CN111551806A - 一种数字交流伺服控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种数字交流伺服控制系统及其控制方法，该系统包括：分解器，被配置为检测交流伺服电机的旋转角；RD转换器，被配置为将从分解器输出的模拟角度信号转换为数字角度信号；中央处理单元MCU，其被配置为基于从RD转换器输出的数字角度信号来控制交流伺服电机。根据本发明，即使在改变交流伺服电机的转速时也能够实时准确地检测RD转换器中异常，而且同时防止数字交流伺服控制系统变得复杂或尺寸增加。

Description

一种数字交流伺服控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及数控领域，特别地，本发明涉及一种检测RD转换器中的异常的数字交流伺服控制系统。

背景技术

转速是交流伺服电机最基本、最重要的参数之一，起动时的点火转速、运行中的转速调整、超速时的停车保护、甚至负荷的大小也能从转速的大小上得到体现，因此转速测定是交流伺服电机监控保护的基础。

现有技术中通过对从分解器输出的模拟角度信号以1 / 2n（n≥2）的周期进行采样来检测电机转速的异常。但是，发明人发现现有技术会将合格的超速(转速)系统校验成不合格的。下面结合图6对不能正确检测异常的原因进行解释：

图6是数字角度信号θd及其积分值θs随时间的变化的图，图中上部所示的数字角度信号θd是RD转换器的输出值，表示由分解器检测到的交流伺服电机的旋转角θ的数字值。下部所示的积分值θs是通过在图中由点表示的每个采样点处积分数字角度信号θd而获得的，当积分值θs不在-θt至θt的阈值范围内时，确定RD转换器异常。在上部示出的数字角度信号θd的倾角改变，表明交流伺服电机的转速下降，但是即使交流伺服电机的转速降低，采样点之间的时间间隔也是恒定的，因此，在交流伺服电机旋转一圈的期间中，数字角度信号θd的采样次数即积分次数增加。此时，存在积分值θs减小或增大超过阈值范围（-θt至θt）的情况（例如在图6的下部所示），此种情况下即使RD转换器正常，但积分值θs减小到超过下限值-θt，就错误地判断RD分解器为异常。

如上所述，当在交流伺服电机旋转一圈的期间中数字角度信号θd的积分次数过度增加时，即使RD转换器这个时候是正常的，也会被检测为异常。另一方面，当交流伺服电机旋转一圈的期间内的数字角度信号θd的积分数过度减少时，异常判定所需的时间增加，检测精度降低。即现有技术当改变交流伺服电机的转速时，不能准确地检测到异常。

另外，现有技术中还有通过形成冗余系统来检测交流伺服电机转速的异常，但是该种技术中数字交流伺服控制系统的构造变得复杂并且尺寸增大，因此制造成本会随之增加。

有鉴于此，本发明的目的是提供一种即使在改变交流伺服电机的转速时也能够实时准确地检测RD转换器中异常的数字交流伺服控制系统。同时防止数字交流伺服控制系统变得复杂或尺寸增加，以控制成本。

发明内容

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种数字交流伺服控制系统，用于驱动交流伺服交流伺服电机，该系统包括：

分解器，被配置为检测交流伺服电机的旋转角；

RD转换器，被配置为将从分解器输出的模拟角度信号转换为数字角度信号；

该数字交流伺服控制系统还包括，中央处理单元MCU，其被配置为基于从RD转换器输出的数字角度信号来控制交流伺服电机；

当通过以预定时间间隔对数字角度信号进行积分而获得的积分值不在阈值范围内时，确定RD转换器异常。

中央处理单元MCU在交流伺服电机的转速降低时增加时间间隔，并且在交流伺服电机的转速增加时减小时间间隔。

根据本发明的数字交流伺服控制系统，当通过以预定时间间隔对数字角度信号进行积分而获得的积分值不在阈值内时，确定RD转换器异常。当交流伺服电机的转速降低时，数字角度信号被积分的时间间隔增加；当交流伺服电机的转速增加时，时间间隔减小。因此，即使在交流伺服电机的转速变化的情况下，也能够防止交流伺服电机旋转一圈的期间内的数字角度信号θd的积分数变化，从而能够准确地检测出RD转换器的异常。

