CN115800822A - 一种双电机消隙控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电机消隙控制系统及方法，物理层方面通过主从驱动器之间的通信总线交互数据，且在通信协议中设置主从驱动器中断同步校正数据帧，进一步改善主从驱动器同步性，解决传统消隙技术物理层滞后严重、精度差和抗干扰性弱的缺点，同时不需要依赖上位装置；软件算法层设计转矩均衡控制器和可配置偏置电流控制器，避免由于主从电机速度不同步引起的积分冲突问题，满足不同应用场景和用户需求从而实现多目标优化的消隙技术，解决传统消隙方法适用场景单一、主从电机差速冲突等问题。

Description

一种双电机消隙控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电机控制电气消隙技术领域，尤其涉及一种双电机消隙控制系统及方法。

背景技术

目前现有的双电机消隙技术应用最为广泛的是科尔摩根公司的RDP消隙控制算法，其物理层采用模拟量实现方式，通过模拟量输入输出接口将主从驱动器连接并交互信息，软件算法层通过施加偏置电流来消除齿隙影响，这种方案受到模拟量采样精度和数模转化延时的影响，滞后强精度差，抗干扰性较差，同时消隙算法过于单一，在追求节能等场合下不适用；目前现有的相关专利中消隙算法物理层的实现方式大都是基于现场总线形式，将主从驱动器均通过现场总线与上位机相连，其软件算法层也是在上位机上执行，这样的物理层实现虽然有利于数字化的实现，但却需要控制器等上位装置的参与，增加了使用条件和成本，并且这些专利的消隙算法实现也均较为简单，有些未考虑主从电机速度不同步引起的冲突，有些只适用于单一应用场景。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：提出一种双电机消隙控制系统及方法，物理层方面通过主从驱动器之间的通信总线交互数据，同时在通信协议中设置主从驱动器中断同步校正数据帧，进一步改善主从驱动器同步性，解决传统消隙技术物理层滞后严重、精度差和抗干扰性弱的问题，同时不需要依赖上位装置；软件算法层设计转矩均衡控制器和可配置偏置电流控制器，避免由于主从电机速度不同步引起的积分冲突问题，满足不同应用场景和用户需求从而实现多目标优化的消隙技术，解决传统消隙方法适用场景单一、主从电机差速冲突等问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种双电机消隙控制系统，包括：上位装置、主驱动器、从驱动器、主电机、从电机；

上位装置与主驱动器相连，主驱动器和从驱动器之间通过主从驱动器通信总线相连，主电机和从电机分别通过主机械传动链和从机械传动链连接至负载。

可选地，上位装置通过总线、脉冲或模拟量与主驱动器相连。

优选地，主从驱动器通信总线为全双工通信方式的通信总线。

可选地，主从驱动器通信总线为232、485或422方式的通信总线。

根据本发明的第二方面，本发明基于上述双电机消隙控制系统，提供了一种双电机消隙控制方法，包括以下步骤：

S1：主、从驱动器上电；

S2：分别设置主、从驱动器的相关参数，相关参数包括：双电机消隙模式的使能、主、从驱动器的设置、偏置电流大小的设置、偏置电流控制模式的设置；

S3：主驱动器等待上位装置发送电机使能运行指令，接收到使能运行指令后，主驱动器通过主从驱动器通信总线发送握手报文数据帧至从驱动器，从驱动器接收之后马上进入使能状态，并自动进入速度运行模式，同时偏置电流控制器输出转矩电流指令校正值，消除齿轮间隙并保持系统静止；

S4：主驱动器更新上位装置发送的指令值，从驱动器开始每周期循环发送第一数据帧至主驱动器，第一数据帧包括中断计数寄存器值和转矩电流指令值，主驱动器每周期循环接收从驱动器发送的第一数据帧，并根据从驱动器的中断计数寄存器值调整自身的中断时钟；

S5：主驱动器运行转矩均衡控制器和偏置电流控制器；

S6：主驱动器循环发送第二数据帧至从驱动器，第二数据帧包括转矩均衡控制器和偏置电流控制器的输出值以及速度指令值，从驱动器循环接收主驱动器发送的第二数据帧，接收完成后校正自身速度指令值和转矩电流指令值；

