CN115528974B - 一种伺服电机测速反馈控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服电机测速反馈控制系统及方法，所述伺服电机测速反馈控制系统包括编码器、编码器测速模块、伺服控制模块、电流控制器；所述编码器通过编码器测速模块获取得到伺服电机的当前速度信息，生成速度反馈信号。通过对编码器测速模块的设计，其包括用于对编码器输出信号的脉冲边沿计数的编码器计数单元、用于对测速程序运行以及编码器脉冲与测速程序周期的前后窗口进行计时的程序执行计时单元，提高了电机转速测量精度，并且在低速、中速和高速情况下都适用，可实现对伺服电机电流更为准确的控制。

Description

一种伺服电机测速反馈控制系统及方法

技术领域

本发明涉及伺服电机控制领域，更具体地说，涉及一种伺服电机测速反馈控制系统及方法。

背景技术

在伺服电机测速反馈控制系统中，需要测量伺服电机的转速获取电机实测转速等反馈信号，以使电机控制器根据反馈信号控制伺服电机进行精密控制。当前伺服电机转速测量过程中，主要采用M法测速、T法测速和M/T法测速。其中M法（频率法）是在规定的时间内测量所产生的脉冲个数来计算电机转速，在高速时测量精度较高在低速时变低；T法（周期法）是测量相邻两个脉冲的时间差来计算电机转速，在低速时测量精度较高在高速时变低。M/T法测速是M法和T法的结合，同时测量检测时间和此时间内脉冲发生器发出的脉冲个数来测量速度，测量精度介于M法和T法之间，尤其可以改善在高速时的测量精度。但会增加纯延时，且在低速时测量精度较低，从而导致电机控制精度不高。

在CN102035455B中，为了实现电机转速的准确测量，采用了DSP+CPLD的方式进行分段测量转速，此方法需要较高的硬件成本，并且由于涉及两个芯片之间的数据处理，电机测速模块的稳定性也得不到保证；在CN103048484B中，公开了一种根据电机处于不同转速下的测量方法，通过在转子超低速运转时以预测的速度作为速度反馈，可保证低速时速度控制周期的瞬时速度值相对可靠，但通过该方法，在转速处于不同状态下切换时容易带来转速不连续的风险。

因此，有必要开发一种在低中高速情况下可对伺服电机精准测速系统，实现对伺服电机的准确控制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种伺服电机测速反馈控制系统，包括编码器、编码器测速模块、伺服控制模块、电流控制器；

所述编码器安装于伺服电机端，用于获取伺服电机的当前位置信息与当前速度信息，生成位置反馈信号和速度反馈信号，并将所述位置反馈信号和速度反馈信号输出至所述伺服控制模块；所述编码器通过编码器测速模块获取得到伺服电机的当前速度信息，生成速度反馈信号；

