CN109936312B - Crts-iii型轨道板模具清理装置的电机驱动同步及消隙控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CRTS‑III型轨道板模具清理装置的四电机驱动同步及消隙控制方法，包括以下步骤：构建四电机驱动系统电气连接结构，将四台电机分为两组，其中，每组中的两台电机分别驱动主控轴和被控轴；在插补运算处理阶段，将控制器运动控制中的插补运算分离，以便将插补运算划分为粗插补和精插补两部分；在同步及消隙控制阶段，对于双轴同步控制，采用双轴并行同步控制方法，控制对象为两组轴中的主控轴；以及对于消隙控制，采用双电机驱动消隙控制方法，控制对象为每组电机所驱动的主控轴和被控轴。本发明的控制方法具有良好的同步效果和消隙效果，同时具有充足的驱动力和灵活开放的控制方式。

Description

CRTS-III型轨道板模具清理装置的电机驱动同步及消隙控制 方法

技术领域

本发明是关于设备运行控制的数字控制技术领域，特别是关于一种CRTS-III型轨道板模具清理装置的四电机驱动同步及消隙控制方法。

背景技术

随着我国高铁技术的发展，CRTS-III型轨道板的生产已经由台座法逐步向流水机组法过渡，全面的自动化生产已经得到了应用。在轨道板生产过程中，针对轨道板脱模后模具内有水泥残渣遗留和每次打板前轨道板清洗的需求，现有生产模式需人工清理，时间长而且劳工强度较大且粉尘对人体伤害较大。在智能制造新模式中，模具清理工位由封闭清理室、模具定位系统、多轴桁架机器人系统、末端毛刷清理系统、除尘系统、安全防护报警六系统组成。在生产线上采用智能模具清理机器人，采用智能自动化方式完成模具在生产线的无人清理工作。因为模具清理装置需要较大的力来实现清理功能，一般采用龙门移动平台来实现重载清理装置的平稳运行。

目前重载龙门移动平台的传动方式主要有两种：一种是滚珠丝杠传动方式，即采用单台电机加上单个滚珠丝杠传动的单边驱动形式或者双电机加上双滚珠丝杠的双边驱动形式。其中单轴单边驱动很难将驱动力龙门移动平台的重心，其产生的不对称的驱动力会造成丝杠的弯曲变形而影响系统的定位精度。另一种传动方式是齿轮齿条传动方式。在该传动方式下，齿条位于工作台两侧对称放置，电机通过驱动两边的齿轮共同驱动工作台的运动。若采用双电机驱动，即每侧紧使用一台电机驱动齿轮，系统在换向时，由于齿轮与齿条之间存在齿轮的侧向间隙，会使进给运动反向滞后，从而影响传动精度。若采用四台电机驱动，即每侧使用两台电机驱动两个齿轮同时与齿条啮合传动，若能使两齿轮的轮齿分别与齿条轮齿的相反两侧相接触，则可消除反向传动侧隙。因此如何在确保消除齿轮与齿条之间齿侧间隙的同时，并使重载龙门移动平台两侧的位移量保持同步，是需要解决的关键问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CRTS-III型轨道板模具清理装置的四电机驱动同步及消隙控制方法，其能够克服现有技术的上述缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种CRTS-III型轨道板模具清理装置的四电机驱动同步及消隙控制方法，包括以下步骤：

构建四电机驱动系统电气连接结构，将四台电机分为两组，其中，每组中的两台电机分别驱动主控轴和被控轴；

在插补运算处理阶段，将控制器运动控制中的插补运算分离，以便将插补运算划分为粗插补和精插补两部分；

在同步及消隙控制阶段，对于双轴同步控制，采用双轴并行同步控制方法，控制对象为两组轴中的主控轴；以及

对于消隙控制，采用双电机驱动消隙控制方法，控制对象为每组电机所驱动的主控轴和被控轴。

在一优选的实施方式中，电气连接结构采用实时以太网总线以菊花链的形式将设备控制器与四套伺服驱动器和电机连接在一起，并将四套伺服驱动器和电机划分为第一组伺服驱动器和电机和第二组伺服驱动器和电机，其中，位于龙门移动平台同侧的两套伺服驱动器和电机被划分为同一组。

