CN110579980A - 一种通用型伺服控制算法有效性验证装置 - Google Patents

一种通用型伺服控制算法有效性验证装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种通用型伺服控制算法有效性验证装置，包括：控制器、伺服驱动器和伺服电机组件，并利用TwinCAT3中的PLC技术进行电机控制，通过EtherCAT总线实现平台控制功能和伺服驱动层的数据传输功能达到实时控制的效果，同时利用TE1400实现TwinCAT3 PLC数据与MATLAB/Simulink输入输出数据进行映射关联，从到达到理论模型控制电机的效果。本发明支持多种伺服控制Simulink模型对实验装置的直接控制，大大减少了从理论控制到实际效果验证的工作量，并且具有较强的通用性，可为较多科研人员提供伺服控制理论仿真的效果验证功能，操作简便，实用性强。

Description

一种通用型伺服控制算法有效性验证装置
技术领域
本发明涉及机械制造领域，尤其涉及一种通用型伺服控制算法有效性验证装置。
背景技术
交流伺服系统是工业机器人核心组成部件之一，同时是自动化学科及工业生产领域重要工具，在机械制造、冶金、交通运输等行业得到了广泛应用。
随着计算机技术和控制理论的发展，数字通信式交流伺服系统已经成为目前工业机器人领域的重要基础，推动着整个工业机器人产业的蓬勃发展。数字通信式伺服驱动器可以完成伺服系统的三环运动控制，而控制器可以专用于机器人轨迹规划和多轴同步控制。数字通信式控制相比于脉冲、模拟量式控制有较高的加工精度和加工速度，并且不易受到工作环境影响，有很强的抗干扰能力，并且由于采用数字信号进行通信，传输距离较远，因此数字式交流伺服系统已经成为工业机器人的主流设备。
数字式交流伺服系统虽然具备较多的优良性能，但依旧解决不了伺服系统在工业机器人中实际应用上的诸多问题。工业机器人伺服系统的控制性能与电机参数的准确获取密切相关，在变负载和复杂工况下，机组转动惯量和电机参数会发生较大的变化从而整个伺服系统都会受到影响。此外，伺服电机转矩脉动和外部扰动会严重影响电机控制精度。这些都是伺服控制算法在实际运用过程中存在的问题。交流伺服系统控制算法的理论研究已经较为深入，但真正能用于实际电机控制且实际有效的控制算法却少之又少，主要原因在于许多科研机构缺乏通用性较强的实际伺服系统可以用于算法有效性验证，导致出现一套实验系统往往不能够适用于多种控制算法的情况。研究人员在进行理论研究时，可能理论效果良好，但缺乏适用于多种控制算法的实验系统验证所提算法的有效性，所以大部分控制算法的实际有效性很难得到验证。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种通用型伺服控制算法有效性验证装置，包括：伺服电机组件、伺服驱动器和控制器；
所述伺服电机组件包括：第一交流电机、第二交流电机、定级飞轮、第一联轴器、第二联轴器、轴承座、磁粉制动机和磁粉离合器；
所述第一交流电机、所述第二交流电机、所述定级飞轮、所述第一联轴器、所述第二联轴器、所述轴承座和所述磁粉制动机均同轴设置；
所述控制器通过控制总线与所述伺服驱动器进行数据传输；所述伺服驱动器与所述伺服电机组件电性连接；
所述定级飞轮的转轴的一端通过所述第一联轴器与所述第一交流电机的转轴连接，另一端连接至所述轴承座；所述磁粉制动机的转轴的一端连接至所述第二交流电机的转轴，另一端通过所述第二联轴器连接至所述轴承座；所述第二交流电机的转轴通过同步传送带与所述磁粉离合器的转轴连接，以通过所述第二交流电机的转动同步带动所述磁粉离合器和所述磁粉制动机的转动。
进一步地，所述磁粉离合器的未连接所述同步传送带的一侧还设有定级飞轮连接口，用于加装定级飞轮，进行扩展实验。
进一步地，所述控制器和所述伺服驱动器之间通过EtherCAT总线进行数据传输。
进一步地，所述控制器为电脑，电脑内安装有TwinCAT3控制平台和Matlab软件；且所述Matlab软件和所述TwinCAT3控制平台之间通过TE1410插件实现数据互传。
进一步地，所述一种通用型伺服控制算法有效性验证装置还包括供电模块；所述供电模块包括隔离变压器、断路器和电磁接触器；所述隔离变压器输入端连接220V三相电源，输出端连接断路器输入端，起到隔离保护的作用，断路器用于保护电源线，当过电流情况出现时切断三相电源；