此外，根据本发明的数字交流伺服控制系统可以实时检测RD转换器中的异常，同时将从分解器输出的模拟角度信号转换为数字角度信号，而无需采用冗余系统。

如上所述，根据本发明的一个方面的数字交流伺服控制系统使得即使在交流伺服电机的转速改变的情况下，也可以实时准确地检测RD转换器中的异常，同时防止数字交流伺服控制系统变得复杂或尺寸增加，从而可以缩减成本。

优选的，时间间隔可以随着交流伺服电机的转速降低而连续增加，并且时间间隔可以随着交流伺服电机的转速增大而连续减小。

优选的，中央处理单元MCU可以基于交流伺服电机的驱动电流来获得交流伺服电机的转速。通过上述构造，可以减小所获得的交流伺服电机转速与其实际转速之间的偏差。

优选的，中央处理单元MCU设置有I/O通讯接口，还设置有RS232通讯接口、RS485通讯接口、CAN总线通讯接口以及仿真接口BDM的至少一种。

本发明还提供一种用于检测RD转换器中的异常的方法，包括：

步骤1：中央处理单元MCU检测交流伺服电机SM的转速并采样数字角度信号θd。

中央处理单元MCU通过使用例如从交流伺服电机驱动电路MD反馈的驱动电流Idri来获得交流伺服电机SM的转速。

步骤2：中央处理单元MCU根据检测到的旋转速度在数字角度信号θd的前一次采样与下一次采样之间设置采样间隔T。

当交流伺服电机SM的转速减小时，中央处理单元MCU增加采样间隔T；当交流伺服电机SM的转速增大时，中央处理单元MCU减小采样间隔T。

步骤3：中央处理单元MCU从采样的数字角度信号θd得到积分值θs。

步骤4：中央处理单元MCU确定积分值θs是否在阈值范围[-θt至θt]内。

步骤5： 当积分值θs不在阈值范围内时，中央处理单元MCU确定RD转换器RDC异常，从而停止交流伺服电机SM的操作。

步骤6：当积分值θs在阈值范围内时，中央处理单元MCU等待上述采样间隔T，之后返回步骤1。

注意，在步骤 1中，不必同时执行交流伺服电机SM的转速的检测和数字角度信号θd的采样。可以在步骤3或步骤4之后执行步骤2即采样间隔T的设置。

在根据该实施例的RD转换器中的异常检测方法中，可以在将从分解器RES输出的模拟角度信号θa转换为数字角度信号θd的同时实时检测RD转换器RDC中的异常，而无需采用冗余系统。

技术效果：根据本发明的用于数字交流伺服控制系统及其控制方法，即使在交流伺服电机的转速为零的情况下，也可以实时准确地检测RD转换器中的异常，同时防止数字交流伺服控制系统变得复杂或尺寸增加，从而避免数字交流伺服控制系统的成本增加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是数字交流伺服控制系统的框图。

图2-4是表示数字角度信号θd及其积分值θs的随时间变化的曲线图。

图5是表示RD转换器的异常检测方法的流程图。

图6是用于说明本发明要解决的技术问题的图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所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，都属于本发明的保护范围。

<数字交流伺服控制系统的配置>

参考图1说明本发明的数字交流伺服控制系统。

数字交流伺服控制系统包括交流伺服电机SM，分解器RES，RD转换器RDC，中央处理单元MCU和交流伺服电机驱动电路MD。

交流伺服电机SM由从交流伺服电机驱动电路MD输出的驱动电流Idri驱动，驱动电流Idri例如是三相交流电流，并反馈到中央处理单元MCU，如图1所示。

分解器RES是检测交流伺服交流伺服电机SM的旋转角θ的旋转角传感器。

分解器RES输出分解器信号θa，该分解器信号θa是与交流伺服电机SM的旋转角度θ相对应的模拟角度信号。通常，分解器RES包括励磁线圈和一对检测线圈（未示出）。通过向励磁线圈提供信号sin（Ωt）等励磁信号，从一对检测线圈输出信号sin（θ）·sin（ωt）和cos（θ）·sin（ωt），分别作为分解器信号θa。其中，ω是角速度，t是时间。

RD转换器RDC将从分解器RES输出的分解器信号θa转换为数字角度信号θd，并且将所获得的数字角度信号θd输出至中央处理单元MCU。即，作为RD转换器RDC的输出值的数字角度信号θd是表示交流伺服电机SM的旋转角度θ的数字信号。

