CN116281618A - 一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统和方法，该系统包括相互间电连接的手柄操控模块、伺服电机驱动模块、重量传感模块；所述手柄操控模块进行手柄操作，使用RS485基于Modbus协议与伺服电机驱动模块进行通讯；所述重量传感模块包括重量传感器，由传感器应变片通过钢缆连接到手柄操控模块的手柄，获取负载的精确重量；所述伺服电机驱动模块接收手柄操控模块发出的操作指令，对负载进行速度和位置的控制，同时采集记录重量传感器的信号。本发明能够实现智能稳定、精确定位、省力提升，并且结构简单便于安装，满足各种工作场景需求，同时在运行时可以实现主动减振来消除负载的振动。

Description

一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统和方法

技术领域

本发明主要应用于汽车行业、机械制造加工、仓储厂房的重复性高的搬运工作等环境，涉及一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统和方法。

背景技术

现有的许多机械车间内需要手工操作一些较重的工件，通常使用行车和龙门吊来吊装提升工件，但是其体积过于笨重无法适应所有安装场景，而且使用遥控器控制无法精确控制位置。同时目前常见的举升方式如叉车和吊臂等搬运重量较大的工件时，也容易产生水平和垂直方向的振动，因此对位置精度无法有效地控制，并且过大地振动幅度也可能对工件及操作人员造成伤害。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统和方法，其具体技术方案如下：

一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统，包括相互间电连接的手柄操控模块、伺服电机驱动模块、重量传感模块；所述手柄操控模块进行手柄操作，使用RS485基于Modbus协议与伺服电机驱动模块进行通讯；所述重量传感模块包括重量传感器，由传感器应变片通过钢缆连接到手柄操控模块的手柄，获取负载的精确重量；所述伺服电机驱动模块接收手柄操控模块发出的操作指令，对负载进行速度和位置的控制，同时采集记录重量传感器的信号。

进一步的，所述手柄操控模块由手柄、光电感应开关、操作按钮、显示面板、控制板卡组成，所述光电感应开关用于检测到手握持手柄；所述操作按钮提供操作功能的按键；所述显示面板用于显示菜单功能和所设置的参数信息，所述控制板卡使用STM32F103C8T6为主控芯片，基于主动阻尼的优化算法控制手柄操作逻辑以及与伺服电机驱动模块的通讯。

进一步的，所述伺服电机驱动模块包括电机、伺服驱动器，使用RS485通讯基于Modbus协议接收手柄操控模块发出的指令，通过伺服驱动器驱动电机运行，以控制负载的速度和位置，并且还配有绝对值编码器，获取当前负载的运行速度和位置的信息；其中，所述伺服驱动器采集记录重量传感器的信号，并通过Modbus协议通讯发送到控制板卡。

进一步的，所述基于主动阻尼的优化算法运用动力学模型，根据负载的质量实时更新所述动力学模型，通过动力学模型计算出负载在静止状态下的自然振动频率，矫正重量传感模块接收到的负载重量变化信号，根据当前的动力学模型，计算出临界阻尼值并应用到速度控制中，使控制的速度获得主动施加的临界阻尼，从而使负载振动幅度衰减到零。

进一步的，所述重量传感模块的重量传感器得到经过卡曼滤波算法消除干扰信号后的负载重量变化信号。

进一步的，所述重量传感模块还安装有速度限制保护机构和行程开关，所述速度限制保护机构限制负载发生急坠时的速度，所述行程开关在超负载情况下断开。

一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制方法，包括以下步骤：

步骤1，对所述的智能平衡器减振控制系统进行初始化，初始化PWM参数和PID参数；

步骤2，进行上电保护检测，确认电机处于抱闸状态，检测各个模块是否工作正常，电流、温度、限位是否正常；

步骤3，检测手柄是否接收到控制信号，即是否有手柄操作，在没有收到控制信号的情况下，进入步骤4；

步骤4，读取重量传感器的参数，对系统的动力学模型进行重新计算；

步骤5，根据步骤4重新计算更新后的动力学模型进行减振控制计算，在静止状态下通过手柄端的加速度传感芯片获取负载是否处于振荡状态，使用主动阻尼算法驱动电机，施加驱动力消除负载的振动；