S8：主、从驱动器各自运行伺服三环环路，输出PWM。

进一步地，所述转矩均衡控制器的输入为主、从驱动器转矩电流的差值，输出为从驱动器速度指令的校正值，用于避免主从驱动器由于速度误差而导致的积分累积。

进一步地，所述偏置电流控制器的输入为用户设定的偏置电流大小和偏置电流控制模式，输出为主、从驱动器转矩电流指令的校正值，用于消除齿轮间隙以及保持双电机消隙控制系统的张力作用。

优选地，所述转矩均衡控制器采用PI控制律实现。

进一步地，所述偏置电流控制器包括三种控制模式：

模式一为定向偏置转矩模式，当负载需要正转时，从电机则保持一个恒定的偏置力矩，当负载需要反转时，则由从电机输出驱动转矩，主电机输出恒定偏置转矩；

模式二为偏置电流不撤除模式，在这种模式下偏置电流在运行过程中始终施加在负载端，当系统静止时，主、从电机端施加一对大小相等方向相反的偏置转矩，从而消除齿轮间隙，保持负载静止，当主电机开始正转时，主电机起主要推动作用，当负载转矩小于两倍偏置转矩时，从电机输出转矩始终为阻碍作用；当负载转矩大于两倍偏置转矩时，从电机输出转矩从负变正，和主电机一起分担负载，此时负载端会始终受到两倍偏置转矩的作用；

模式三为消隙电流撤除模式，和模式二相比不同点在于当负载转矩小于两倍偏置转矩时，会将主、从电机的偏置电流通过预设斜率逐渐撤除，并最终主、从电机以相同的输出转矩来分担负载。

本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

(1)物理层采用主从驱动器通信总线实现，替代传统模拟量实现方式，减小消隙控制滞后，具备高灵活性和便捷性，同时在通信帧中加入当前中断计数寄存器值，不断调整中断时钟，改善同步控制性能；

(2)软件算法层设计转矩均衡控制器和偏置电流控制器，前者可以避免由于主从电机速度误差引起的积分累积问题，后者设计为用户可选的多模式偏置电流控制器，可以根据不同的使用场景和需求来施加对应的偏置电流，具备易用性和实用性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中一种双电机消隙控制系统组成图；

图2为本发明实施例中双电机消隙方法工作原理图；

图3为本发明实施例中偏置电流中三种控制模式，(a)对应模式一，(b)对应模式二，(c)对应模式三；

图4为本发明实施例双电机消隙控制方法中主从驱动器工作流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明提供了一种双电机消隙控制系统，主要组成部分如图1所示，包括上位装置1、主驱动器2、从驱动器3、主从驱动器通信总线4、主电机5、从电机6组成，上位装置1可以通过总线或者脉冲和模拟量等方式和主驱动器2相连，主驱动器2和从驱动器3之间通过主从驱动器通信总线4相连，主电机5和从电机6分别通过主机械传动链7和从机械传动链8连接至负载。主从驱动器通信总线4作用为主、从驱动器之间交互数据，可以选用232、485或者422等方式的常见通信总线，本实施例中优选全双工通信方式的通信总线。

基于上述双电机消隙控制系统，本发明提供了一种双电机消隙控制方法，其工作原理如图2所示，图2中M1为主电机、M2为从电机，双电机消隙控制方法是在主从驱动器伺服三环控制算法的基础上添加了转矩均衡控制器和偏置电流控制器，其中转矩均衡控制器的输入为主从驱动器2转矩电流的差值，输出为从驱动器3速度指令的校正值，其主要作用是避免主、从驱动器由于速度误差而导致的积分累积，如果没有转矩均衡控制器的存在，主、从驱动器会由于速度环的积分误差不断累积，最终导致主、从电机的交替上升直至过流，转矩均衡控制器的具体实现方式优选为PI控制律。偏置电流控制器的输入为用户设定的偏置电流大小和偏置电流控制模式，输出为主、从驱动器转矩电流指令的校正值，其主要作用是消除齿轮间隙以及保持系统的张力作用，其中偏置电流控制模式根据不同场景需求共三种控制模式，如图3所示：