所述伺服控制模块，用于接收上位机发送的位置指令、编码器输出的位置反馈信号和速度反馈信号以及伺服电机输出的转矩反馈信号，处理后生成电流指令；

所述电流控制器，用于接收伺服控制模块输出的电流指令，实现对伺服电机电流的控制。

作为一种优选的技术方案，所述电流控制器对电流指令调整生成驱动开关器件的SPWM信号，通过驱动开关器件实现对伺服电机电流的控制。

作为一种优选的技术方案，所述伺服控制模块包括位置控制器、速度控制器、转矩控制器；

所述位置控制器，用于接收上位机发送的位置指令和编码器输出的位置反馈信号相比较产生的位置误差，调整此位置误差，生成速度指令；

所述速度控制器，用于接收位置控制器输出的速度指令和编码器输出的速度反馈信号相比较产生的速度误差，调整此速度误差，生成转矩指令；

所述转矩控制器，用于接收速度控制器输出的转矩指令和伺服电机输出的转矩反馈信号相比较产生的转矩误差，调整此转矩误差，生成电流指令。

作为一种优选的技术方案，所述编码器测速模块包括编码器计数单元和程序执行计时单元；

所述编码器计数单元用于对编码器输出信号的脉冲边沿计数；

所述程序执行计时单元用于对测速程序运行以及编码器脉冲与测速程序周期的前后窗口进行计时。

作为一种优选的技术方案，所述程序执行计时单元包括第一计时单元和第二计时单元；

所述第一计时单元，用于对测速程序运行时间进行计时；

所述第二计时单元，用于对编码器脉冲与测速程序周期的前后窗口进行计时。

作为一种优选的技术方案，所述编码器的输出信号与编码器计数单元、第二计时单元连接。

作为一种优选的技术方案，所述编码器测速模块通过以下公式计算电机当前转速：

其中，Ne为编码器线数；M_x为第x个测速程序周期内编码器计数单元记录的脉冲边沿个数；T_x为第x个测速程序周期内第一计时单元记录的测速程序运行时间；t_x-1为第x个测速程序周期内第二计时单元记录的编码器脉冲边沿与测速程序周期前窗口间的时间；t_x为第x个测速程序周期内第二计时单元记录的编码器脉冲边沿与测速程序周期后窗口间的时间。

本发明还可采用如下技术方案：一种伺服电机测速反馈控制方法，包括：

伺服控制模块获取上位机发送的位置指令、编码器输出的位置反馈信号，位置指令与位置反馈信号比较产生位置误差，输送到位置控制器，调整此位置误差，生成速度指令；

编码器通过编码器测速模块获取伺服电机的当前速度信息，生成速度反馈信号，然后速度反馈信号与位置控制器发送的速度指令比较，产生速度误差，输送到速度控制器，调整此速度误差，生成转矩指令；

速度控制器发送的转矩指令与伺服电机输出的转矩反馈信号比较，产生转矩误差，输送到转矩控制器，调整此转矩误差，生成电流指令；

电流指令发送到电流控制器，实现对伺服电机电流的控制。

作为一种优选的技术方案，所述编码器测速模块包括编码器计数单元和程序执行计时单元；

所述编码器计数单元用于对编码器输出信号的脉冲边沿计数；

所述程序执行计时单元用于对测速程序运行以及编码器脉冲与测速程序周期的前后窗口进行计时。

作为一种优选的技术方案，所述程序执行计时单元包括第一计时单元和第二计时单元；

所述第一计时单元，用于对测速程序运行时间进行计时；

所述第二计时单元，用于对编码器脉冲与测速程序周期的前后窗口进行计时。

有益效果：

本发明提供的一种伺服电机测速反馈控制系统，通过对编码器测速模块的设计，其包括用于对编码器输出信号的脉冲边沿计数的编码器计数单元以及用于对测速程序运行以及编码器脉冲与测速程序周期的前后窗口进行计时的程序执行计时单元，提高了电机转速测量精度，并且在低速、中速和高速情况下都适用，可实现对伺服电机电流更为准确的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种伺服电机测速反馈控制系统的结构示意图；

