CN115955147B - 基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法 - Google Patents
基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法,涉及数控机床控制技术领域,包括:计算单个周期位置误差、周期位置误差补偿量、累积位置误差和累积位置误差补偿量;获取电机端目标位置给定;获取与电机端目标位置给定对应的第二编码器反馈位置;通过速度环PI控制器、电流环PI控制器、电机端目标位置给定和第二编码器反馈位置完成谐波数控转台电机端位置闭环控制。本发明解决现有技术中直接采用输出端编码器作全闭环位置控制造成的的位置跟踪响应速度低、系统稳定性差的问题。本发明有效补偿谐波减速器固有的柔性以及反向间隙特征,极大提升谐波数控转台在大负载工况下的精度水平,使得其能够满足高档数控机床的苛刻精度要求。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床核心零部件控制技术领域,具体涉及一种基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法。
背景技术
近年来,考虑到DD直驱电机成本高,体积庞大,由谐波减速器和力矩电机组成的谐波数控转台尝试代替DD直驱电机进入数控机床核心零部件领域,谐波数控转台输出力矩大,其体积相较于DD直驱电机大幅度减小。
然而,由于谐波减速器固有的柔性以及反向间隙特征,仅仅利用电机端的位置和速度反馈信息作位置闭环控制,转台输出定位精度相较于直驱电机较低,因此考虑在谐波数控转台输出端安装高精度编码器构成全闭环位置控制系统,以补偿谐波减速器固有的柔性以及反向间隙特征。然而,如果直接采用转台输出端反馈作全闭环位置控制,由于实际系统阻尼的存在,系统会有一定的稳定裕度,转台输出端相位滞后大,导致反馈信号信息延迟大,这一方面制约着转台位置跟踪响应速度,导致跟踪带宽无法提高,另一方面造成系统稳定性差。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例提供了一种基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法,以解决现有技术中直接采用输出端编码器作全闭环位置控制造成的的位置跟踪响应速度低、系统稳定性差的问题。
本发明实施例提供了一种基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法,包括:
获取机床数控系统给定谐波数控转台输出端的第一指令位置和第一编码器反馈位置;
根据第一指令位置和第一编码器反馈位置计算单个位置控制周期内的周期位置误差和谐波数控转台电机端的周期位置误差补偿量;
获取谐波数控转台输出端所有位置控制周期的累积位置误差,计算累积位置误差补偿量;
根据周期位置误差补偿量和累积位置误差补偿量获取经过补偿后的谐波数控转台双反馈控制系统的电机端目标位置给定;其中,将第一指令位置乘以第三减速比,得到第二指令位置;将周期位置误差补偿量、累积位置误差补偿量和第二指令位置融合,得到电机端目标位置给定;
获取与电机端目标位置给定对应的第二编码器反馈位置;
通过速度环PI控制器、电流环PI控制器、电机端目标位置给定和第二编码器反馈位置完成谐波数控转台电机端位置闭环控制;其中,根据每个位置控制周期中的电机端目标位置给定和与之对应的第二端编码器反馈位置,获取电机端位置闭环系统的累积误差;将电机端位置闭环系统的累积误差乘以位置环比例增益,获取位置环比例控制输出速度环给定;获取位置环速度前馈环节输出速度环给定;将位置环比例控制输出速度环给定与位置环速度前馈环节输出速度环给定融合,得到系统速度环输入给定。
可选地,在获取机床数控系统给定谐波数控转台输出端的第一指令位置和第一编码器反馈位置之前,还包括:
通过激光干涉仪对高精度编码器进行位置校正。
可选地,根据第一指令位置和第一编码器反馈位置计算单个位置控制周期内的周期位置误差,包括:
通过差分运算得到所述第k个位置控制周期内的周期位置误差;
其中,所述第k-1个位置控制周期与所述第k个位置控制周期为相邻的两个控制周期。
可选地,根据第一指令位置和第一编码器反馈位置计算单个位置控制周期内的周期位置误差和谐波数控转台电机端的周期位置误差补偿量,包括:
周期位置误差补偿量为周期位置误差乘以第一减速比。
可选地,获取谐波数控转台输出端所有位置控制周低速期的累积位置误差,计算累积位置误差补偿量,包括:
对谐波数控转台输出端所有位置控制周期的周期位置误差进行求和运算,得到第一累积位置误差;
将第一累积位置误差乘以第二减速比,得到第二累积位置误差;
使第二累积位置误差经过误差补偿PI控制器调节输出,得到累积位置误差补偿量。
可选地,误差补偿PI控制器的比例参数小于1;误差补偿PI控制器的积分参数小于1。
可选地,误差补偿PI控制器的比例参数设置方法采用变增益控制方式:
在谐波数控转台处于定位状态时,将比例参数设置为最大值;
在谐波数控转台处于加/减速状态时,将比例参数设置为最小值;
在谐波数控转台处于匀速状态时,将比例参数设置为中间值。
可选地,根据周期位置误差补偿量和累积位置误差补偿量获取经过补偿后的谐波数控转台双反馈控制系统的电机端目标位置给定,包括:
将第一指令位置乘以第三减速比,得到第二指令位置;
