电批控制器包括主控制电路，所述主控制电路负责完成与外部设备的通信，所述主控制电路负责电批控制器内部的信息处理。

5.如权利要求1所述的电批伺服控制系统，其特征在于，包括上位机，所述上位机与电批控制器电连接，所述上位机接收电批控制器输出的步进电机工作信息并记录。

6.如权利要求1所述的电批伺服控制系统，其特征在于，包括参数设置设备，所述参数设置设备根据需求将步进电机的工作参数、锁丝的分段速度、转动圈数及扭力参数输入至电批控制器。

7.一种电批伺服控制方法，其特征在于，该方法步骤如下:

步骤1，参数设置设备根据需求，设定步进电机的工作参数并输入至电批控制器，所述工作参数包括步进电机的扭力和转速；

步骤2，启动步进电机，编码器采集步进电机的速度信息并反馈至驱动器，电批控制器采集步进电机的电流信息并反馈至驱动器；

步骤3，根据工作参数和编码器反馈的速度信息和电流信息，驱动器驱动步进电机输出设定的转速、圈数、扭力，完成螺丝拧入；

步骤4，根据工作参数和编码器反馈的速度信息和电流信息，驱动器驱动步进电机输出设定扭力，完成螺丝拧紧。

8.如权利要求7所述的电批伺服控制方法，其特征在于，所述工作参数包括步进电机的转动圈数，所述步进电机的转动圈数为拧紧螺丝所需的转动圈数；所述编码器采集步进电机实际转动的圈数信息并反馈至位置环；所述位置环比较步进电机的转动圈数和实际步进电机的转动圈数信息；如不一致，报警提示错误。

9.如权利要求7所述的电批伺服控制方法，其特征在于，所述电批控制器将步进电机的工作信息传输至上位机，所述上位机保存步进电机工作的信息，并可以对步进电机的工作信息进行查询。

10.如权利要求7所述的电批伺服控制方法，其特征在于，所述步进电机的工作信息包括螺丝的编号、螺丝拧紧的时间点、步进电机实际转动圈数、步进电机扭力和步进电机转速。