CN111208849A - 一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制系统的控制方法，包括控制器、电机驱动器、电机、传动装置、末端轴和编码器，控制时，首先采用模式1，将末端轴快速定位到离位置目标值相差大小为位置差阈值的位置，然后采用模式2实现末端轴半闭环控制，低速逼近末端轴的位置目标值，实现高精度定位控制。本发明的系统在高精度定位阶段，采用半闭环位置控制模式，低速逼近位置目标值，避免了因为传动装置齿隙的存在导致高精度定位阶段可能导致的系统振荡。

Description

一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制系统及方法

技术领域

本发明涉及位置控制的技术领域，尤其涉及一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制系统及方法。

背景技术

高精度位置控制主要有两种应用需求：一种为高位置随动位置控制系统，如火炮随动控制系统等，位置输入信号预先未知且随时间变化的控制系统；另外一种为高精度定位控制，如天线测试系统等。这两种控制需求的核心差别在于位置输入信号是否随时间变化而变化。由于传动装置齿隙的存在，为实现高精度位置控制，通常采用两种方法，如中国专利申请号： CN201410169816.7，申请日：2014年4月24日，专利名称为：一种双电机同轴驱动消隙控制系统及其消隙控制方法，该发明公开了一种双电机同轴驱动消隙控制系统及其消除传动链齿隙的控制方法，在数字化控制的电机驱动器中二次编程，增加消隙控制环节，实现通用电机驱动器的双电机同轴驱动消隙控制，根据需要设定消隙力矩的大小，将双电机的速度反馈信号接入控制回路中，避免差速震荡问题。另外一种方法采用电机直接驱动的方法，避免使用传动链，如中国专利申请号：CN201710300008.3，申请日：2017年5月2日，专利名称为：一种直驱转台位置控制系统及控制方法，本发明公开了一种直驱转台位置控制系统及控制方法，采用直驱电机带动转台转动，去除了机械减速箱的齿轮传动可以实现对转台的高精度位置控制，本发明通过误差分段控制和最后定位阶段的积分器积分起点值控制，达到有效控制大范围角度定位时超调量的目的。

上述两种方法是目前主流的高精度位置控制系统的实现路径，但双电机消隙驱动增加了一套驱动装置，在结构复杂、控制复杂性、成本高等不足，直接驱动电机在安装、体积、成本等方面也存在不足。

针对两种位置控制需求，定位控制在天线测试、机械加工等领域存在广泛的应用，定位控制的核心需求是保证最终的定位精度，因此本发明提供一种基于通用驱动控制方法的定位控制系统，用于解决上述两种控制方法在定位控制系统使用上的不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制系统及方法，解决现有技术空白，实现低成本高精度定位控制。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制系统，其中：包括控制器、电机驱动器、电机、传动装置、末端轴和编码器，控制器与电机驱动器信号连接，电机驱动器与电机信号连接，电机通过传动装置与末端轴连接，编码器安装在末端轴上，控制器依据位置目标值以及编码器反馈的信号，与电机驱动器进行信息交换，电机驱动器控制电机运作，电机通过传动装置带动末端轴运动，编码器用于检测末端轴的位置，并将检测值反馈到控制器。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的控制器的控制内容包括位置目标值、位置差阈值、位置差、模式选择、调控环节和末端位置控制；其中，位置差为位置目标值减去编码器的值；模式选择依据位置差的值选择将位置差传递到调控环节或者末端位置控制。

上述的电机驱动器的控制内容包括模式控制、电机增量位置控制、电机速度控制；电机驱动器依据控制器通过现场总线传输的模式选择来确定启动电机增量位置控制或电机速度控制，调控环节能将信号传递至电机增量位置控制，末端位置控制能将信号传递至电机速度控制。

上述的高精度定位控制系统的控制模式分为两种，其中，模式1为高速模式：控制器的模式选择接通末端位置控制，电机驱动器的模式控制接通电机速度控制，末端位置控制发送信号至电机速度控制，电机速度控制控制电机快速运作，使末端轴快速运动，接近末端轴的位置目标值；模式2为高精度模式：控制器的模式选择接通控制环节，电机驱动器的模式控制接通电机增量位置控制，控制环节发送电机步数信号至电机增量位置控制，电机增量位置控制控制电机运作指定步数，使末端轴移动指定角度，低速逼近末端轴的位置目标值。

一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制方法，设位置目标值为θ，设位置差为Δθ，位置差阈值设为Δθ_max，传动装置的齿隙折算到末端轴的角度设为θ_Backlash，定位精度设为δ，设模式2低速逼近步进角为Δθ_min，定位过程包括如下步骤：

