CN111934587A - 伺服电机、驱动器、控制系统及其控制方法 - Google Patents

伺服电机、驱动器、控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种伺服电机的控制系统，采用闭环控制系统，包括第一电流控制器、第二电流控制器和第三电流控制器，第一电流控制器用于实现伺服电机的电流闭环控制，第一电流控制器的输出作为控制系统的输出；第二电流控制器设置为第一电流控制器的外环，用于实现伺服电机的速度闭环控制；第三电流控制器设置为第二电流控制器的外环，用于实现伺服电机的位置闭环控制，所述闭环控制系统，还包括第四电流控制器，第四电流控制器设置为第一电流控制器和第二电流控制器的外环，用于实现伺服电机的第四参数的闭环控制；当第四参数发生变化时，可通过第四电流控制器的输出信号，直接进行伺服电机的电流和/或速度的控制调节。

Description

伺服电机、驱动器、控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及伺服电机的控制技术领域，特别涉及伺服电机的驱动器、控制系统及其控制方法。
技术背景
传统的伺服电机的控制系统框图，如图1所示，一种伺服电机，包括驱动器10，驱动器10包括控制系统11，其中，控制系统11按照电流环、速度环、位置环三环控制方案，建立对电机电流反馈、电机速度反馈、以及电机位置反馈至伺服驱动器的三闭环控制电路。一般的闭环设计结构是从内向外，依次设计电流环、速度环和位置环，其中，电流环和速度环为位置环的内环，电流环为速度环的内环，即以电流环的输出作为驱动器的输出；以速度环的输出作为电流环的输入，以伺服电机的电流作为电流环的负反馈；以位置环的输出作为速度环的输入，以伺服电机的速度作为速度环的负反馈。
除电流、速度、位置这三个控制参数外，其他控制参数，比如压力控制参数等，是将压力传感器反馈信号接入上位机，由上位机的输出作为伺服电机的位置环的输入，接入伺服电机的控制系统。由于伺服电机内、外部通讯的延迟，以及PID闭环控制系统的计算回路延迟，造成伺服电机的控制精度低，响应速度慢。
发明内容
本发明的目的是提供一种能提高伺服电机的控制精度的伺服电机的控制方法。
与该发明目的相对应的，本发明的另一个目的是提供能提高伺服电机的控制精度的伺服电机的控制系统、驱动器及伺服电机。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
作为本发明的改进技术方案：
一种伺服电机的控制方法，通过四个电流控制器构成四环控制系统，其中，第一闭环控制系统，通过第一电流控制器实现伺服电机的电流闭环控制；第二闭环控制系统，通过将第二电流控制器设置为第一电流控制器的外环回路，实现伺服电机的速度闭环控制；第三闭环控制系统，通过将第三电流控制器设置为第二电流控制器的外环回路，实现伺服电机的位置闭环控制；第四闭环控制系统，通过第四电流控制器设置为第一电流控制器和第二电流控制器的外环，实现伺服电机的第四参数的闭环控制；当第四参数发生变化时，可通过第四电流控制器的输出信号，直接进行伺服电机的电流和/或速度的控制调节。
优选的，所述第一电流控制器为PI控制器，第二电流控制器为PI控制器，第三电流控制器为P控制器，第四电流控制器为P控制器。
本发明还提供一种伺服系统的控制方法，是由电流环、速度环、位置环和压力环组成的四环控制系统，压力环和位置环为电流环和速度环的外环，电流环为速度环的内环，其中，压力环根据压力检测数据计算生成压力环的输出，压力环的输出和位置环的输出共同作为速度环的输入，压力环的输出还和速度环的输出共同作为电流环的输入，当压力发生变化时，可通过压力环的输出信号，直接进行速度环和/或电流环的控制调节。