步骤6，应用速度曲线控制算法，将从绝对值编码器获得的当前负载的运行速度与指令的目标速度进行比较，根据比较后的偏差值拟合一条平滑的曲线；

步骤7，将步骤6中拟合后的结果输入给伺服驱动器，使用速度曲线算法使输入速度平滑，以控制电机转速；

步骤8，绝对值编码器读取电机的反馈参数，包括转速参数、绝对值位置参数以及电流、温度的状态信息；

当步骤3中收到控制信号时进入步骤9，即计算目标速度和操作方向；

步骤10，计算出当前速度与目标速度的插值；

步骤11，根据计算的目标速度经过PID计算，得到电机驱动速度，之后进入步骤6。

有益效果

本发明的目的是实现智能稳定、精确定位、省力提升，并且结构简单便于安装，满足各种工作场景需求，同时在运行时可以实现主动减振来消除负载的振动。

附图说明

图1是本发明的一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚明白，以下结合说明书附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统，包括相互间电连接的手柄操控模块、伺服电机驱动模块、重量传感模块。

所述手柄操控模块由手柄（同轴滑动握把）、光电感应开关、操作按钮、显示面板、控制板卡组成。所述控制板卡使用STM32F103C8T6为主控芯片，主要基于主动阻尼的优化算法控制手柄操作逻辑以及与伺服电机驱动模块的通讯。

所述伺服电机驱动模块由电机、伺服驱动器、开关电源、制动电阻构成，使用RS485通讯基于Modbus协议接收手柄操控模块发出的指令，可以在速度模式或者转速模式下工作，并且还配有绝对值编码器，用于获取当前负载的运行速度和位置，实现软件限位功能。

所述重量传感模块由传感器应变片通过钢缆连接到手柄，用于获取负载的精确重量，并且安装有速度限制保护机构，防止负载发生急坠，以及安装有行程开关作为过载保护，当重量超过系统的最大负载能力时，作为过载保护的行程开关会被触发，断开伺服电机驱动模块保护电机不会损坏，并且发出报警提示重量超载。

一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统，运行时根据负载的质量实时更新动力学模型，通过动力学模型计算出负载在静止状态下的自然振动频率，矫正重量传感模块接收到的负载重量变化信号，使其不会被负载自身的振动所干扰，根据当前的动力学模型，计算出临界阻尼值并应用到速度控制中，使其获得主动施加的临界阻尼，从而使负载振动幅度快速衰减到零。

如图1所示，一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制方法，包括以下步骤：

步骤1，对所述的智能平衡器减振控制系统进行初始化，初始化PWM参数和PID参数；

步骤2，进行上电保护检测，保证电机处于抱闸状态，检测各个模块是否工作正常，电流、温度、限位是否正常；

步骤3，检测手柄是否接收到控制信号，即是否有手柄操作，在没有收到控制信号的情况下，进入步骤4；

步骤4，读取重量传感器的参数，对系统动力学模型进行重新计算；

步骤5，根据步骤4重新计算更新后的动力学模型进行减振控制计算，在静止状态下通过手柄端的加速度传感芯片获取负载是否处于振荡状态，使用主动阻尼算法驱动电机，施加驱动力，加速负载振荡减弱，保证负载静止时快速减小振动；

步骤6，应用速度曲线控制算法，将从绝对值编码器获得的当前负载的运行速度与指令的目标速度进行比较，根据比较后的偏差值拟合一条平滑的曲线；

步骤7，将步骤6中拟合后的结果输入给伺服驱动器，使用速度曲线算法使输入速度平滑，减少电机加速冲击，控制电机转速，保证负载运动稳定流畅；

步骤8，绝对值编码器读取电机的反馈参数，包括转速参数、绝对值位置参数以及电流、温度等状态信息；

当步骤3中收到控制信号时进入步骤9；

步骤9，计算操作方向即驱动方向，以及目标速度；

步骤10，计算出当前速度与目标速度的插值；

步骤11，根据计算的目标指令速度经过PID计算，得到合适的电机驱动速度，之后进入步骤6，继续后续控制电机的操作，以实现对负载的减振控制，来精确控制位置。

一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统，有以下4个主要的工作模式：

手柄操作模式：系统启动后，操作员握紧手柄，光电感应开关检测到手握持手柄，系统进入手柄模式，此时拉动同轴滑动手柄可以控制驱动电机拉动负载，拉动力量越大，驱动速度越快。

悬浮操作模式：在悬浮模式下，操作员可以直接拉动负载，驱动其上下运动。重量传感器将直接获取负载的重量变化信号，经过卡曼滤波算法消除干扰信号得到更准确的输入信号，传感器信号通过伺服驱动器采集记录，通过Modbus通讯发送到控制板卡。传感器状态信号经过公式计算后得到当前状态的转矩指令，再由通讯总线发送给伺服驱动器，从而驱动电机以平稳的转矩变化来运转。