在一优选的实施方式中，粗插补的插补周期与原开放式设备控制器的插补周期保持一致。

在一优选的实施方式中，精插补的插补周期被设置为粗插补的插补周期的1/n，以匹配伺服驱动器的控制周期，提高控制频率。

在一优选的实施方式中，双轴并行同步控制方法具体为：依据两个主控轴的反馈位置计算各自的位置跟随误差以及两个主控轴之间的位置同步误差；将位置同步误差作为输入量输入到双轴并行同步控制器中，控制器经过运算得到补偿量；将位置跟随误差作为补偿量分配的依据，计算两个主控轴的补偿分量；最后通过实时以太网总线将计算得到的补偿分量分配到相应的主控轴中。

在一优选的实施方式中，双轴并行同步控制器采用分区域的PID控制算法。

在一优选的实施方式中，双电机驱动消隙控制方法具体为：针对每组内的主控轴和被控轴，采用齿轮齿条传动控制器，以使主控轴和被控轴均输出相同的扭矩；依据各组消隙卡中监测到的电机电流计算各个组内主控轴和被控轴之间需要施加的偏置力矩；将偏置力矩通过实时以太网总线传送到消隙卡中。

在一优选的实施方式中，齿轮齿条传动控制器是用于控制齿轮齿条传动机构或者行星齿轮传动机构的双电机驱动控制器，齿轮齿条传动控制器在两个电机之间施加一个大小相等方向相反的预紧力，以消除齿轮在启动或是换向时产生的齿侧间隙，并且其中，齿轮齿条传动控制器采用主从式控制结构，在控制结构下，当所需扭矩不断增大并高于预紧力产生的扭矩时，从驱动器也逐渐越过补偿后的间隙并开始辅助主驱动器共同驱动负载。

与现有技术相比，本发明的四电机驱动同步及消隙控制方法具有以下有益效果及优点：

1.良好的同步效果。单轴单边驱动很难将驱动力龙门移动平台的重心，其产生的不对称的驱动力会造成丝杠的弯曲变形而影响系统的定位精度。

2.良好的消隙效果。在双电机驱动方式下，齿条位于工作台两侧对称放置，电机通过驱动两边的齿轮共同驱动工作台的运动。由于采用双电机驱动，即每侧紧使用一台电机驱动齿轮，系统在换向时，由于齿轮与齿条之间存在齿轮的侧向间隙，会使进给运动反向滞后，从而影响传动精度。

3.充足的驱动力。在双电机驱动下，每侧使用一台电机驱动，其驱动力受限于电机的驱动能力，因此驱动力有限，很难驱动大型的龙门式或桥式机床。在四电机驱动下，每侧由两台电机驱动，除去消隙控制外，两台电机可以合力对其驱动，因此可以提供充足的驱动力。

4.灵活开放的控制方式。传统的控制器通常集成于伺服器驱动器中，其控制环路被封闭在驱动器中，数控系统无法依据具体的应用场景对其做修改和调整，因而封闭不灵活。本发明借助于实时以太网总线高实时性、高带宽以及高同步性的特点，将大部分控制策略从驱动器中抽离并安置于设备控制器中，因而控制方式更加灵活。

附图说明

图1 为本发明方法模块流程图；

图2 为四电机驱动龙门移动平台电气连接图；

图3 为划分插补运算图；

图4 为分区域PID控制器分区结构图；

图5 为齿轮齿条传动控制器结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

图1 为本发明方法模块流程图。如图1所示，本发明的控制方法可分为插补运算处理和同步及消隙控制两个阶段。在插补运算处理阶段，开放式设备控制器将原有插补运算进行分离，划分为粗插补和精插补两部分。粗插补的插补周期保持不变，将精插补的插补周期调整为粗插补的1/n，以匹配伺服驱动器的控制周期，提高控制频率。在同步及消隙控制阶段，其过程又可分为双轴同步控制和双电机驱动消隙控制两部分。对于双轴同步控制，采用双轴并行同步控制方法，控制对象为两组轴中的主控轴（Master）。首先依据两个同步轴的反馈位置计算同步误差，并将它作为输入量输入到双轴并行同步控制器中，控制器经过运算得到补偿量，最后采用补偿量分配策略将补偿量通过实时以太网总线分配到两个同步轴中。对于双电机驱动消隙控制，则采用齿轮齿条传动控制方法，该方法可使主从轴均输出相同的扭矩，控制对象为每组中的主控轴（Master）和被控轴（Slave）。数控系统依据各组消隙卡中监测到的电机电流计算各个组内主从轴之间需要施加的偏置力矩，并将偏置力矩通过实时以太网总线传送到消隙卡中。如图1所示，本发明的控制方法包括：在101处，将插补周期N等分，在102处，由X11轴反馈位置，在103处，由X21轴反馈位置，在104处，卡1监测电机电流，在105处，卡2监测电机电流，在106处，传送第一组中的X11和X12轴的偏置力矩，在107处，传送第二组中的X21和X22轴的偏置力矩。

