CN114268245A - 一种电动缸伺服控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种电动缸伺服控制系统及方法，包括位置补偿控制器、调节模块和电动缸；每个电动缸均对应一个调节模块，所有调节模块输入端均连接到位置补偿控制器的输入端，位置补偿控制器的输出端连接各个调节模块输出端，形成若干个调节闭环；本发明采用基于Hall的FOC控制，位置精度可根据电机极对数和霍尔片的数量来调整，Hall具有易安装、结构尺寸小、成本低的优势。且驱动器无需增加解码芯片即可实施检测转子位置。
Description
技术领域
本发明属于电动缸调节技术领域，特别涉及一种电动缸伺服控制系统及方法。
背景技术
电缸为代替传统液压缸的电动直线作动系统，由电机、减速机构、丝杆及壳体组成。将电机的旋转运动转换为直线运动。以其结构简单、免维护精度高的特点，在工业、民用等领域有快速的发展。
电缸系统不仅需要推动大负荷的载重，往往还需要精确的位置控制。需要驱动器具有伺服功能，可精确检测转子的位置，继而控制在位置环，精确控制电缸上升下降的位置。
在电缸应用需要双缸或多缸同步或比例同步的场景，需要编码器实时监控转子位置。且驱动系统需要工作在位置环。而编码器如光电、齿轮或旋转变压器又受到成本、结构空间的限制往往难以在实际用途中使用。
现有的电缸大多数采用步进电机或直流有刷电机。步进电机作为伺服缸控制时容易出现丢步的现象，无法保证长期同步可靠运行。有些应用场合，结构上的复杂处理增加了带有光电编码器、旋转变压器的位置编码器，但是带来结构复杂、成本高，驱动器必须配置相应的解码芯片，而解码芯片的价格高昂，不适合大规模推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动缸伺服控制系统及方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电动缸伺服控制系统，包括位置补偿控制器、调节模块和电动缸；每个电动缸均对应一个调节模块，所有调节模块输入端均连接到位置补偿控制器的输入端，位置补偿控制器的输出端连接各个调节模块输出端，形成若干个调节闭环；
调节模块包括位置调节器、限幅模块和速度调节器，位置调节器、限幅模块和速度调节器依次连接。
进一步的，位置补偿控制器的输入量为位置指令，以及每个电动缸的位置反馈，输出量为每个电动缸的速度前馈量，速度前馈量分别对每个电动缸的速度指令进行微调，微调后通过速度调节器输入到电动缸。
进一步的，位置补偿控制器内设置有PI调节器，PI调节器用于对电动缸的实际位置值与位置指令值的差值进行调节输出速度前馈量。
进一步的，位置指令同时作为位置调节器和位置补偿控制器的输入量。
进一步的，速度指令为位置指令输入进入位置调节器，经限幅模块限幅后输出的指令。
进一步的，电动缸上设置有若干霍尔元件，用于读取位置反馈和速度反馈。
进一步的，一种电动缸伺服控制方法，包括以下步骤：
向位置调节器和位置补偿控制器输入位置指令，分别计算电动缸的实际位置值与位置指令值的差值；
然后再对差值的偏差进行PI调节，限幅后输出调节前馈量；
对PI调节器的参数和限幅值进行调节，实现对电动缸位置同步的精确控制。
进一步的，位置指令的表达式：
t为某次按键操作持续时间，T0为缓起和缓停阶段的时间，T为停止按键的时刻，A为规划采用的最大加速度，v为恒速度段电机的速度。
进一步的，其中PI调节器的参数和限幅值进行调节满足：
Δu＝KP(y0-y1)+KI(∫y0-∫y1)
其中y0为目标位置，y1为初始位置，Δu为调节量， KP和KI为调节系数，KP和KI合起来叫做PI调节。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明采用基于Hall的FOC控制，位置精度可根据电机极对数和霍尔片的数量来调整，Hall具有易安装、结构尺寸小、成本低的优势。且驱动器无需增加解码芯片即可实施检测转子位置。本发明使用的控制方法，低速时采用 HALL的FOC控制，高速时切到无位置FOC控制，实时采集Hall的脉冲作为位置环的实际值，与实际位置目标的参考值进行比较，其差值通过PID调节器后输入到速度环计算。
附图说明
图1是本发明逻辑框图；
图2是双缸的指令位置和实际位置示意图；
图3是位置补偿控制器逻辑框图；
图4是未使用S曲线加减速的过程；
图5是使用S曲线加减速的过程。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
一种电动缸伺服控制系统，其特征在于，包括位置补偿控制器、调节模块和电动缸；每个电动缸均对应一个调节模块，所有调节模块输入端均连接到位置补偿控制器的输入端，位置补偿控制器的输出端连接各个调节模块输出端，形成若干个调节闭环；
调节模块包括位置调节器、限幅模块和速度调节器，位置调节器、限幅模块和速度调节器依次连接。
一种电动缸伺服控制方法，包括以下步骤：
向位置调节器和位置补偿控制器输入位置指令，分别计算电动缸的实际位置值与位置指令值的差值；
然后再对差值的偏差进行PI调节，限幅后输出调节前馈量。
其中调节量如下式所示：
