CN112532122B - 一种使用编码器的机电伺服作动器零位设置装置 - Google Patents

一种使用编码器的机电伺服作动器零位设置装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种使用编码器的机电伺服作动器零位设置装置，其硬件部分由上位机、功率电源和控制器组成；通过上位机向控制器传输和接收指令，进而控制电机运动，而功率电源为电机提供供电服务，通过人机界面和数字信号交互，可自动完成电机转子电气零位与机电作动器电气零位设置，无需其他设备和人员介入；本装置可实现基于编码器的机电作动器电机转子电气零位与机电作动器电气零位的读取功能，并将零位补偿值写入绝对式编码器相应区域，供其他设备读取和使用；本装置适用于永磁同步、直流无刷等伺服电机。

Description

一种使用编码器的机电伺服作动器零位设置装置
技术领域
本发明所涉及一种使用编码器的机电伺服作动器零位设置装置，属于伺服电机装备领域。
背景技术
机电作动器是导弹、火箭、鱼雷等姿控系统的重要分系统,主要用于空气舵、燃气舵、喷管等的控制，需具有高可靠性、维护方便的特点。近年来，机电伺服系统发展迅猛，已经得到了很多成功实例的验证，鉴于机电伺服系统天然的优越性，今后机电伺服的发展前景会更加广阔。
传统机电伺服作动器采用直线式滚珠丝杠副传动机构，采用电机驱动，但其所占零位长度长，正负行程有限，而且其所能承受的载荷较小，体积较大，难以在空间较小的地方使用，降低了其使用性能。传统的机电作动器已无法满足市场对作动器效率的追求，其整体结构强度需求也大幅提升。
上一代机电作动器使用的电机转子采样装置为旋转变压器，其特点为与电机轴通过固定销铆接相连，可通过铆接位置随意调整电机转子零位与旋转变压器零位，新一代机电作动器的转子位置采样装置为绝对式旋转编码器，绝对式编码器使用定位销与永磁同步电机转子相连。与上一代的机电作动器相比，当使用绝对式编码器的机电作动器进行电机转子调整时，绝对式编码器圈数记录部分也会发生变化，但产生的转子零位与绝对式编码器零位无法通过铆接位置调整，导致机电作动器电气零位发生变动。所以，需要对使用编码器的机电伺服作动器进行零位设置，才可正确安装作动器于目标设备上。
综上所述，本发明提出一种使用编码器的机电伺服作动器零位设置装置，通过人机界面和数字信号交互，自动完成电机转子电气零位与机电作动器电气零位设置，无需其他设备和人员介入；整个零位设置过程简洁快速，调零精度高，一体化设计，携带方便。
发明内容
为了解决机电作动器现有技术中的不足，本发明提供了一种使用编码器的机电伺服作动器零位设置装置，其技术方案如下：
一种使用编码器的机电伺服作动器零位设置装置，所述设置装置整体呈矩形状，其上端设置有提手；其前端面下端设置有一与所述设置装置的底面平行的长方形板，所述长方形板面上设置有键盘，与所述键盘相对应的前端面上设置有显示器；
所述设置装置由上位机(1)、功率电源(3)、控制器(2)组成；上位机包括：处理器、人机交互界面和数字板卡(102)；所述数字板卡(102)可发送和接收控制器指令；所述机电作动器包括编码器、电机(5)和丝杠(6)；所述控制器包括数字总线接口1(202)、数字总线接口3(203)、DSP(201)和驱动电路；所述编码器设置有数字总线接口4(401)，所述功率电源设置有数据总线接口2(301)；所述控制器(2)内部的DSP(201)负责数字总线接口1(202)和数字总线接口3(203)双向收发数据，DSP(201)将处理后的功率管开管信号传递至驱动电路(204)；数字总线接口3(203)从数字总线接口4(401)接收数据，用于读取编码器内部数值；数字总线接口3(203)向数字总线接口4(401)发送数据，用于向编码器FLASH区域写入零位数据；驱动电路(204)输出驱动信号给电机(5)，控制电机运动；
进一步，所述功率电源(3)通过外接电缆为电机(5)供电，供电时机由上位机(1)通过数字板卡(102)向数字总线接口2(301)发送的指令决定；
进一步，所述编码器(4)安装在电机(5)轴上，检测电机(5)输出轴的运动；
进一步，所述电机(5)与丝杠(6)直接连接，电机(5)带动丝杠(6)运动；