断路器的输出端连接至电磁接触器的输入端，电磁接触器的输出端连接至所述伺服驱动器的R、S和T脚；所述伺服驱动器的控制回路电源输入端子L1C和L2C分别连接至所述电磁接触器的两个控制端，用于打开或关闭电源。
进一步地，所述伺服驱动器的型号为IS620NS5R5l，内置有泄放电阻，以在母线电容不足时提供电流回路。
进一步地，所述第一飞轮可更换，以适应不同的实验需求。
进一步地，所述第一交流电机和所述第二交流电机的型号相同，均为IS620N系列的750W的交流伺服电机。
进一步地，所述一种通用型伺服控制算法有效性验证装置的控制原理如下：
首先在MATLAB中完成Simulink理论控制算法模型；然后将所述理论控制算法模型中的电机模型替换成TE1410模块，以将Simulink变量与TwinCAT3工程环境下的PLC变量进行映射，TwinCAT3环境下PLC工程通过EtherCAT总线与伺服驱动器进行数据传输；伺服驱动器给电机发送控制指令，电机再反馈实时参数给伺服驱动器，最终实现双向通讯以达到验证所述理论控制算法模型的实验目的；其中，所述电机包括所述第一交流电机和所述第二交流电机；所述实时参数包括电机转速、转动惯量和负载。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明支持多种伺服控制Simulink模型对实验装置的直接控制，大大减少了从理论控制到实际效果验证的工作量，并且具有较强的通用性，可为较多科研人员提供伺服控制理论仿真的效果验证功能，操作简便，实用性强。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种通用型伺服控制算法有效性验证装置的控制结构图；
图2是本发明实施例中伺服电机组件的装置图；
图3是本发明实施例中一种通用型伺服控制算法有效性验证装置的电气连接示意图；
图4是本发明实施例中一种通用型伺服控制算法有效性验证装置的整体控制框架图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种通用型伺服控制算法有效性验证装置。
请参考图1，图1是本发明实施例中一种通用型伺服控制算法有效性验证装置的控制结构图；包括：伺服电机组件1、伺服驱动器2和控制器3；
请参阅图2，图2是本发明实施例中伺服电机组件的装置图；所述伺服电机组件1包括：第一交流电机11、第二交流电机12、定级飞轮13、第一联轴器14、第二联轴器15、轴承座16、磁粉制动机17和磁粉离合器18；
第一交流电机11、第二交流电机12、定级飞轮13、第一联轴器14、第二联轴器15、轴承座16和磁粉制动机17均同轴设置；
所述控制器3通过控制总线与所述伺服驱动器2进行数据传输；所述伺服驱动器2与所述伺服电机组件1电性连接；
所述定级飞轮13的转轴的一端通过所述第一联轴器14与所述第一交流电机11的转轴连接，另一端连接至所述轴承座16；所述磁粉制动机15的转轴的一端连接至所述第二交流电机12的转轴，另一端通过所述第二联轴器15连接至所述轴承座16；所述第二交流电机12的转轴通过同步传送带与所述磁粉离合器18的转轴连接，以通过所述第二交流电机12的转动同步带动所述磁粉离合器18和所述磁粉制动机17的转动。
所述磁粉离合器18的未连接所述同步传送带的一侧还设有定级飞轮连接口，用于加装定级飞轮，进行扩展实验。
所述控制器3和所述伺服驱动器2之间通过EtherCAT总线进行数据传输。
所述控制器3为电脑，电脑内安装有TwinCAT3控制平台和Matlab软件；且所述Matlab软件和所述TwinCAT3控制平台之间通过TE1410插件实现数据互传。
如图3所示，所述一种通用型伺服控制算法有效性验证装置还包括供电模块4；所述供电模块包括隔离变压器41、断路器42和电磁接触器43；所述隔离变压器41输入端连接220V三相电源，输出端连接断路器输入端，起到隔离保护的作用，断路器42用于保护电源线，当过电流情况出现时切断三相电源；