图2 为四电机驱动龙门移动平台电气连接图。如图2所示，本发明使用实时以太网总线将开放式设备控制器与四套伺服驱动器和电机以菊花链的形式连接在一起。并将这四套驱动器和电机分为两组，分别将位于龙门工作台同侧的两套驱动器和电机划分在同一组并定义为组1和组2。从数控系统角度来看，每一套驱动器和电机都对应着一个单独的轴，因此我们将组1中的轴定义为X1轴，其中组内的两个轴分别为X11轴和X12轴。同理将组2定义为X2轴，组内两轴分别为X21轴和X22轴。组内采用双电机驱动消隙技术，将组内两个轴的其一个轴X11/X21设置为主控轴（Master），另一个轴X21/X22设置被控轴（Slave），它们之间通过串行总线交换数据，借助于被控轴驱动器中消隙卡的控制，双电机通过驱动同侧的两个齿轮与齿条进行啮合传动。组间则采用双轴同步控制技术，将各组中的主控轴作为双轴同步的对象，采用双轴并行同步控制方法进行同步控制，进而共同驱动龙门移动平台的两侧一起运动。

图3 为划分插补运算图。如图3所示，通常情况下，数控系统所采用的插补周期要大于伺服驱动器内部的控制周期以及其提供给总线的最小的控制周期。为匹配伺服驱动器的控制周期以提高控制频率及精度，本发明将开放式设备控制器原有插补运算进行分离，划分为粗插补与精插补。其中粗插补的插补周期保持不变，精插补的插补周期调整为粗插补的1/n，n的取值据实际情况而定。所涉及到的模块为开放式设备控制器应用软件层中的运动控制模块与实时以太网总线驱动模块，粗插补运算取代原有插补运算在运动控制模块中的位置，而精插补运算被置于底层的实时以太网总线驱动模块中。

图4 为分区域PID控制器分区结构图。如图4所示，本发明根据同步误差及其变化量对专家PID控制器进行设计，可分3种情况，其中、和分别为所设定的同步误差的最小值、中间值和最大值。较强的控制作用和一般的控制作用分别是让PID控制器输出较大和较小的补偿量，可以通过在控制器中增加调节PID参数的放大系数和抑制系数来实现。此外，本文依据两同步轴跟随误差之间的正负性对控制器输出的补偿量进行补偿分量的划分，其补偿分量的大小由两个同步轴各自跟随误差的大小决定，补偿分量分配给两个同步轴并补偿到各自的速度环中。采用这种方式对两个轴同时进行调节，可以快速减小两个同步轴之间的同步误差。在401处：e(k)*∆e(k)>0,表示同步误差的绝对值在向着增大的方向变化，分为a b c d四段处理。在402处：e(k)*∆e(k)<0 e(k)*∆e(k-1)>0或e(k)=0,表示同步误差的绝对值在向着减小的方向变化，或者已经达到平衡状态，保持控制器输出不变。在403处：：e(k)*∆e(k)<0 e(k)*∆e(k-1)<0,表示同步误差处于极限值状态，分为e f g h四段处理。a,e : 当|e(k)|≥emax ,同步误差超出误差调节最大值，系统停止运行并提示同步超差报警。b,f : 当emid≤ |e(k)|<emax, 同步误差绝对值仍然较大，实施强控制作用。c,g : 当emin≤ |e(k)|<emid,同步误差绝对值较小，实施一般控制作用。d,h : 当|e(k)|≤emin, 同步误差低于误差调节最小值，开启积分功能，以减小稳态误差。