进一步，所述处理器(101)为上位机内核，用于运行零位设置人机交互界面；
一种使用编码器的机电伺服作动器零位设置装置的运行方法：由以下步骤组成：
1)操作人员首先可以选择是否为多路设备进行零位设置，最多n路，n特征值为[2,4]；
2)如果选择多路零位设置，操作人员将多个机电作动器与零位设置装置通过电缆相连接后，发送通信状态检测指令；发送检测指令后，自动打开功率电源，检测已连接到装置的所有机电作动器通信和供电状态。如果通信和供电状态正常，操作人员可以进行零位设置，每路机电作动器零位设置与单路零位设置流程一致；如果通信异常，则上位机显示故障报警；3)如果选择单路零位设置，操作人员首先需选择本路机电作动器支持的编码器通信协议，例如选择EnDat2.2或BISS-C等协议；之后，匹配本设置装置的功率管开管方式与机电作动器在实际应用中的功率管开管方式一致。即选择本次零位设置的电机控制方式为高电平开管或低电平开管。如果功率管开管方式为高电平开管则设置电机零位读取模式中的三相占空比值为高电平开管模式，特征值为-0.5、0.5、0.5，如果功率管开管方式为低电平开管则设置电机零位读取模式中的三相占空比值为低电平开管模式，特征值为0.5、-0.5、-0.5；4)操作人员经过上述选择后，上位机系统开始自动零位设置，分别执行发送电机零位设置指令、发送丝杠零位设置指令、发送写入补偿值指令、发送数据校验指令，最终将读取的编码器数据进行保存和输出；
5)上述指令具体内容如下：
1.发送电机零位设置指令：上位机系统切换到电机零位读取模式，并将电机零位设置程序自动更新到内部控制器中；系统切换成功后，开启功率电源，通过数字板卡回读数据判定电源供电情况；判定功率电源供电正常后，读取当前编码器当前圈数和角度值，即电机零位值，读取完毕后关闭功率电源。判定功率电源供电异常后，在上位机显示故障报警；
2.发送丝杠零位设置指令：上位机系统切换到丝杠零位读取模式，并将丝杠零位设置程序自动更新到内部控制器中。读取当前编码器当前圈数和角度值，即丝杠零位值。
3.发送写入补偿值指令：将读取上的丝杠零位值和电机零位值写入到编码器FLASH区域。
4.发送数据校验指令：回读编码器FLASH的数据，判定回读数据与写入值一致。
5.数据输出：发送数据输出指令，可以保存设置过程中产生的零位值数据。可将零位数据以多种文档格式进行输出，方便使用者后期梳理数据。
本发明的设置装置为一体化设计，外观尺寸为长380mm至420mm之间；宽300mm至340mm之间；高330mm至370mm之间；特征值为长400mm、宽320mm和高350mm；总体重量在5kg至7kg之间，特征值为6kg；功率电源供电电压设计值为30V至35V之间，特征值为35V，可保证不会对人体造成电击伤害，同时为伺服机构提供零位设置工作电压，安全性高。
本发明的有益效果：(1)可适用于永磁同步、直流无刷等伺服电机，功率范围可覆盖100W至40KW的作动器的零位设置。
(2)自动完成零位设置。本装置在完成正确电缆连接后，通过人机界面和数字信号交互，自动完成电机转子电气零位与机电作动器电气零位设置，无需其他设备和人员介入。
(3)零位设置过程快速。上位机可在[1,20]秒内完成一次零位定位、补偿值写入和数据校验工作，特征值为10秒。整个零位设置过程简洁快速。
(4)本装置支持多种编码器通信协议，例如EnDat2.2，BISS-C等。
(5)调零精度高，可达1/100mm。结合实际使用精度要求和代码运算效率，将调零精度确定为1/100mm，实现高精度的零位设置。
(6)可多通道处理，本装置实现了并行调零处理，可外接多台设备进行作动器零位设置，并分别保存相应数据。
(7)可数据管理，可以保存零位设置过程中产生的零位值数据。
(8)可文档化输出，可将零位数据，以多种文档格式进行输出，方便使用者后期梳理数据。
(9)一体化设计，携带方便。本装置将上位机、功率电源、控制器进行一体化设计，实现了小体积、携带方便的特点。
(10)装置安全性高，本装置使用的功率电源电压小于36V，即可完成伺服机构的调零供电，又不会对人体造成电击伤害，安全性高。
附图说明
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的装置原理框图；