中央处理单元MCU基于从交流伺服电机驱动电路MD反馈的驱动电流Idri和从RD转换器RDC输出的数字角度信号θd，生成控制信号Csig，并将所生成的控制信号Csig输出至交流伺服电机驱动电路MD。控制信号Csig是例如PWM（脉冲宽度调制）信号。

中央处理单元MCU包括例如诸如CPU（中央处理单元）的算术单元以及诸如RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）之类的存储单元。

所述中央处理单元MCU设置有I/O通讯接口，还设置有RS232通讯接口、RS485通讯接口、CAN总线通讯接口以及仿真接口BDM的至少一种。

中央处理单元MCU以预定的采样间隔T对从RD转换器RDC输出的数字角度信号θd进行积分，并且基于所获得的积分值θs来检测RD转换器RDC中的异常。具体地，当积分值θs不在预定阈值范围内时，中央处理单元MCU确定RD转换器RDC异常。

中央处理单元MCU根据交流伺服电机SM的转速来改变积分数字角度信号θd的时间间隔T（以下也称为采样间隔T）。中央处理单元MCU通过使用例如从交流伺服电机驱动电路MD反馈的驱动电流Idri来获得交流伺服电机SM的转速。当交流伺服电机SM的转速减小时，中央处理单元MCU增加采样间隔T；当交流伺服电机SM的转速增大时，中央处理单元MCU减小采样间隔T。

可替代地，中央处理单元MCU可以通过使用提供给交流伺服电机驱动电路MD的控制信号Csig来获得交流伺服电机SM的转速。然而，与使用控制信号Csig相比，使用驱动电流Idri可使所获得的交流伺服电机SM的转速与其实际转速的偏差较小。

中央处理单元MCU可以通过使用从RD转换器RDC输出的数字角度信号θd来获得交流伺服电机SM的转速。然而，当RD转换器RDC中存在异常时，在RD转换器RDC中获得的交流伺服电机SM的转速可能不准确，此时RD转换器RDC中的异常检测的精度降低。与数字角度信号θd的使用相比，驱动电流Idri的使用使得中央处理单元MCU能够更准确地检测RD转换器RDC中的异常。

当已经高于预定阈值的交流伺服电机的转速减小到超过该阈值时，可以增加采样间隔T，当低于阈值的交流伺服电机的转速增加到超过阈值时，可以减小采样间隔T。

可选地，采样间隔T可以随着交流伺服电机SM的旋转速度的降低而连续地增加，采样间隔T可以随着交流伺服电机SM的转速增加而连续减小。通过上述控制，中央处理单元MCU能够更准确地检测出RD转换器RDC中的异常。

下面将详细介绍中央处理单元MCU如何检测RD转换器RDC中的异常：

交流伺服电机驱动电路MD基于从中央处理单元MCU输出的控制信号Csig向交流伺服电机SM输出驱动电流Idri，交流伺服电机SM的转速由驱动电流Idri控制。即，中央处理单元MCU通过交流伺服电机驱动电路MD来控制交流伺服电机SM的转速。交流伺服电机驱动电路MD可以是开关电路，其开关由控制信号Csig控制，该控制信号可以是PWM信号的形式。

如图1所示，数字角度信号θd是RD转换器RDC的输出信号，表示由分解器RES检测到的交流伺服电机SM的旋转角θ的数字值。

图2下部所示的θs是通过在图中由点表示的每个采样点处积分数字角度信号θd而获得的积分值。当积分值θs不在阈值范围（-θt至θt）内时，确定RD转换器RDC异常。

图2示出了交流伺服电机SM的转速恒定并且RD转换器RDC正常的状态。在图2的上部作为RD转换器RDC的输出值的数字角度信号θd从-π[rad]增加到π[rad]，当数字角度信号θd达到π[rad]时，其变为-π[rad]。在交流伺服电机SM旋转一圈的期间内，以曲线图中的点表示的数字角度信号θd以时间间隔T被多次采样。

如图2所示由于交流伺服电机SM的转速是恒定的，因此数字角度信号θd的斜度保持恒定。

如图2下部所示积分值θs是通过将采样的数字角度信号θd相加而得到的值。因此，当数字角度信号θd在-π[rad]≤θd＜0 [rad]区间时，积分值θs减小，当θd在0 [rad] <θd≤π[rad]区间时，积分值θs增大。因此，当RD转换器RDC正常时，积分值θs保持在从下阈值-θt[rad]到上阈值θt[rad]以0 [rad]为中心的阈值范围内，如图2下部所示。