图5 为齿轮齿条传动控制器结构图。如图5所示，本发明的被控对象为同组内的两个轴X11（X21）和X12（X22），采用主从式控制结构，X11（X21）轴被设置为主控轴，其驱动器内部采用位置控制模式，X12（X22）轴被设置为从动轴，其驱动器内部采用速度控制模式。主从驱动器之间通过串行总线进行数据交换，为了使主从轴之间输出相同的扭矩，主从驱动器首先交换各自的参考电流，在得到双方的参考电流后，将其与各自的参考电流向加，从而使主从驱动器的参考电流保持相同。虽然这样可以确保两个轴输出相同的扭矩从而得到相同的负载，但是两个驱动器内速度环的输出可能变得大不相同。位于从驱动器内的过程控制器（Process Controller，PRC）用于对此进行补偿，它通过调整从驱动器内的速度控制器使其输出量与主驱动器内速度控制器的输出量之间的偏差趋近于零。

最后分别对主从驱动器施加一个偏置力矩，该偏置力矩始终保持大小相等并且方向相反，这样齿轮的侧间隙变不复存在，此外偏置力矩是等值反向的所以也不会导致齿轮的运动。在这种情况下，一旦主驱动器接收到一个位置指令，主从驱动器变会产生大小相同的扭矩输出。当该扭矩大于所设置的偏置力矩后，从驱动器控制会协助主驱动器共同驱动负载。当位置控制结束时，主从驱动器产生的扭矩又会减小为零，在整个过程中偏置力矩始终存在因而齿隙也不会存在。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (4)

1.一种CRTS-III型轨道板模具清理装置的四电机驱动同步及消隙控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

构建四电机驱动系统电气连接结构，将四台电机分为两组，其中，每组中的两台电机分别驱动主控轴和被控轴；

在插补运算处理阶段，将控制器运动控制中的插补运算分离，以便将所述插补运算划分为粗插补和精插补两部分；

在同步及消隙控制阶段，对于双轴同步控制，采用双轴并行同步控制方法，控制对象为两组轴中的主控轴；以及对于消隙控制，采用双电机驱动消隙控制方法，控制对象为每组电机所驱动的主控轴和被控轴，所述粗插补的插补周期与原开放式设备控制器的插补周期保持一致，所述精插补的插补周期被设置为粗插补的插补周期的1/n，以匹配伺服驱动器的控制周期，提高控制频率，

所述双轴并行同步控制方法具体为：

依据两个主控轴的反馈位置计算各自的位置跟随误差以及两个主控轴之间的位置同步误差；

将位置同步误差作为输入量输入到双轴并行同步控制器中，控制器经过运算得到补偿量；

将位置跟随误差作为补偿量分配的依据，计算两个主控轴的补偿分量；

最后通过实时以太网总线将计算得到的补偿分量分配到相应的主控轴中，

所述双电机驱动消隙控制方法具体为：

针对每组内的主控轴和被控轴，采用齿轮齿条传动控制器，以使主控轴和被控轴均输出相同的扭矩；

依据各组消隙卡中监测到的电机电流计算各个组内主控轴和被控轴之间需要施加的偏置力矩；

将偏置力矩通过实时以太网总线传送到消隙卡中。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述电气连接结构采用实时以太网总线以菊花链的形式将设备控制器与四套伺服驱动器和电机连接在一起，并将所述四套伺服驱动器和电机划分为第一组伺服驱动器和电机和第二组伺服驱动器和电机，其中，位于龙门移动平台同侧的两套伺服驱动器和电机被划分为同一组。

3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述双轴并行同步控制器采用分区域的PID控制算法。

4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述齿轮齿条传动控制器是用于控制齿轮齿条传动机构或者行星齿轮传动机构的双电机驱动控制器，所述齿轮齿条传动控制器在两个电机之间施加一个大小相等方向相反的预紧力，以消除齿轮在启动或是换向时产生的齿侧间隙，并且其中，所述齿轮齿条传动控制器采用主从式控制结构，在所述控制结构下，当所需扭矩不断增大并高于预紧力产生的扭矩时，从驱动器也逐渐越过补偿后的间隙并开始辅助主驱动器共同驱动负载。

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