图2为本发明一种伺服电机测速反馈控制系统的结构示意图；

图3为本发明一种伺服电机测速反馈控制系统中编码器测速模块的结构示意图；

图4为本发明一种伺服电机测速反馈控制系统中编码器测速模块的测试原理图；

图5为本发明一种伺服电机测速反馈控制系统中编码器测速模块与M法测速得到的速度反馈波形对比图；

图6为本发明一种伺服电机测速反馈控制系统中编码器测速模块与M法测速得到的速度反馈匀速段波形放大对比图；

图7为本发明一种伺服电机测速反馈控制系统中编码器测速模块与M法测速得到的速度反馈减速段波形放大对比图；

图8为本发明一种伺服电机测速反馈控制系统中编码器测速模块与M法测速得到的速度反馈波形和转矩指令波形对比图；

图9为本发明一种伺服电机测速反馈控制系统中编码器测速模块与M法测速得到的速度反馈波形和转矩指令波形放大对比图。

具体实施方式

参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。

下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种伺服电机测速反馈控制系统，如图1所示，所述伺服电机测速反馈控制系统包括编码器1、编码器测速模块2、伺服控制模块3、电流控制器4；所述编码器1安装于伺服电机6端，用于获取伺服电机6的当前位置信息与当前速度信息，生成位置反馈信号和速度反馈信号，并将所述位置反馈信号和速度反馈信号输出至所述伺服控制模块3；所述编码器1通过编码器测速模块2获取得到伺服电机6的当前速度信息，生成速度反馈信号；所述伺服控制模块3，用于接收上位机发送的位置指令、编码器1输出的位置反馈信号和速度反馈信号以及伺服电机6输出的转矩反馈信号，处理后生成电流指令；所述电流控制器4，用于接收伺服控制模块3输出的电流指令，实现对伺服电机6电流的控制。

需要说明的是，所述编码器为光电编码器，光电编码器是一种利用光电效应，将角度、位置、转速等物理量转化为电信号的传感器，它具有分辨率高、响应速度快、结构简单、寿命长等特点，常被用于电机转速测量。具体的，所述光电编码器的检测端通过光信号检测伺服电机，并将光信号转换为电信号，并根据所述电信号进行计算得到伺服电机的实时位置信息与速度信息。其中，如上所述，所述速度信息是通过编码器测速模块计算得到。光电编码器按编码方式可分为绝对式和增量式两种类型。绝对式光电编码器主要用来测定电机转子的位置，增量式编码器主要用来实现测速功能，本发明所述光电编码器为增量式编码器。光电编码器的线数即分辨率是以编码器轴转动一周所产生的脉冲个数来表示的，即脉冲数/转（p/r）。在测量电机转速的实际应用中，可根据不同的需要，选择具有合适线数的增量式光电编码器。

优选的，所述编码器1为脉冲发生器（Pulse Generator），缩写PG。

需要说明的是，所述上位机可以根据实际需求选择上位机的类型，不对此进行限制例如，可选逻辑控制器PLC，Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器。

优选的，所述电流控制器4对电流指令调整生成驱动开关器件的SPWM信号，通过驱动开关器件实现对伺服电机6电流的控制。

优选的，如图2所示，所述伺服控制模块3包括位置控制器31、速度控制器32、转矩控制器33；所述位置控制器31，用于接收上位机发送的位置指令和编码器1输出的位置反馈信号相比较产生的位置误差，调整此位置误差，生成速度指令；所述速度控制器32，用于接收位置控制器31输出的速度指令和编码器1输出的速度反馈信号相比较产生的速度误差，调整此速度误差，生成转矩指令；所述转矩控制器33，用于接收速度控制器32输出的转矩指令和伺服电机6输出的转矩反馈信号相比较产生的转矩误差，调整此转矩误差，生成电流指令。

需要说明的是，所述位置误差是采用所述位置指令减去位置反馈信号得到，或者是采用所述位置反馈信号减去位置指令得到；所述速度误差是采用所述速度指令减去速度反馈信号得到，或者采用所述速度反馈信号减去速度指令得到；所述转矩误差是采用所述转矩指令减去转矩反馈信号得到，或者采用所述转矩反馈信号减去转矩指令得到。

优选的，如图3所示，所述编码器测速模块2包括编码器计数单元21和程序执行计时单元22；所述编码器计数单元21用于对编码器1输出信号的脉冲边沿计数；所述程序执行计时单元22用于对测速程序运行以及编码器脉冲与测速程序周期的前后窗口进行计时。

优选的，所述程序执行计时单元22包括第一计时单元221和第二计时单元222；所述第一计时单元221，用于对测速程序运行时间进行计时；所述第二计时单元222，用于对编码器脉冲与测速程序周期的前后窗口进行计时。所述编码器1的输出信号与编码器计数单元21、第二计时单元222连接。所述编码器测速模块2的核心为STM32芯片，不需要多片IC进行数据交换，避免了多芯片通信带来的误码等问题，因此测速反馈控制系统的稳定性可以得到有效保证。