位置操作模式：在位置模式下，拉动手柄可以驱动负载使其在软件限位内移动，达到上限位或下限位时自动减速并刹停，软件限位可以在菜单中设置。

菜单模式：实现了系统参数的设置功能，在菜单设置中可以对运行目标速度、控制响应速度进行设置并且保存设置参数，对于位置模式中的软件限位也可以设置模式下进行记录。

以上所述，仅为本发明的优选实施案例，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然前文对本发明的实施过程进行了详细说明，对于熟悉本领域的人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明精神和原则之内所做修改、同等替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统，其特征在于，包括相互间电连接的手柄操控模块、伺服电机驱动模块、重量传感模块；所述手柄操控模块进行手柄操作，使用RS485基于Modbus协议与伺服电机驱动模块进行通讯；所述重量传感模块包括重量传感器，由传感器应变片通过钢缆连接到手柄操控模块的手柄，获取负载的精确重量；所述伺服电机驱动模块接收手柄操控模块发出的操作指令，对负载进行速度和位置的控制，同时采集记录重量传感器的信号。

2.如权利要求1所述的一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统，其特征在于，所述手柄操控模块由手柄、光电感应开关、操作按钮、显示面板、控制板卡组成，所述光电感应开关用于检测到手握持手柄；所述操作按钮提供操作功能的按键；所述显示面板用于显示菜单功能和所设置的参数信息，所述控制板卡使用STM32F103C8T6为主控芯片，基于主动阻尼的优化算法控制手柄操作逻辑以及与伺服电机驱动模块的通讯。

3.如权利要求2所述的一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统，其特征在于，所述伺服电机驱动模块包括电机、伺服驱动器，使用RS485通讯基于Modbus协议接收手柄操控模块发出的指令，通过伺服驱动器驱动电机运行，以控制负载的速度和位置，并且还配有绝对值编码器，获取当前负载的运行速度和位置的信息；其中，所述伺服驱动器采集记录重量传感器的信号，并通过Modbus协议通讯发送到控制板卡。

4.如权利要求2所述的一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统，其特征在于，所述基于主动阻尼的优化算法运用动力学模型，根据负载的质量实时更新所述动力学模型，通过动力学模型计算出负载在静止状态下的自然振动频率，矫正重量传感模块接收到的负载重量变化信号，根据当前的动力学模型，计算出临界阻尼值并应用到速度控制中，使控制的速度获得主动施加的临界阻尼，从而使负载振动幅度衰减到零。

5.如权利要求4所述的一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统，其特征在于，所述重量传感模块的重量传感器得到经过卡曼滤波算法消除干扰信号后的负载重量变化信号。

6.如权利要求1所述的一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统，其特征在于，所述重量传感模块还安装有速度限制保护机构和行程开关，所述速度限制保护机构限制负载发生急坠时的速度，所述行程开关在超负载情况下断开。

7.一种采用权利要求1~6任一一项的一种基于主动阻尼算法的智能平衡器减振控制系统的智能平衡器减振控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对所述的智能平衡器减振控制系统进行初始化，初始化PWM参数和PID参数；

步骤2，进行上电保护检测，确认电机处于抱闸状态，检测各个模块是否工作正常，电流、温度、限位是否正常；

步骤3，检测手柄是否接收到控制信号，即是否有手柄操作，在没有收到控制信号的情况下，进入步骤4；

步骤4，读取重量传感器的参数，对系统的动力学模型进行重新计算；

步骤5，根据步骤4重新计算更新后的动力学模型进行减振控制计算，在静止状态下通过手柄端的加速度传感芯片获取负载是否处于振荡状态，使用主动阻尼算法驱动电机，施加驱动力消除负载的振动；

步骤6，应用速度曲线控制算法，将从绝对值编码器获得的当前负载的运行速度与指令的目标速度进行比较，根据比较后的偏差值拟合一条平滑的曲线；

步骤7，将步骤6中拟合后的结果输入给伺服驱动器，使用速度曲线算法使输入速度平滑，以控制电机转速；

步骤8，绝对值编码器读取电机的反馈参数，包括转速参数、绝对值位置参数以及电流、温度的状态信息；

当步骤3中收到控制信号时进入步骤9，即计算目标速度和操作方向；

步骤10，计算出当前速度与目标速度的插值；

步骤11，根据计算的目标速度经过PID计算，得到电机驱动速度，之后进入步骤6。

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