图2为本发明的零位设置使用流程图；
图3为本发明的执行电机零位设置指令流程图；
图4为本发明的执行丝杠零位设置指令流程图；
图5为本发明的装置外观图；
图示中：1—上位机，2—控制器，3—功率电源，4—编码器，5—电机，6—丝杠，101—处理器，102—数字板卡，201—DSP，202—数字总线接口1，203—数字总线接口3，204—驱动电路，301—数字总线接口2，401—数字总线接口4
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-5所示，其结构包括一种使用编码器的机电伺服作动器零位设置装置，所述设置装置整体呈矩形状，其上端设置有提手；其前端面下端设置有一与所述设置装置的底面平行的长方形板，所述长方形板面上设置有键盘，与所述键盘相对应的前端面上设置有显示器；
所述设置装置由上位机(1)、功率电源(3)、控制器(2)组成；上位机包括：处理器、人机交互界面和数字板卡(102)；所述数字板卡(102)可发送和接收控制器指令；所述机电作动器包括编码器、电机(5)和丝杠(6)；所述控制器包括数字总线接口1(202)、数字总线接口3(203)、DSP(201)和驱动电路；所述编码器设置有数字总线接口4(401)，所述功率电源设置有数据总线接口2(301)；所述控制器(2)内部的DSP(201)负责数字总线接口1(202)和数字总线接口3(203)双向收发数据，DSP(201)将处理后的功率管开管信号传递至驱动电路(204)；数字总线接口3(203)从数字总线接口4(401)接收数据，用于读取编码器内部数值；数字总线接口3(203)向数字总线接口4(401)发送数据，用于向编码器FLASH区域写入零位数据；驱动电路(204)输出驱动信号给电机(5)，控制电机运动；所述功率电源(3)通过外接电缆为电机(5)供电，供电时机由上位机(1)通过数字板卡(102)向数字总线接口2(301)发送的指令决定；所述编码器(4)安装在电机(5)轴上，检测电机(5)输出轴的运动；所述电机(5)与丝杠(6)直接连接，电机(5)带动丝杠(6)运动；所述处理器(101)为上位机内核，用于运行零位设置人机交互界面；
实施例1：通过零位设置装置，操作人员首先可以选择是否为多路设备进行零位设置，选择是多路零位设置，则操作人员将相应的多个机电作动器与零位设置装置通过电缆相连接后，发送通信状态检测指令；发送检测指令后，自动打开功率电源，检测已连接到装置的所有机电作动器通信和供电状态；如果通信异常，则上位机显示故障报警；如果通信和供电状态正常，则操作人员对每一路机电作动器选择支持的编码器通信协议，选择EnDat2.2或BISS-C；之后，匹配本设置装置的功率管开管方式与机电作动器在实际应用中的功率管开管方式一致：即选择本次零位设置的电机控制方式为高电平开管或低电平开管；如果功率管开管方式为高电平开管则设置电机零位读取模式中的三相占空比值为高电平开管模式，特征值为-0.5、0.5、0.5，如果功率管开管方式为低电平开管则设置电机零位读取模式中的三相占空比值为低电平开管模式，特征值为0.5、-0.5、-0.5；
操作人员经过上述选择后，上位机系统开始自动零位设置，分别执行发送电机零位设置指令、发送丝杠零位设置指令、发送写入补偿值指令、发送数据校验指令，最终将读取的编码器数据进行保存和输出。
实施例2：
如果选择单路零位设置，操作人员则可以直接选择本路机电作动器支持的编码器通信协议，选择EnDat2.2或BISS-C等协议；之后，匹配本设置装置的功率管开管方式与机电作动器在实际应用中的功率管开管方式一致：即选择本次零位设置的电机控制方式为高电平开管或低电平开管。如果功率管开管方式为高电平开管则设置电机零位读取模式中的三相占空比值为高电平开管模式，特征值为-0.5、0.5、0.5，如果功率管开管方式为低电平开管则设置电机零位读取模式中的三相占空比值为低电平开管模式，特征值为0.5、-0.5、-0.5；
操作人员经过上述选择后，上位机系统开始自动零位设置，分别执行发送电机零位设置指令、发送丝杠零位设置指令、发送写入补偿值指令、发送数据校验指令，最终将读取的编码器数据进行保存和输出。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。