需要说明的是，所述前后窗的调整实现方式是通过编码器计数单元21接收到编码器1输出的边沿信号对第二计时单元222进行软复位，软复位会使第二计时单元222切换至记录测速程序周期与编码器脉冲边沿的窗口时间。

易于理解的是，所述测速程序周期是指测速程序软件的运行时间，即测速算法的执行周期；也就是第一计时单元221记录的时间。

优选的，如图4所示，所述编码器测速模块2通过以下公式计算电机当前转速：

其中，Ne为编码器线数；M_x为第x个测速程序周期内编码器计数单元21记录的脉冲边沿个数；T_x为第x个测速程序周期内第一计时单元221记录的测速程序运行时间；t_x-1为第x个测速程序周期内第二计时单元222记录的编码器脉冲边沿与测速程序周期前窗口间的时间；t_x为第x个测速程序周期内第二计时单元222记录的编码器脉冲边沿与测速程序周期后窗口间的时间。

优选的，所述编码器计数单元21为编码器脉冲计数器，记录编码器1输出信号的脉冲边沿个数；所述第一计时单元221为时钟脉冲计数器，记录测速程序周期对应的时钟脉冲个数；所述第二计时单元222为时钟脉冲计数器，记录编码器脉冲边沿与测速程序周期前后窗口间的时钟脉冲个数。

优选的，所述编码器测速模块2通过以下公式计算电机当前转速：

其中，f_clk为时钟脉冲频率；Ne为编码器线数；M1_x为第x个测速程序周期内编码器1输出信号的脉冲边沿个数；M2_x为第x个测速程序周期内时钟脉冲的个数；m_x-1为第x个测速程序周期内编码器脉冲边沿与测速程序周期前窗口间的时钟脉冲个数；m_x为第x个测速程序周期内编码器脉冲边沿与测速程序周期后窗口间的时钟脉冲个数。

需要说明的是，测速程序周期x≥2，也就是说编码器测速模块2是从第二个测速程序周期开始。

优选的，所述时钟脉冲频率f_clk≥80 MHz；更优选的，所述时钟脉冲频率f_clk为80MHz~200 MHz。所述时钟脉冲频率选择在特定范围里，可减少测试的误差。

在一个具体的实施例中，所述时钟脉冲频率f_clk为160 MHz，编码器线数为10000线，实验结果如下表1所示。

从表1实验结果可知，本发明提供的编码器测速模块在低速、中速和高速时，误差都小于0.3‰，测量精度高，适用范围广，可用于高精度、宽范围的伺服电机测速反馈控制系统。

在另一个具体的实施例中，其他条件保持一致，所述编码器测速模块采用的是M法测速，与采用本发明编码器测速模块（时钟脉冲频率fclk为160 MHz，编码器线数为11520线）的速度反馈测试结果对比如图5~7所示，其中图6为图5中速度反馈匀速段波形放大对比图，图7为图5中速度反馈减速段波形放大对比图。从图5~7中的速度反馈波形可看出，本发明提供的编码器测速模块测量的速度反馈更为连续、平滑，噪音更小。

在另一个具体的实施例中，其他条件保持一致，所述编码器测速模块采用的是M法测速，与采用本发明编码器测速模块（时钟脉冲频率fclk为160 MHz，编码器线数为11520线）的速度反馈和转矩指令输出结果对比如图8~9所示，其中图9为图8中速度反馈波形和转矩指令波形放大对比图。从图8~9中的速度反馈波形可看出，本发明提供的编码器测速模块测量的速度反馈更为平滑，噪音更小，进一步的，输出的转矩指令噪音也明显减小，对于电机的控制、噪音以及损耗方面都有较大改善。由此可知，通过本发明提供的编码器测速模块，不仅对电机的速度反馈起到优化作用，同时对输出转矩也具有较大优化，进一步的提高了电机控制的稳定性。