模式一为定向偏置转矩模式，当负载需要正转时，从电机6则保持一个恒定的偏置力矩，当负载需要反转时，则由从电机6输出驱动转矩，主电机5输出恒定偏置转矩，这种模式下无论正反转，始终有一个电机以恒定转矩夹紧齿轮，从而保证在运行过程中始终无齿隙，因此控制噪声小、控制精度高，但是始终有一台处于发电状态，所以会造成一定的能量浪费。

模式二为偏置电流不撤除模式，在这种模式下偏置电流在运行过程中始终施加在负载端，当系统静止时，主、从电机端施加一对大小相等方向相反的偏置转矩，从而消除齿轮间隙，保持负载静止，当主电机5开始正转时，主电机5起主要推动作用，当所带负载为轻载时(即当负载转矩小于两倍偏置转矩时)，从电机6输出转矩始终为阻碍作用，因此运动过程中无齿隙影响，当带载为重载时(即当负载转矩大于两倍偏置转矩时)，从电机6输出转矩从负变正，和主电机5一起分担负载，此时负载端会始终受到两倍偏置转矩的作用，从而使得整个系统始终保持张力，大大降低了运行噪声和齿隙的非线性影响，反转时的分析情况类似在此不赘述。

模式三是消隙电流撤除模式，和模式二相比不同点在于带载为重载时，为了增加能量利用率，会将主、从电机的偏置电流通过一定斜率逐渐撤除，此处斜率的优选范围为0.5～2，并最终主、从电机以相同的输出转矩来分担负载，图3中是以A点为例，实际使用中可以根据用户需求具体设置偏置电流撤除点的大小。

这三种偏置电流控制模式适用于不同的使用场景，当用户要求运行过程中无齿隙同时噪声要求严格时，可以选择模式一，当用户要求控制噪声低、控制精度高同时带载能力强等情况下模式二更具有优势，而当所带负载很大同时用户需要节能场景下模式三将会更加适合。

基于上述控制原理，双电机消隙控制方法的工作流程如图4所示，

S1：主、从驱动器上电；

S2：分别设置主、从驱动器的相关参数，相关参数包括：双电机消隙模式的使能、主、从驱动器的设置、偏置电流大小的设置、偏置电流控制模式的设置；

S3：主驱动器2等待上位装置1发送电机使能运行指令，该使能运行指令可以是DI输入也可以是通信发送，当接收到使能运行指令后，主驱动器2通过主从驱动器通信总线4发送握手报文数据帧至从驱动器3，从驱动器3接收之后马上进入使能状态，并自动进入速度运行模式，同时偏置电流控制器输出转矩电流指令校正值，消除齿轮间隙并保持系统静止；

S4：主驱动器2更新上位装置1发送的指令值，从驱动器3开始每周期循环发送第一数据帧至主驱动器2，第一数据帧包括中断计数寄存器值和转矩电流指令值，主驱动器2每周期循环接收从驱动器3发送的第一数据帧，并根据从驱动器3的中断计数寄存器值调整自身的中断时钟；

S5：主驱动器2运行转矩均衡控制器和偏置电流控制器；

S6：主驱动器2循环发送第二数据帧至从驱动器3，第二数据帧包括转矩均衡控制器和偏置电流控制器的输出值以及速度指令值，从驱动器3循环接收主驱动器发送的第二数据帧，接收完成后校正自身速度指令值和转矩电流指令值；

S8：主、从驱动器各自运行伺服三环环路，输出PWM。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种双电机消隙控制系统，其特征在于，包括：上位装置(1)、主驱动器(2)、从驱动器(3)、主电机(5)、从电机(6)；

上位装置(1)与主驱动器(2)相连，主驱动器(2)和从驱动器(3)之间通过主从驱动器通信总线(4)相连，主电机(5)和从电机(6)分别通过主机械传动链(7)和从机械传动链(8)连接至负载。