Claims (3)

1.一种使用编码器的机电伺服作动器零位设置装置的运行方法，其特征在于：
1)操作人员首先可以选择是否为多路设备进行零位设置；
2)如果选择多路零位设置，操作人员将多个机电伺服作动器与零位设置装置通过电缆相连接后，发送通信状态检测指令；发送检测指令后，自动打开功率电源，检测已连接到装置的所有机电伺服作动器通信和供电状态，如果通信和供电状态正常，操作人员可以进行零位设置，每路机电伺服作动器零位设置与单路零位设置流程一致；如果通信异常，则上位机显示故障报警；
3)如果选择单路零位设置，操作人员首先需选择本路机电伺服作动器支持的编码器通信协议，选择EnDat2.2或BISS-C协议；之后，匹配本设置装置的功率管开管方式与机电伺服作动器在实际应用中的功率管开管方式一致：即选择本次零位设置的电机控制方式为高电平开管或低电平开管；如果功率管开管方式为高电平开管则设置电机零位读取模式中的三相占空比值为高电平开管模式，特征值为-0.5、0.5、0.5；如果功率管开管方式为低电平开管则设置电机零位读取模式中的三相占空比值为低电平开管模式，特征值为0.5、-0.5、-0.5；
4)操作人员经过上述选择后，上位机系统开始自动零位设置，分别执行发送电机零位设置指令、发送丝杠零位设置指令、发送写入补偿值指令、发送数据校验指令，最终将读取的编码器数据进行保存和输出；
所述发送电机零位设置指令：上位机系统切换到电机零位读取模式，并将电机零位设置程序自动更新到内部控制器中；系统切换成功后，开启功率电源，通过数字板卡回读数据判定电源供电情况；判定功率电源供电正常后，读取当前编码器当前圈数和角度值，即电机零位值，读取完毕后关闭功率电源；判定功率电源供电异常后，在上位机显示故障报警，所述发送丝杠零位设置指令：上位机系统切换到丝杠零位读取模式，并将丝杠零位设置程序自动更新到内部控制器中，读取当前编码器当前圈数和角度值，即丝杠零位值，所述发送写入补偿值指令：将读取上的丝杠零位值和电机零位值写入到编码器FLASH区域；所述发送数据校验指令：回读编码器FLASH的数据，判定回读数据与写入值一致。
2.根据权利要求1所述的一种使用编码器的机电伺服作动器零位设置装置的运行方法，其特征在于：发送数据输出指令，可以保存设置过程中产生的零位值数据，可将零位数据以多种文档格式进行输出，方便使用者后期梳理数据。
3.一种实现权利要求1所述方法的使用编码器的机电伺服作动器零位设置装置，其特征在于：所述设置装置整体呈矩形状，其上端设置有提手；其前端面下端设置有一与所述设置装置的底面平行的长方形板，所述长方形板面上设置有键盘，与所述键盘相对应的前端面上设置有显示器；所述设置装置由上位机(1)、功率电源(3)、控制器(2)组成，设置装置作用于机电伺服作动器；上位机包括：处理器、人机交互界面和数字板卡(102)；所述数字板卡(102)可发送和接收控制器指令；所述机电伺服作动器包括编码器、电机(5)和丝杠(6)；所述控制器包括数字总线接口1(202)、数字总线接口3(203)、DSP(201)和驱动电路(204)；所述编码器设置有数字总线接口4(401)，所述功率电源设置有数字总线接口2(301)；所述控制器(2)内部的DSP(201)负责数字总线接口1(202)和数字总线接口3(203)双向收发数据，DSP(201)将处理后的功率管开管信号传递至驱动电路(204)；数字总线接口3(203)从数字总线接口4(401)接收数据，用于读取编码器内部数值；数字总线接口3(203)向数字总线接口4(401)发送数据，用于向编码器FLASH区域写入零位数据；驱动电路(204)输出驱动信号给电机(5)，控制电机运动；
所述功率电源(3)通过外接电缆为电机(5)供电，供电时机由上位机(1)通过数字板卡(102)向数字总线接口2(301)发送的指令决定；
所述编码器(4)安装在电机(5)轴上，检测电机(5)输出轴的运动；所述处理器(101)为上位机内核，用于运行零位设置人机交互界面；所述电机(5)与丝杠(6)直接连接，电机(5)带动丝杠(6)运动。
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