优选的，所述电流环为PI控制器，速度环为PI控制器，位置环为P控制器，压力环为P控制器。
本发明再提供一种伺服电机的控制系统，采用闭环控制系统，包括由电流环、速度环和位置环组成的闭环控制系统，以速度环的输出作为电流环的输入，以伺服电机的电流作为电流环的负反馈；以位置环的输出作为速度环的输入，以伺服电机的速度作为速度环的负反馈，其中，所述闭环控制系统还包括压力环，形成四环控制系统，压力环根据压力检测数据计算生成压力环的输出，压力环的输出和位置环的输出共同作为速度环的输入，压力环的输出还和速度环的输出共同作为电流环的输入，当压力发生变化时，可通过压力环的输出信号，直接进行速度环和/或电流环的控制调节。
优选的，所述电流环为PI控制器，速度环为PI控制器，位置环为P控制器，压力环为P控制器。
本发明再提供一种伺服电机的控制系统，采用闭环控制系统，包括第一电流控制器、第二电流控制器和第三电流控制器，第一电流控制器用于实现伺服电机的电流闭环控制，第一电流控制器的输出作为控制系统的输出；第二电流控制器设置为第一电流控制器的外环，用于实现伺服电机的速度闭环控制；第三电流控制器设置为第二电流控制器的外环，用于实现伺服电机的位置闭环控制，其中，所述闭环控制系统，还包括第四电流控制器，第四电流控制器设置为第一电流控制器和第二电流控制器的外环，用于实现伺服电机的第四参数的闭环控制；当第四参数发生变化时，可通过第四电流控制器的输出信号，直接进行伺服电机的电流和/或速度的控制调整。
优选的，所述第一电流控制器为PI控制器，第二电流控制器为PI控制器，第三电流控制器为P控制器，第四电流控制器为P控制器。
本发明再提供一种伺服电机的驱动器，包括上述的伺服电机的控制系统，还包括PWM发生器和功率逆变器，伺服电机的控制系统的输出作为PWM发生器的输入，PWM发生器的输出作为功率逆变器的输入，功率逆变器的输出用于提供给电机，当第四参数压力发生变化时，通过压力环的输出信号，可直接在伺服电机的控制系统内实现伺服电机的电流和/或速度的控制调节。
本发明再提供一种伺服电机，包括上述的伺服电机的驱动器，还包括由驱动器控制的电机，伺服电机的控制精度为微秒级，并可实现碰撞保护。
通过上述改进，本发明的伺服电机，在传统的三环(位置环、速度环、电流环)控制结构的伺服基础上，增加一个压力环，从而形成四环路控制系统。即按照电流环、速度环、位置环、压力环四环控制方案，建立对电机的电流反馈、速度反馈、位置反馈、以及压力反馈至伺服电机的驱动器的四环控制回路，可在伺服电机内部实现采样传感器数据和计算误差，使压力等第四参数的控制调节可以电流环等控制环路相同的计算速度处理完成。本发明伺服电机的有益效果为：
1、显著提高压力检测/控制的精度和反应速度，降低成本；
2、可以做到压力和位置双闭环互相保护，避免失控造成损失，提高效益；
3、可实现碰撞保护，并可便捷地实现压力类或其他第四参数类的保护功能的设计。
附图说明
图1为现有伺服电机的控制系统框图；
图2为本发明伺服电机的控制系统框图；
图3为本发明伺服电机的控制系统结构框图。
具体实施方式
本发明的伺服电机，包括驱动器，驱动器包括控制系统，控制系统采用闭环控制方式，包括第一电流控制器、第二电流控制器、第三电流控制器和第四电流控制器，第一电流控制器用于实现伺服电机的电流闭环控制，第一电流控制器的输出作为控制系统的输出；第二电流控制器设置为第一电流控制器的外环，用于实现伺服电机的速度闭环控制；第三电流控制器设置为第二电流控制器的外环，用于实现伺服电机的位置闭环控制；第四电流控制器设置为第一电流控制器和第二电流控制器的外环，用于实现伺服电机的第四参数的闭环控制。当第四参数发生变化时，可通过第四电流控制器的输出信号，直接进行伺服电机的电流和/或速度的控制调节。