断路器42的输出端连接至电磁接触器43的输入端，电磁接触器43的输出端连接至所述伺服驱动器2的R、S和T脚；所述伺服驱动器2的控制回路电源输入端子L1C和L2C分别连接至所述电磁接触器43的两个控制端，用于打开或关闭电源。
所述伺服驱动器2的型号为IS620NS5R5l，内置有泄放电阻，以在母线电容不足时提供电流回路。
所述第一飞轮13可更换，，以适应不同的实验需求；在具体实施过程中，可根据实验去求更换不同型号的飞轮。
所述第一交流电机11和所述第二交流电机12的型号相同，均为IS620N系列的750W的交流伺服电机。
请参阅图4，图4是本发明实施例中一种通用型伺服控制算法有效性验证装置的整体控制框架图；所述一种通用型伺服控制算法有效性验证装置的控制原理如下：
首先在MATLAB中完成Simulink理论控制算法模型；然后将所述理论控制算法模型中的电机模型替换成TE1410模块，以将Simulink变量与TwinCAT3工程环境下的PLC变量进行映射，即在Simulink下的过程变量可以与TwinCAT3中的PLC变量一一映射，TwinCAT3环境下PLC工程通过EtherCAT总线与伺服驱动器进行数据传输；伺服驱动器给电机发送控制指令，电机再反馈实时参数给伺服驱动器，最终实现双向通讯以达到验证所述理论控制算法模型的实验目的；实验过程中，Simulink理论仿真模型无需转换成TwinCAT3环境下的编程语言，可直接利用EtherCAT协议与实验装置进行数据通讯开展相关实验；其中，所述电机包括所述第一交流电机和所述第二交流电机；所述实时参数包括电机转速、转动惯量和负载。
基于本发明所提出的一种通用型伺服控制算法有效性验证装置可进行的实验包括：扰动抑制实验、惯量辨识实验和变负载实验；当所述第一联轴器将所述定级飞轮13和所述第一交流电机11固定连接且所述第二联轴器将所述磁粉制动机15和所述轴承座16固定连接时，第一交流电机11、第二交流电机12、定级飞轮13、第一联轴器14、第二联轴器15、轴承座16和磁粉制动机17的轴均连接在了一起，此时所述第一交流电机11和所述第二交流电机12之间可进行扰动抑制实验；当所述第一联轴器14或者所述第二联轴器15中的一个断开时，该装置可分为两部分分别进行惯量辨识实验或者变负载实验。
在本发明实施例中，TwinCAT3集成于Visual Studio软件中，分为开发层和运行层，在开发层中利用TwinCAT3中的人机交互工具HMI制作控制软件界面，实现模块控制、参数配置、状态模式选择等主要功能。在运行层中，TwinCAT3运行核是Windows底层优先级最高的服务，作为内核运行在控制器上，保证了控制的实时性。开发层和运行层之间通过ADS协议进行数据传输。使用TwinCAT3I/O端口映射可以在过程映射中通过不同的现场总线采集循环数据，循环任务驱动相应的现场总线，不同的现场总线能够在同一个CPU上用不同的周期时间运行，可以直接访问过程映像。现场总线和过程映像的配置在Visual Studio里完成。TwinCAT3具有良好的可扩展性，支持MATALB/Simulink模块对运行层的控制，可以极大的减少开发人员的工作量，进行系统开发时可以不必详细的知道控制算法的原理，只需要知道系统开发与控制算法的相应的输入输出，通过ADS协议进行数据通讯即可。
本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案最大的创新之处在于Simulink理论仿真模型无需转换成TwinCAT3环境下的PLC编程语言，可直接利用高速现场总线通讯协议与实验装置进行数据通讯开展相关实验。理论研究人员无需知道硬件的操作方式，只用保证理论模型有效即可开展相应实验，而硬件工作人员只需将理论模型控制的输入输出变量映射到TwinCAT3工作环境中以控制电机，同时将电机运动的相关参数反馈给Simulink模型，其中最短通讯周期能达到50微妙；
利用本套实验装置，可以极大的减少理论研究人员的工作量，能简便的直接利用Simulink仿真模型控制伺服装置，通过返回的实际数据曲线验证所提算法的有效性，并且本套装置具有较强的通用性，可用于多种伺服电机控制算法的有效性验证，只需将Simulink模型中的电机模型替换成TE1410(德国倍福公司插件)接口模型，并将所需的输入输出接口映射至TwinCAT3中PLC主控程序中即可实现Simulink模型对伺服装置的实时控制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (9)