Δu＝KP(y0-y1)+KI(∫y0-∫y1)
其中y0为目标位置，y1为初始位置，PI选择过大容易造成位置的过冲导致进行反复的位置调节从而造成电动缸在指定位置反复振荡无法稳定，PI选择过小会导致位置调节的速度过慢，无法在规定时间内到达指定位置，实际上需要通过测试选择合适的PI参数进行调节从而实现实现对电动缸位置同步的精确控制。
实施例：
以双缸控制为例，两轴同步电动缸(A缸和B缸)的驱动控制共用一片 MCU，在接收到按键操作指令时，A和B按照始终相同的行程位置指令运动，比如电动升降桌。理想情况下，A和B电缸的行程轨迹能够完全与行程位置指令保持一致，或者稍许滞后于指令，但A和B的轨迹能够完全一致，这样能够保证同步性。
但是由于A和B电缸机械结构制造、装配不可避免的偏差，以及A和B 电缸采用的伺服电机的差异，会导致A和B按照同一指令动作时，行程位置并不是完全一致，可能的行程位置曲线如下图1所示，图中A和B的实际值有恒定微小偏差，实际中该偏差可能会是一个不断变化的值，因为运动中的不同位置二者所受阻力不可能完全不变。
因此采用Hall的FOC伺服驱动中必须加入高精度位置同步算法如图2所示。图2中的位置补偿控制器即为所设计的高精度位置同步方法的关键，其输入量为位置指令，以及通过电机上霍尔元器件读出A和B的位置反馈，输出量为A和B的速度前馈量Fa和Fb，二者分别对A和B的速度指令进行微调，最终达到二者位置一致的目的。
假定位置指令为P0，A的位置反馈为PA，B的位置反馈为PB，位置补偿控制器的原理框图如图3所示，其原理为：分别计算A和B的实际位置值与位置指令值的差EA和EB，然后再对EA和EB的偏差进行PI调节，限幅后输出调节前馈量Fa和Fb，按实际应用场景的不同应有，对PI调节器的参数和限幅值进行合理设计，可以实现对A和B位置同步的精确控制。
此外，在电动升降缸的同步应用中，必须有S曲线的加减速过程，以保护机械结构避免硬动作导致的寿命降低，也提高使用中的舒适性是电动缸平缓启停。
未增加S曲线加减速的应用如图4所示：按键按下时，行程指令为Δ*t，Δ为单位时间位移增量，t为持续按下的时间，行程指令与时间从开始即以线性关系变化，在Δ较大的场合，这会导致启停时动作突兀，行程指令表示为：P＝Δ*t。
增加S曲线加减速的应用如图5所示：
开始按键后，行程指令按最大加速度规划递增，停止按键后，电动缸并不立即停止，行程指令按最大负加速度规划停止，缓起和缓停阶段时间相等，且时间不可过长，以免造成操作的滞后感。行程指令表示为：
其中，t为某次按键操作持续时间，T0为缓起和缓停阶段的时间，T为停止按键的时刻，A为规划采用的最大加速度，v为恒速度段电机的速度。
采用位置补偿控制器搭配高精度位置同步算法，可以在使用Hall的简易伺服系统中达到可靠的位置控制精度要求。
Claims (9)
1.一种电动缸伺服控制系统，其特征在于，包括位置补偿控制器、调节模块和电动缸；每个电动缸均对应一个调节模块，所有调节模块输入端均连接到位置补偿控制器的输入端，位置补偿控制器的输出端连接各个调节模块输出端，形成若干个调节闭环；
调节模块包括位置调节器、限幅模块和速度调节器，位置调节器、限幅模块和速度调节器依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种电动缸伺服控制系统，其特征在于，位置补偿控制器的输入量为位置指令，以及每个电动缸的位置反馈，输出量为每个电动缸的速度前馈量，速度前馈量分别对每个电动缸的速度指令进行微调，微调后通过速度调节器输入到电动缸。
3.根据权利要求2所述的一种电动缸伺服控制系统，其特征在于，位置补偿控制器内设置有PI调节器，PI调节器用于对电动缸的实际位置值与位置指令值的差值进行调节输出速度前馈量。
4.根据权利要求2所述的一种电动缸伺服控制系统，其特征在于，位置指令同时作为位置调节器和位置补偿控制器的输入量。
5.根据权利要求2所述的一种电动缸伺服控制系统，其特征在于，速度指令为位置指令输入进入位置调节器，经限幅模块限幅后输出的指令。
6.根据权利要求1所述的一种电动缸伺服控制系统，其特征在于，电动缸上设置有若干霍尔元件，用于读取位置反馈和速度反馈。
7.一种电动缸伺服控制方法，其特征在于，基于权利要求1至6任意一项所述的电动缸伺服控制系统，包括以下步骤：
向位置调节器和位置补偿控制器输入位置指令，分别计算电动缸的实际位置值与位置指令值的差值；
然后再对差值的偏差进行PI调节，限幅后输出调节前馈量；
对PI调节器的参数和限幅值进行调节，实现对电动缸位置同步的精确控制。
8.根据权利要求7所述的一种电动缸伺服控制方法，其特征在于，位置指令的表达式：
t为某次按键操作持续时间，T0为缓起和缓停阶段的时间，T为停止按键的时刻，A为规划采用的最大加速度，v为恒速度段电机的速度。
9.根据权利要求7所述的一种电动缸伺服控制方法，其特征在于，其中PI调节器的参数和限幅值进行调节满足：
Δu＝KP(y0-y1)+KI(∫y0-∫y1)
其中y0为目标位置，y1为初始位置，Δu为调节量，KP和KI为调节系数，KP和KI合起来叫做PI调节。
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