优选的，阈值θt的值例如基于在交流伺服电机SM旋转一圈的期间中的采样次数适当地确定。

当数字角度信号θd为零（θd＝ 0 [rad]）时，积分值θs不变。

参考图3，图3中交流伺服电机SM的转速与图2中所示的保持恒定，但RD转换器RDC异常。如图3上部所示，RD转换器RDC具有异常的偏移，当交流伺服电机SM的旋转角度θ为0时，数字角度信号θd即RD转换器RDC的输出值大于零（θd> 0 [rad]）。数字角度信号θd始终表示比交流伺服电机SM的实际旋转角度θ大偏移值。此时，每当对数字角度信号θd进行积分时，偏移值就累积增加，并且积分值θs最终超过上阈值θt。结果，可以检测到RD转换器RDC中的异常。当然，偏移值越大，越可以更快地检测到异常。

当交流伺服电机SM的旋转角θ为零（θ＝ 0 [rad]）时，在数字角度信号θd小于零（θd＜0 [rad]）的异常偏移的情况下，积分值θs最终超过（即减小超过）下阈值-θt，因此可以检测到RD转换器RDC中的异常。

图4上部的数字角度信号θd的斜度改变，表明交流伺服电机的转速降低了。如前所述，根据交流伺服电机SM的转速改变对数字角度信号θd进行积分的采样间隔T。具体地，当交流伺服电机SM的转速减小时，中央处理单元MCU增大采样间隔T，当交流伺服电机SM的转速增大时，中央处理单元MCU减小采样间隔T。

所述中央处理单元MCU设置有I/O通讯接口（未在图中示出），还设置有RS232通讯接口、RS485通讯接口、CAN总线通讯接口以及仿真接口BDM的至少一种（未在图中示出）。使用者可以通过上述通讯接口对上述采样间隔T的取值进行设置。

如图4下部所示，当交流伺服电机的转速降低，采样间隔T从间隔T1变为T2，其中T2比T1长。

因此，即使交流伺服电机SM的转速变化，也能够防止在交流伺服电机SM旋转一圈的期间内的采样次数，即数字角度信号θd的积分数变化。但是，当在交流伺服电机SM旋转一圈的时间段中数字角度信号θd的积分数量变得太大时，即使此时如图6所示RD转换器RDC正常，中央处理单元MCU也可能错误地确定RD转换器RDC异常。而另一方面，当在交流伺服电机SM旋转一圈的期间中的数字角度信号θd的积分数变得太小时，用于确定异常所需的时间增加并且检测精度降低。

如上所述，在根据本实施例的数字交流伺服控制系统中，当交流伺服电机SM的转速减小时，中央处理单元MCU增大采样间隔T，而当交流伺服电机SM的转速增大时，中央处理单元MCU减小采样间隔T。因此，可以防止在交流伺服电机SM旋转一圈的时间内采样数（即数字角度信号θd的积分数）发生变化，从而即使交流伺服电机SM的转速已发生变化，也会准确地检测出RD转换器RDC出现异常。

另外，在本实施方式的数字交流伺服控制系统中，能够将从分解器RES输出的模拟角度信号θa（分解器信号θa）变换为数字，并实时地检测RD转换器RDC的异常，而不采用冗余系统。

如上所述，根据本实施方式的数字交流伺服控制系统，即使在交流伺服电机SM的转速变化的情况下，也能够实时准确地检测出RD转换器RDC的异常。并且能够防止数字交流伺服控制系统变得复杂或尺寸增加，从而可以降低成本。