将周期位置误差补偿量、累积位置误差补偿量和第二指令位置融合,得到电机端目标位置给定。
可选地,通过速度环PI控制器、电流环PI控制器、电机端目标位置给定和第二编码器反馈位置完成谐波数控转台电机端位置闭环控制,包括:
根据每个位置控制周期中的电机端目标位置给定和与之对应的电机端编码器反馈位置,获取电机端位置闭环系统的累积误差;
将电机端位置闭环系统的累积误差乘以位置环比例增益,获取位置环比例控制输出速度环给定;
获取位置环速度前馈环境输出速度环给定;
将位置环比例控制输出速度环给定与位置环速度前馈环节输出速度环给定融合,得到系统速度环输入给定。
本发明实施例的有益效果:
1、本实施例提供的基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法,在谐波数控转台输出端安装高精度编码器,将该编码器的读数实时反馈至位置闭环系统输入,能够有效补偿谐波减速器固有的柔性以及反向间隙特征,极大提升谐波数控转台在大负载工况下的精度水平,使得其能够满足高档数控机床的苛刻精度要求;
2、本实施例提供的基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法,摒弃常规利用谐波数控转台输出端编码器反馈直接作全闭环位置控制的思想,将谐波数控转台输出端的位置闭环控制转移至电机端,在大幅度提升谐波数控转台的位置定位精度基础上,能够有效避免转台输出端相位滞后造成的位置跟踪响应速度低、系统稳定性差的问题,缓和系统精度与稳定性之间的矛盾。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点,附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制,在附图中:
图1示出了本发明实施例中一种基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法的流程图;
图2示出了本发明实施例中一种基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法的原理图;
图3示出了本发明实施例中一种谐波数控转台的结构图;
图4示出了本发明实施例中另一种基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法的原理图。
实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,本领域技术人员在没有作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。
本发明实施例提供了一种基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法,如图1和图2所示,包括:
步骤S1,获取机床数控系统给定谐波数控转台输出端的第一指令位置和第一编码器反馈位置。
在本实施例中,虽然谐波数控转台本身不是直驱的,其输出端与输入端存在减速比的转化,但是对于机床数控系统来说,由于转台采用双编码器反馈位置,其只需给定转台输出端的目标位置指令,在机床数控系统中,对于减速比的相关参数设置为1:1。此外,获取谐波数控转台输出端高精度编码器反馈位置/>之前,需通过激光干涉仪对高精度编码器进行位置校正,以补偿机械安装误差对编码器绝对精度造成的影响,保证输出端高精度编码器的读数能够精确反馈谐波数控转台输出端的位置。
在具体实施例中,指令、位置、减速比等处的下标1表示低速端(即转台输出端)的参数,下标2对应高速端(即驱动电机输出端)的参数。
步骤S2,根据第一指令位置和第一编码器反馈位置计算单个位置控制周期内的周期位置误差和谐波数控转台电机端的周期位置误差补偿量。
步骤S3,获取谐波数控转台输出端所有位置控制周期的累积位置误差,计算累积位置误差补偿量。
步骤S4,根据周期位置误差补偿量和累积位置误差补偿量获取经过补偿后的谐波数控转台双反馈控制系统的电机端目标位置给定。
步骤S5,获取与电机端目标位置给定对应的第二编码器反馈位置。
步骤S6,通过速度环PI控制器、电流环PI控制器、电机端目标位置给定和第二编码器反馈位置完成谐波数控转台电机端位置闭环控制。
在本实施例中,在谐波数控转台输出端安装高精度编码器,将该编码器的读数实时反馈至位置闭环系统输入,能够有效补偿谐波减速器固有的柔性以及反向间隙特征,极大提升谐波数控转台在大负载工况下的精度水平,使得其能够满足高档数控机床的苛刻精度要求。
如图2至图4所示,将谐波数控转台输出端的位置闭环控制转移至电机端,输出端误差补偿PI增益参数与高速端位置环比例增益参数共同调节,保证大负载工况下谐波减速器柔性特征被有效补偿。在大幅度提升谐波数控转台的位置定位精度基础上,能够有效避免转台输出端相位滞后造成的位置跟踪响应速度低、系统稳定性差的问题,缓和系统精度与稳定性之间的矛盾。其中,输出端误差补偿PI控制器保证最终谐波数控转台输出端位置与给定位置误差为零,高速端位置环控制通过理论补偿值(累计误差乘减速比)作为前馈补偿到电机端,提高响应速度。若单纯依靠PI控制器进行调节,则需要若干个周期才能调节完毕,响应慢。而高速端位置补偿则是通过低速端的位置误差反馈进行实时补偿,不能保证最终输出位置误差为零。因此,需要结合输出端误差补偿PI增益参数与高速端位置环比例增益参数进行共同调节,以确保高速响应和输出位置误差为零。