1.一种通用型伺服控制算法有效性验证装置，其特征在于：包括：伺服电机组件(1)、伺服驱动器(2)和控制器(3)；
所述伺服电机组件(1)包括：第一交流电机(11)、第二交流电机(12)、定级飞轮(13)、第一联轴器(14)、第二联轴器(15)、轴承座(16)、磁粉制动机(17)和磁粉离合器(18)；
所述第一交流电机(11)、所述第二交流电机(12)、所述定级飞轮(13)、所述第一联轴器(14)、所述第二联轴器(15)、所述轴承座(16)和所述磁粉制动机(17)均同轴设置；
所述控制器(3)通过控制总线与所述伺服驱动器(2)进行数据传输；所述伺服驱动器(2)与所述伺服电机组件(1)电性连接；
所述定级飞轮(13)的转轴的一端通过所述第一联轴器(14)与所述第一交流电机(11)的转轴连接，另一端连接至所述轴承座(16)；所述磁粉制动机(17)的转轴的一端连接至所述第二交流电机(12)的转轴，另一端通过所述第二联轴器(15)连接至所述轴承座(16)；所述第二交流电机(12)的转轴通过同步传送带与所述磁粉离合器(18)的转轴连接，以通过所述第二交流电机(12)的转动同步带动所述磁粉离合器(18)和所述磁粉制动机(17)的转动。
2.如权利要求1所述的一种通用型伺服控制算法有效性验证装置，其特征在于：所述磁粉离合器(18)的未连接所述同步传送带的一侧还设有定级飞轮连接口，用于加装定级飞轮，进行扩展实验。
3.如权利要求1所述的一种通用型伺服控制算法有效性验证装置，其特征在于：所述控制器(3)和所述伺服驱动器(2)之间通过EtherCAT总线进行数据传输。
4.如权利要求3所述的一种通用型伺服控制算法有效性验证装置，其特征在于：所述控制器(3)为电脑，所述电脑内安装有TwinCAT3控制平台和Matlab软件；且所述Matlab软件和所述TwinCAT3控制平台之间通过TE1410插件实现数据互传。
5.如权利要求1所述的一种通用型伺服控制算法有效性验证装置，其特征在于：所述一种通用型伺服控制算法有效性验证装置还包括供电模块4；所述供电模块包括隔离变压器(41)、断路器(42)和电磁接触器(43)；所述隔离变压器(41)输入端连接220V三相电源，输出端连接断路器输入端，起到隔离保护的作用，断路器(42)用于保护电源线，当过电流情况出现时切断三相电源；断路器(42)的输出端连接至电磁接触器(43)的输入端，电磁接触器(43)的输出端连接至所述伺服驱动器(2)的R、S和T脚；所述伺服驱动器(2)的控制回路电源输入端子L1C和L2C分别连接至所述电磁接触器(43)的两个控制端，用于打开或关闭电源。
6.如权利要求1所述的一种通用型伺服控制算法有效性验证装置，其特征在于：所述伺服驱动器(2)的型号为IS620NS5R5l，内置有泄放电阻，以在母线电容不足时提供电流回路。
7.如权利要求1所述的一种通用型伺服控制算法有效性验证装置，其特征在于：所述第一飞轮(13)可更换，以适应不同的实验需求。
8.如权利要求1所述的一种通用型伺服控制算法有效性验证装置，其特征在于：所述第一交流电机(11)和所述第二交流电机(12)的型号相同，均为IS620N系列的750W的交流伺服电机。
9.如权利要求4所述的一种通用型伺服控制算法有效性验证装置，其特征在于：所述一种通用型伺服控制算法有效性验证装置的控制原理如下：
首先在MATLAB中完成Simulink理论控制算法模型；然后将所述理论控制算法模型中的电机模型替换成TE1410模块，以将Simulink变量与TwinCAT3工程环境下的PLC变量进行映射，TwinCAT3环境下PLC工程通过EtherCAT总线与伺服驱动器进行数据传输；伺服驱动器给电机发送控制指令，电机再反馈实时参数给伺服驱动器，最终实现双向通讯以达到验证所述理论控制算法模型的实验目的；其中，所述电机包括所述第一交流电机和所述第二交流电机；所述实时参数包括电机转速、转动惯量和负载。
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