本发明还提供了一种伺服电机测速反馈控制方法，所述控制方法基于如上文所述的伺服电机测速反馈控制系统，所述控制方法包括：

伺服控制模块3获取上位机发送的位置指令、编码器1输出的位置反馈信号，位置指令与位置反馈信号比较产生位置误差，输送到位置控制器31，调整此位置误差，生成速度指令；

编码器1通过编码器测速模块2获取伺服电机6的当前速度信息，生成速度反馈信号，然后速度反馈信号与位置控制器31发送的速度指令比较，产生速度误差，输送到速度控制器32，调整此速度误差，生成转矩指令；

速度控制器32发送的转矩指令与伺服电机6输出的转矩反馈信号比较，产生转矩误差，输送到转矩控制器33，调整此转矩误差，生成电流指令；

电流指令发送到电流控制器4，实现对伺服电机6电流的控制。

优选的，所述电流控制器4对电流指令调整生成驱动开关器件的SPWM信号，通过驱动开关器件实现对伺服电机6电流的控制。

优选的，所述编码器测速模块2包括编码器计数单元21和程序执行计时单元22；所述编码器计数单元21用于对编码器1输出信号的脉冲边沿计数；所述程序执行计时单元22用于对测速程序运行以及编码器脉冲与测速程序周期的前后窗口进行计时。

优选的，所述程序执行计时单元22包括第一计时单元221和第二计时单元222；所述第一计时单元221，用于对测速程序运行时间进行计时；所述第二计时单元222，用于对编码器脉冲与测速程序周期的前后窗口进行计时。所述编码器1的输出信号与编码器计数单元21、第二计时单元222连接。

优选的，如图4所示，所述编码器测速模块2通过以下公式计算电机当前转速：

其中，Ne为编码器线数；M_x为第x个测速程序周期内编码器计数单元21记录的脉冲边沿个数；T_x为第x个测速程序周期内第一计时单元221记录的测速程序运行时间；t_x-1为第x个测速程序周期内第二计时单元222记录的编码器脉冲边沿与测速程序周期前窗口间的时间；t_x为第x个测速程序周期内第二计时单元222记录的编码器脉冲边沿与测速程序周期后窗口间的时间。

优选的，所述编码器计数单元21为编码器脉冲计数器，记录编码器1输出信号的脉冲边沿个数；所述第一计时单元221为时钟脉冲计数器，记录测速程序周期对应的时钟脉冲个数；所述第二计时单元222为时钟脉冲计数器，记录编码器脉冲边沿与测速程序周期前后窗口间的时钟脉冲个数。

优选的，所述编码器测速模块2通过以下公式计算电机当前转速：

其中，f_clk为时钟脉冲频率；Ne为编码器线数；M1_x为第x个测速程序周期内编码器1输出信号的脉冲边沿个数；M2_x为第x个测速程序周期内时钟脉冲的个数；m_x-1为第x个测速程序周期内编码器脉冲边沿与测速程序周期前窗口间的时钟脉冲个数；m_x为第x个测速程序周期内编码器脉冲边沿与测速程序周期后窗口间的时钟脉冲个数。

本发明提供的一种伺服电机测速反馈控制系统及方法，有利于提高了电机转速测量精度，并且在低速、中速和高速情况下都适用，可实现对伺服电机电流更为准确的控制。

前述的实例仅是说明性的，用于解释本发明所述方法的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合的选择的实施方式的说明。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。在权利要求中所用的一些数值范围也包括了在其之内的子范围，这些范围中的变化也应在可能的情况下解释为被所附的权利要求覆盖。

Claims (4)

1.一种伺服电机测速反馈控制系统，其特征在于，包括编码器、编码器测速模块、伺服控制模块、电流控制器；

所述编码器安装于伺服电机端，用于获取伺服电机的当前位置信息与当前速度信息，生成位置反馈信号和速度反馈信号，并将所述位置反馈信号和速度反馈信号输出至所述伺服控制模块；所述编码器通过编码器测速模块获取得到伺服电机的当前速度信息，生成速度反馈信号；