步骤一、控制器将模式选择选为模式1，即末端轴全闭环位置控制模式，位置目标值θ、位置差阈值Δθ_max、编码器经过运算后，得到位置差Δθ，通过末端位置控制向电机速度控制发送电机转动Δθ的指令，电机速度控制控制电机运作，将末端轴快速定位到θ-Δθ_max位置，此时末端轴停止位置距离位置目标值相差Δθ_max；

步骤二、在末端轴停止后，模式选择置于模式2，将Δθ_max传递到调控环节，模式选择同时线将电机驱动的模式控制置于电机增量位置控制，即末端轴半闭环控制模式；调控环节将电机步数i＝Δθ_max/Δθ_min的信号发送至电机增量位置控制，电机增量位置控制控制电机移动i 步，使末端轴转动至目标位置；

步骤三、调控环节读取编码器值θ_act，判断θ-θ_act是否小于定位精度δ，若不是，则跳转步骤二，若是，则定位结束。

位置差阈值取2×θ_Backlash≤Δθ_max≤10×θ_Backlash。

低速逼近步进角Δθ_min取值范围为

本发明所达到的有益效果：

1、本发明的系统通过利用通用位置控制的硬件架构，将定位过程分为两个阶段，首先将末端轴快速定位到离位置目标值相差大小为位置差阈值的位置，然后采用模式2实现末端轴半闭环控制，低速逼近末端轴的位置目标值，实现高精度定位控制。

2、本发明的系统在高精度定位阶段，采用半闭环位置控制模式，低速逼近位置目标值，避免了因为传动装置齿隙的存在导致高精度定位阶段可能导致的系统振荡。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明控制器和电机驱动器的组成结构图。

图中标记名称：控制器1、电机驱动器2、电机3、传动装置4、末端轴5、编码器6。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本实施例的一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制系统，包括控制器1、电机驱动器2、电机3、传动装置4、末端轴5和编码器6，控制器1与电机驱动器2信号连接，电机驱动器2与电机3信号连接，电机3通过传动装置4与末端轴5连接，编码器6安装在末端轴5上，控制器1依据位置目标值以及编码器6反馈的信号，与电机驱动器2进行信息交换，电机驱动器2控制电机3运作，电机3通过传动装置4带动末端轴5运动，编码器6用于检测末端轴5的位置，并将检测值反馈到控制器1。

实施例中，控制器1的控制内容包括位置目标值、位置差阈值、位置差、模式选择、调控环节和末端位置控制；其中，位置差为位置目标值减去编码器6的值；模式选择依据位置差的值选择将位置差传递到调控环节或者末端位置控制。

实施例中，电机驱动器2的控制内容包括模式控制、电机增量位置控制、电机速度控制；电机驱动器2依据控制器1通过现场总线传输的模式选择来确定启动电机增量位置控制或电机速度控制，调控环节能将信号传递至电机增量位置控制，末端位置控制能将信号传递至电机速度控制。

实施例中，高精度定位控制系统的控制模式分为两种，其中，模式1为高速模式：控制器1的模式选择接通末端位置控制，电机驱动器2的模式控制接通电机速度控制，末端位置控制发送信号至电机速度控制，电机速度控制控制电机3快速运作，使末端轴5快速运动，接近末端轴5的位置目标值；模式2为高精度模式：控制器1的模式选择接通控制环节，电机驱动器2的模式控制接通电机增量位置控制，控制环节发送电机步数信号至电机增量位置控制，电机增量位置控制控制电机3运作指定步数，使末端轴5移动指定角度，低速逼近末端轴5的位置目标值，避免因为传动装置齿隙造成系统振荡，影响定位精度。

一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制方法，设位置目标值为θ，设位置差为Δθ，位置差阈值设为Δθ_max，传动装置4的齿隙折算到末端轴5的角度设为θ_Backlash，定位精度设为δ，设模式2低速逼近步进角为Δθ_min，定位过程包括如下步骤：

步骤一、控制器1将模式选择选为模式1，即末端轴5全闭环位置控制模式，位置目标值θ、位置差阈值Δθ_max、编码器6经过运算后，得到位置差Δθ，通过末端位置控制向电机速度控制发送电机转动Δθ的指令，电机速度控制控制电机3运作，将末端轴5快速定位到θ-Δθ_max位置，此时末端轴5停止位置距离位置目标值相差Δθ_max；