下面结合附图所示对本发明的技术方案进行详细说明。
如图2所示，为本发明伺服电机的控制系统框图，一种伺服电机，包括驱动器10，驱动器10包括控制系统11，控制系统11采用闭环控制方式，包括电流环、速度环、位置环和压力环，压力环和位置环为电流环和速度环的外环，电流环为速度环的内环。即以电流环的输出作为驱动器的输出；以电流环的输出作为控制系统的输出；以速度环的输出作为电流环的输入，以伺服电机的电流作为电流环的负反馈；以位置环的输出作为速度环的输入，以伺服电机的速度作为速度环的负反馈；压力环根据压力检测数据计算生成压力环的输出，压力环的输出和位置环的输出共同作为速度环的输入，压力环的输出还和速度环的输出共同作为电流环的输入，当压力发生变化时，可通过压力环的输出信号，直接进行速度环和/或电流环的控制调节。本发明伺服电机的控制系统的压力环与位置环分别独立工作。压力环反馈，可来自外部压力传感器或内部电流反馈。
优选的，电流环为PI控制器(即比例积分控制器)，速度环为PI控制器(即比例积分控制器)，位置环为P控制器(即比例控制器)，压力环为P控制器(即比例控制器)。压力环的计算公式为(压力指令-压力反馈)*Kp，通过调节比例系数Kp的大小同时配合位置环、速度环和电流环参数调节，即可以调节压力响应的速度以及检测的精度。
本发明的伺服电机的控制原理是，通过四个电流控制器构成四环控制系统，其中，
第一闭环控制系统，通过电流环实现伺服电机的电流闭环控制，电流环的输出作为控制系统的输出；
第二闭环控制系统，通过将速度环设置为电流环的外环回路，实现伺服电机的速度闭环控制；
第三闭环控制系统，通过将位置环设置为速度环的外环回路，实现伺服电机的位置闭环控制；
第四闭环控制系统，通过将压力环设置为电流环和速度环的外环回路，实现伺服电机的压力闭环控制，即实现了伺服电机的第四参数的闭环控制；
当压力发生变化时，可通过压力环的输出信号，直接进行伺服电机的电流和/或速度的控制调节。
本发明的伺服电机，按照电流环、速度环、位置环、压力环四环控制方案，建立对电机的电流反馈、速度反馈、位置反馈、以及压力反馈至伺服电机的驱动器的四环控制回路，即在伺服电机里实现压力等第四参数的采样传感器数据和计算误差，进而完成伺服电机的控制调节，从而不受通信总线的延迟干扰，让压力等第四参数的控制调节可以伺服电机的电流环等内部环路相同的计算速度处理完成，使本发明的伺服电机的控制精度可远远超过目前的传统做法。相比于现有技术，本发明伺服电机的控制系统，可显著提高压力检测/控制的精度和反应速度，降低成本，同时可以做到压力和位置双闭环互相保护，避免失控造成损失，提高效益。
经对相同功率级的伺服电机样机进行测试，现有技术的伺服电机的控制精度为毫秒级。而本发明的伺服电机的控制精度可达微秒级。本发明的伺服电机还可实现碰撞保护，并可便捷地实现压力类或其他第四参数类的保护功能的设计。
如图3所示，为本发明伺服电机的控制系统结构框图，其中电机可选用三相电机。一种伺服电机，包括驱动器10，驱动器10包括控制系统11，控制系统11采用闭环控制方式，包括电流环、速度环、位置环和压力环，压力环和位置环为电流环和速度环的外环，电流环为速度环的内环。
驱动器10还包括PWM发生器和功率逆变器，伺服电机的控制系统11的输出作为PWM发生器的输入，PWM发生器的输出作为功率逆变器的输入，功率逆变器的输出用于提供给三相电机。
本发明与现有技术的控制区别点在于，增加了第四参数的闭环控制回路，第四参数优选为压力参数，当压力发生变化时，通过压力环的输出信号，可直接在伺服电机的控制系统内实现伺服电机的电流和/或速度的控制调节。
以上仅本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种伺服电机的控制方法，通过四个电流控制器构成四环控制系统，其中，