2.根据权利要求1所述的双电机消隙控制系统，其特征在于，上位装置(1)通过总线、脉冲或模拟量与主驱动器(2)相连。

3.根据权利要求1所述的双电机消隙控制系统，其特征在于，主从驱动器通信总线(4)为全双工通信方式的通信总线。

4.根据权利要求1所述的双电机消隙控制系统，其特征在于，主从驱动器通信总线(4)为232、485或422方式的通信总线。

5.一种双电机消隙控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：主、从驱动器上电；

S2：分别设置主、从驱动器的相关参数，相关参数包括：双电机消隙模式的使能、主、从驱动器的设置、偏置电流大小的设置、偏置电流控制模式的设置；

S3：主驱动器(2)等待上位装置(1)发送电机使能运行指令，接收到使能运行指令后，主驱动器(2)通过主从驱动器通信总线(4)发送握手报文数据帧至从驱动器(3)，从驱动器(3)接收之后马上进入使能状态，并自动进入速度运行模式，同时偏置电流控制器输出转矩电流指令校正值，消除齿轮间隙并保持系统静止；

S4：主驱动器(2)更新上位装置(1)发送的指令值，从驱动器(3)开始每周期循环发送第一数据帧至主驱动器(2)，第一数据帧包括中断计数寄存器值和转矩电流指令值，主驱动器(2)每周期循环接收从驱动器(3)发送的第一数据帧，并根据从驱动器(3)的中断计数寄存器值调整自身的中断时钟；

S5：主驱动器(2)运行转矩均衡控制器和偏置电流控制器；

S6：主驱动器(2)循环发送第二数据帧至从驱动器(3)，第二数据帧包括转矩均衡控制器和偏置电流控制器的输出值以及速度指令值，从驱动器(3)循环接收主驱动器发送的第二数据帧，接收完成后校正自身速度指令值和转矩电流指令值；

S8：主、从驱动器各自运行伺服三环环路，输出PWM。

6.如权利要求5所述的双电机消隙控制方法，其特征在于，所述转矩均衡控制器的输入为主、从驱动器转矩电流的差值，输出为从驱动器(3)速度指令的校正值，用于避免主、从驱动器由于速度误差而导致的积分累积。

7.如权利要求5所述的双电机消隙控制方法，其特征在于，所述偏置电流控制器的输入为用户设定的偏置电流大小和偏置电流控制模式，输出为主、从驱动器转矩电流指令的校正值，用于消除齿轮间隙以及保持双电机消隙控制系统的张力作用。

8.根据权利要求5所述的双电机消隙控制方法，其特征在于，所述转矩均衡控制器采用PI控制律实现。

9.根据权利要求5所述的双电机消隙控制方法，其特征在于，所述偏置电流控制器包括三种控制模式：

模式一为定向偏置转矩模式，当负载需要正转时，从电机(6)则保持一个恒定的偏置力矩，当负载需要反转时，则由从电机(6)输出驱动转矩，主电机(5)输出恒定偏置转矩；

模式二为偏置电流不撤除模式，在这种模式下偏置电流在运行过程中始终施加在负载端，当系统静止时，主、从电机端施加一对大小相等方向相反的偏置转矩，从而消除齿轮间隙，保持负载静止，当负载正转时，主电机(5)起主要推动作用，当负载转矩小于两倍偏置转矩时，从电机(6)输出转矩始终为阻碍作用，当负载转矩大于两倍偏置转矩时，从电机(6)输出转矩从负变正，和主电机(5)一起分担负载，此时负载端会始终受到两倍偏置转矩的作用；当负载反转时，从电机(6)起主要推动作用，当负载转矩小于两倍偏置转矩，主电机(5)输出转矩始终为阻碍作用，当负载转矩大于两倍偏置转矩时，主电机(5)输出转矩从负变正，和从电机(6)一起分担负载，此时负载端会始终受到两倍偏置转矩的作用；

模式三为消隙电流撤除模式，和模式二相比不同点在于当负载转矩大于两倍偏置转矩时，会将主、从电机的偏置电流通过预设斜率逐渐撤除，并最终主、从电机以相同的输出转矩来分担负载。

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