<RD转换器异常检测方法>

参考图5，数字交流伺服控制系统检测RD转换器中异常的流程图。

步骤1：中央处理单元MCU检测交流伺服电机SM的转速并采样数字角度信号θd。

中央处理单元MCU通过使用例如从交流伺服电机驱动电路MD反馈的驱动电流Idri来获得交流伺服电机SM的转速。

步骤2：中央处理单元MCU根据检测到的旋转速度在数字角度信号θd的前一次采样与下一次采样之间设置采样间隔T。

特别地，当交流伺服电机SM的转速减小时，中央处理单元MCU增加采样间隔T；当交流伺服电机SM的转速增大时，中央处理单元MCU减小采样间隔T。

步骤3： 中央处理单元MCU从采样的数字角度信号θd得到积分值θs。

步骤4：中央处理单元MCU确定积分值θs是否在阈值范围[-θt至θt]内。

步骤5： 当积分值θs不在上述阈值范围内时（在步骤4处为否），中央处理单元MCU确定RD转换器RDC异常，从而停止交流伺服电机SM的操作。

步骤6：当积分值θs在上述阈值范围内时（在步骤4处为是），中央处理单元MCU等待上述采样间隔T，之后返回步骤1。

注意，在步骤 1中，不必同时执行交流伺服电机SM的转速的检测和数字角度信号θd的采样。可以在步骤3或步骤4之后执行步骤2即采样间隔T的设置。

在根据该实施例的RD转换器中的异常检测方法中，可以在将从分解器RES输出的模拟角度信号θa转换为数字角度信号θd的同时实时检测RD转换器RDC中的异常，而无需采用冗余系统。

综上所述，本发明所公开的RD转换器的异常检测方法即使在交流伺服电机SM的转速变化的情况下，也能够实时准确地检测RD转换器RDC的异常。同时防止数字交流伺服控制系统变得复杂或尺寸增加，从而防止数字交流伺服控制系统的成本增加。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种数字交流伺服控制系统，用于驱动交流伺服电机，该系统包括：

分解器，被配置为检测交流伺服电机的旋转角；

RD转换器，被配置为将从分解器输出的模拟角度信号转换为数字角度信号；

其特征在于：

该数字交流伺服控制系统还包括，中央处理单元MCU，其被配置为基于从RD转换器输出的数字角度信号来控制交流伺服电机。

2.如权利要求1所述的数字交流伺服控制系统，其特征在于中央处理单元MCU被配置为基于从RD转换器输出的数字角度信号来控制交流伺服电机，当通过以预定时间间隔对数字角度信号进行积分而获得的积分值不在阈值范围内时，确定RD转换器异常。

3.如权利要求2所述的数字交流伺服控制系统，所述中央处理单元MCU在交流伺服电机的转速降低时，积分数字角度信号的时间间隔增加，并且在交流伺服电机的转速增加时积分数字角度信号的时间间隔减小。

4.如权利要求3所述的数字交流伺服控制系统，所述时间间隔随着交流伺服电机的转速降低而连续增加，随着交流伺服电机的转速增大而连续减小。

5.如权利要求3所述的数字交流伺服控制系统，所述中央处理单元MCU基于交流伺服电机的驱动电流来获得交流伺服电机的转速。

6.如权利要求1所述的数字交流伺服控制系统，所述中央处理单元MCU设置有I/O通讯接口，还设置有RS232通讯接口、RS485通讯接口、CAN总线通讯接口以及仿真接口BDM的至少一种。

7.如权利要求1所述数字交流伺服控制系统的控制方法，用于驱动交流伺服电机，其包括如下步骤：

步骤1：中央处理单元MCU检测交流伺服电机SM的转速并采样数字角度信号θd；

步骤2：中央处理单元MCU根据检测到的旋转速度在数字角度信号θd的前一次采样与下一次采样之间设置采样间隔T；

步骤3：中央处理单元MCU从采样的数字角度信号θd得到积分值θs；

步骤4：中央处理单元MCU确定积分值θs是否在阈值范围[-θt至θt]内；

步骤5：当积分值θs不在上述阈值范围内时，中央处理单元MCU确定RD转换器RDC异常，从而停止交流伺服电机SM的操作；

步骤6：当积分值θs在上述阈值范围内时，中央处理单元MCU等待上述采样间隔T，之后返回步骤1；

其中，当交流伺服电机SM的转速减小时，中央处理单元MCU增加采样间隔T；当交流伺服电机SM的转速增大时，中央处理单元MCU减小采样间隔T。

8.如权利要求7所述数字交流伺服控制系统的控制方法，中央处理单元MCU通过使用从交流伺服电机驱动电路MD反馈的驱动电流Idri来获得交流伺服电机SM的转速。

9.如权利要求7所述数字交流伺服控制系统的控制方法，在步骤 1中，不必同时执行交流伺服电机SM的转速的检测和数字角度信号θd的采样。

10.如权利要求9所述数字交流伺服控制系统的控制方法，在步骤3或步骤4之后执行采样间隔T的设置。

Images