步骤二、在末端轴5停止后，模式选择置于模式2，将Δθ_max传递到调控环节，模式选择同时线将电机3驱动的模式控制置于电机增量位置控制，即末端轴5半闭环控制模式；调控环节将电机步数i＝Δθ_max/Δθ_min的信号发送至电机增量位置控制，电机增量位置控制控制电机3移动i步，使末端轴5转动至目标位置；

步骤三、调控环节读取编码器6值θ_act，判断θ-θ_act是否小于定位精度δ，若不是，则跳转步骤二，若是，则定位结束。

位置差阈值取2×θ_Backlash≤Δθ_max≤10×θ_Backlash，本实施例中，Δθ_max＝5×θ_Backlash。

低速逼近步进角Δθ_min取值范围为

本实施例中，

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制系统，其特征是：包括控制器(1)、电机驱动器(2)、电机(3)、传动装置(4)、末端轴(5)和编码器(6)，所述的控制器(1)与电机驱动器(2)信号连接，电机驱动器(2)与电机(3)信号连接，电机(3)通过传动装置(4)与末端轴(5)连接，所述的编码器(6)安装在末端轴(5)上，所述的控制器(1)依据位置目标值以及编码器(6)反馈的信号，与电机驱动器(2)进行信息交换，电机驱动器(2)控制电机(3)运作，电机(3)通过传动装置(4)带动末端轴(5)运动，编码器(6)用于检测末端轴(5)的位置，并将检测值反馈到控制器(1)。

2.根据权利要求1所述的一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制系统，其特征是：所述的控制器(1)的控制内容包括位置目标值、位置差阈值、位置差、模式选择、调控环节和末端位置控制；其中，位置差为位置目标值减去位置差阈值，再减去编码器(6)的值；模式选择依据位置差的值选择将位置差传递到调控环节或者末端位置控制。

3.根据权利要求2所述的一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制系统，其特征是：所述的电机驱动器(2)的控制内容包括模式控制、电机增量位置控制、电机速度控制；电机驱动器(2)依据控制器(1)通过现场总线传输的模式选择来确定启动电机增量位置控制或电机速度控制，所述的调控环节能将信号传递至电机增量位置控制，末端位置控制能将信号传递至电机速度控制。

4.根据权利要求3所述的一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制系统，其特征是：高精度定位控制系统的控制模式分为两种，其中，模式1为高速模式：控制器(1)的模式选择接通末端位置控制，电机驱动器(2)的模式控制接通电机速度控制，末端位置控制发送信号至电机速度控制，电机速度控制控制电机(3)快速运作，使末端轴(5)快速运动，接近末端轴(5)的位置目标值；模式2为高精度模式：控制器(1)的模式选择接通控制环节，电机驱动器(2)的模式控制接通电机增量位置控制，控制环节发送电机步数信号至电机增量位置控制，电机增量位置控制控制电机(3)运作指定步数，使末端轴(5)移动指定角度，低速逼近末端轴(5)的位置目标值。

5.如权利要求4所述的一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制系统的定位控制方法，其特征是：设位置目标值为θ，设位置差为Δθ，位置差阈值设为Δθ_max，传动装置(4)的齿隙折算到末端轴(5)的角度设为θ_Backlash，定位精度设为δ，设模式2低速逼近步进角为Δθ_min，定位过程包括如下步骤：

步骤一、控制器(1)将模式选择选为模式1，即末端轴(5)全闭环位置控制模式，位置目标值θ、位置差阈值Δθ_max、编码器(6)经过运算后，得到位置差Δθ，即通过末端位置控制向电机速度控制发送电机转动Δθ的指令，电机速度控制控制电机(3)运作，将末端轴(5)快速定位到θ-Δθ_max位置，此时末端轴(5)停止位置距离位置目标值相差Δθ_max；

步骤二、在末端轴(5)停止后，模式选择置于模式2，将Δθ_max传递到调控环节，模式选择同时线将电机(3)驱动的模式控制置于电机增量位置控制，即末端轴(5)半闭环控制模式；调控环节将电机步数i＝Δθ_max/Δθ_min的信号发送至电机增量位置控制，电机增量位置控制控制电机(3)移动i步，使末端轴(5)转动至目标位置；

步骤三、调控环节读取编码器(6)值θ_act，判断θ-θ_act是否小于定位精度δ，若不是，则跳转步骤二，若是，则定位结束。

6.根据权利要求5所述的一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制方法，其特征是：位置差阈值取2×θ_Backlash≤Δθ_max≤10×θ_Backlash。

7.根据权利要求5所述的一种基于电机减速机驱动的高精度定位控制方法，其特征是：低速逼近步进角Δθ_min取值范围为

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