第一闭环控制系统，通过第一电流控制器实现伺服电机的电流闭环控制；
第二闭环控制系统，通过将第二电流控制器设置为第一电流控制器的外环回路，实现伺服电机的速度闭环控制；
第三闭环控制系统，通过将第三电流控制器设置为第二电流控制器的外环回路，实现伺服电机的位置闭环控制；
第四闭环控制系统，通过第四电流控制器设置为第一电流控制器和第二电流控制器的外环，实现伺服电机的第四参数的闭环控制；
当第四参数发生变化时，可通过第四电流控制器的输出信号，直接进行伺服电机的电流和/或速度的控制调节。
2.根据权利要求1所述的伺服电机的控制方法，其特征在于：所述第一电流控制器为PI控制器，第二电流控制器为PI控制器，第三电流控制器为P控制器，第四电流控制器为P控制器。
3.一种伺服系统的控制方法，是由电流环、速度环、位置环和压力环组成的四环控制系统，压力环和位置环为电流环和速度环的外环，电流环为速度环的内环，其中，压力环根据压力检测数据计算生成压力环的输出；
压力环的输出和位置环的输出共同作为速度环的输入，压力环的输出还和速度环的输出共同作为电流环的输入；
当压力发生变化时，可通过压力环的输出信号，直接进行速度环和/或电流环的控制调节。
4.根据权利要求3所述的伺服电机的控制方法，其特征在于：所述电流环为PI控制器，速度环为PI控制器，位置环为P控制器，压力环为P控制器。
5.一种伺服电机的控制系统，采用闭环控制系统，包括由电流环、速度环和位置环组成的闭环控制系统，以速度环的输出作为电流环的输入，以伺服电机的电流作为电流环的负反馈；以位置环的输出作为速度环的输入，以伺服电机的速度作为速度环的负反馈，其特征在于：所述闭环控制系统还包括压力环，形成四环控制系统，压力环根据压力检测数据计算生成压力环的输出；
压力环的输出和位置环的输出共同作为速度环的输入，压力环的输出还和速度环的输出共同作为电流环的输入；
当压力发生变化时，可通过压力环的输出信号，直接进行速度环和/或电流环的控制调节。
6.根据权利要求5所述的伺服电机的控制系统，其特征在于：所述电流环为PI控制器，速度环为PI控制器，位置环为P控制器，压力环为P控制器。
7.一种伺服电机的控制系统，采用闭环控制系统，包括第一电流控制器、第二电流控制器和第三电流控制器，第一电流控制器用于实现伺服电机的电流闭环控制，第一电流控制器的输出作为控制系统的输出；第二电流控制器设置为第一电流控制器的外环，用于实现伺服电机的速度闭环控制；第三电流控制器设置为第二电流控制器的外环，用于实现伺服电机的位置闭环控制，其特征在于：所述闭环控制系统，还包括第四电流控制器，第四电流控制器设置为第一电流控制器和第二电流控制器的外环，用于实现伺服电机的第四参数的闭环控制；
当第四参数发生变化时，可通过第四电流控制器的输出信号，直接进行伺服电机的电流和/或速度的控制调整。
8.根据权利要求7所述的伺服电机的控制系统，其特征在于：所述第一电流控制器为PI控制器，第二电流控制器为PI控制器，第三电流控制器为P控制器，第四电流控制器为P控制器。
9.一种伺服电机的驱动器，其特征在于：包括权利要求5至8中任一项所述的伺服电机的控制系统，还包括PWM发生器和功率逆变器，伺服电机的控制系统的输出作为PWM发生器的输入，PWM发生器的输出作为功率逆变器的输入，功率逆变器的输出用于提供给电机；
当第四参数压力发生变化时，通过压力环的输出信号，可直接在伺服电机的控制系统内实现伺服电机的电流和/或速度的控制调节。
10.一种伺服电机，其特征在于：包括权利要求9所述的伺服电机的驱动器，还包括由驱动器控制的电机，伺服电机的控制精度为微秒级，并可实现碰撞保护。
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