所述伺服控制模块，用于接收上位机发送的位置指令、编码器输出的位置反馈信号和速度反馈信号以及伺服电机输出的转矩反馈信号，处理后生成电流指令；

所述电流控制器，用于接收伺服控制模块输出的电流指令，实现对伺服电机电流的控制；

所述编码器测速模块包括编码器计数单元和程序执行计时单元；所述编码器计数单元用于对编码器输出信号的脉冲边沿计数；所述程序执行计时单元用于对测速程序运行以及编码器脉冲与测速程序周期的前后窗口进行计时；

所述程序执行计时单元包括第一计时单元和第二计时单元；所述第一计时单元，用于对测速程序运行时间进行计时；所述第二计时单元，用于对编码器脉冲与测速程序周期的前后窗口进行计时；所述编码器的输出信号与编码器计数单元、第二计时单元连接；

所述编码器测速模块通过以下公式计算电机当前转速：

其中，Ne为编码器线数；M_x为第x个测速程序周期内编码器计数单元记录的脉冲边沿个数；T_x为第x个测速程序周期内第一计时单元记录的测速程序运行时间；t_x-1为第x个测速程序周期内第二计时单元记录的编码器脉冲边沿与测速程序周期前窗口间的时间；t_x为第x个测速程序周期内第二计时单元记录的编码器脉冲边沿与测速程序周期后窗口间的时间。

2.如权利要求1所述的一种伺服电机测速反馈控制系统，其特征在于，所述电流控制器对电流指令调整生成驱动开关器件的SPWM信号，通过驱动开关器件实现对伺服电机电流的控制。

3.如权利要求1所述的一种伺服电机测速反馈控制系统，其特征在于，所述伺服控制模块包括位置控制器、速度控制器、转矩控制器；

所述位置控制器，用于接收上位机发送的位置指令和编码器输出的位置反馈信号相比较产生的位置误差，调整此位置误差，生成速度指令；

所述速度控制器，用于接收位置控制器输出的速度指令和编码器输出的速度反馈信号相比较产生的速度误差，调整此速度误差，生成转矩指令；

所述转矩控制器，用于接收速度控制器输出的转矩指令和伺服电机输出的转矩反馈信号相比较产生的转矩误差，调整此转矩误差，生成电流指令。

4.一种伺服电机测速反馈控制方法，其特征在于，包括：

伺服控制模块获取上位机发送的位置指令、编码器输出的位置反馈信号，位置指令与位置反馈信号比较产生位置误差，输送到位置控制器，调整此位置误差，生成速度指令；

编码器通过编码器测速模块获取伺服电机的当前速度信息，生成速度反馈信号，然后速度反馈信号与位置控制器发送的速度指令比较，产生速度误差，输送到速度控制器，调整此速度误差，生成转矩指令；

速度控制器发送的转矩指令与伺服电机输出的转矩反馈信号比较，产生转矩误差，输送到转矩控制器，调整此转矩误差，生成电流指令；

电流指令发送到电流控制器，实现对伺服电机电流的控制；

所述编码器测速模块包括编码器计数单元和程序执行计时单元；所述编码器计数单元用于对编码器输出信号的脉冲边沿计数；所述程序执行计时单元用于对测速程序运行以及编码器脉冲与测速程序周期的前后窗口进行计时；

所述程序执行计时单元包括第一计时单元和第二计时单元；所述第一计时单元，用于对测速程序运行时间进行计时；所述第二计时单元，用于对编码器脉冲与测速程序周期的前后窗口进行计时；所述编码器的输出信号与编码器计数单元、第二计时单元连接；

所述编码器测速模块通过以下公式计算电机当前转速：

其中，Ne为编码器线数；M_x为第x个测速程序周期内编码器计数单元记录的脉冲边沿个数；T_x为第x个测速程序周期内第一计时单元记录的测速程序运行时间；t_x-1为第x个测速程序周期内第二计时单元记录的编码器脉冲边沿与测速程序周期前窗口间的时间；t_x为第x个测速程序周期内第二计时单元记录的编码器脉冲边沿与测速程序周期后窗口间的时间。

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