作为可选的实施方式,步骤S2包括:
作为可选的实施方式,步骤S3包括:
在本实施例中,误差补偿PI控制器的比例参数和积分参数/>设置值均小于1。与此同时,误差补偿PI控制器的比例参数/>设置方法选取变增益控制方式,/>设置大小根据谐波数控转台的运行工况自适应调整:在谐波数控转台定位状态下将/>设置为最大值,保证定位状态下谐波数控转台的柔性补偿效果最突出;在谐波数控转台加减速状态下将/>设置最小值,保证加减速状态下谐波数控转台位置闭环控制系统的稳定性;在谐波数控转台匀速状态下将/>设置中间值,保证匀速状态下谐波数控转台位置环控制系统的刚性和稳定性。
作为可选的实施方式,步骤S4包括:
步骤S42,将机床数控系统给定谐波数控转台电机端的指令位置与谐波数控转台电机端周期位置误差补偿量/>以及谐波数控转台电机端累积位置误差补偿量融合,获取补偿后谐波数控转台双反馈控制系统的电机端目标位置给定/>:/>
作为可选的实施方式,步骤S6包括:
步骤S69,系统进一步执行速度环和电流环。
本实施例提供的基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法,摒弃常规利用谐波数控转台输出端编码器反馈直接作全闭环位置控制的思想,将谐波数控转台输出端的位置闭环控制转移至电机端,在大幅度提升谐波数控转台的位置定位精度基础上,能够有效避免转台输出端相位滞后造成的位置跟踪响应速度低、系统稳定性差的问题,缓和系统精度与稳定性之间的矛盾。
虽然结合附图描述了本发明的实施例,但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型,这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (7)
1.一种基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法,其特征在于,包括:
获取机床数控系统给定谐波数控转台输出端的第一指令位置和第一编码器反馈位置;
根据所述第一指令位置和所述第一编码器反馈位置计算单个位置控制周期内的周期位置误差和谐波数控转台电机端的周期位置误差补偿量;
获取所述谐波数控转台输出端所有位置控制周期的累积位置误差,计算累积位置误差补偿量;
根据所述周期位置误差补偿量和所述累积位置误差补偿量获取经过补偿后的谐波数控转台双反馈控制系统的电机端目标位置给定;其中,将所述第一指令位置乘以第三减速比,得到第二指令位置;将所述周期位置误差补偿量、所述累积位置误差补偿量和所述第二指令位置融合,得到所述电机端目标位置给定;
获取与所述电机端目标位置给定对应的第二编码器反馈位置;
通过速度环PI控制器、电流环PI控制器、所述电机端目标位置给定和所述第二编码器反馈位置完成谐波数控转台电机端位置闭环控制;其中,根据每个位置控制周期中的所述电机端目标位置给定和与之对应的所述第二编码器反馈位置,获取电机端位置闭环系统的累积误差;将所述电机端位置闭环系统的累积误差乘以位置环比例增益,获取位置环比例控制输出速度环给定;获取位置环速度前馈环节输出速度环给定;将所述位置环比例控制输出速度环给定与所述位置环速度前馈环节输出速度环给定融合,得到系统速度环输入给定。
2.根据权利要求1所述的基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法,其特征在于,在获取机床数控系统给定谐波数控转台输出端的第一指令位置和第一编码器反馈位置之前,还包括:
通过激光干涉仪对高精度编码器进行位置校正。
4.根据权利要求1所述的基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法,其特征在于,根据所述第一指令位置和所述第一编码器反馈位置计算单个位置控制周期内的周期位置误差和谐波数控转台电机端的周期位置误差补偿量,包括:
所述周期位置误差补偿量为所述周期位置误差乘以第一减速比。
5.根据权利要求3所述的基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法,其特征在于,获取所述谐波数控转台输出端所有位置控制周期的累积位置误差,计算累积位置误差补偿量,包括:
对所述谐波数控转台输出端所有位置控制周期的周期位置误差进行求和运算,得到第一累积位置误差;
将所述第一累积位置误差乘以第二减速比,得到第二累积位置误差;
使所述第二累积位置误差经过误差补偿PI控制器调节输出,得到所述累积位置误差补偿量。
6.根据权利要求5所述的基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法,其特征在于,所述误差补偿PI控制器的比例参数小于1;所述误差补偿PI控制器的积分参数小于1。
7.根据权利要求6所述的基于双编码器的谐波数控转台双反馈控制方法,其特征在于,所述误差补偿PI控制器的比例参数设置方法采用变增益控制方式:
在所述谐波数控转台处于定位状态时,将所述比例参数设置为最大值;
在所述谐波数控转台处于加/减速状态时,将所述比例参数设置为最小值;
在所述谐波数控转台处于匀速状态时,将所述比例参数设置为中间值。
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