CN1684356A - 用于弧面凸轮分度机构的机电控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

用于弧面凸轮分度机构的机电控制装置及其控制方法，控制装置包括电动机、弧面分度凸轮箱、联轴器和底座，它还包括非线性扰动补偿控制器，非线性扰动补偿控制器、电动机和弧面分度凸轮箱都固定在底座上，电动机通过联轴器与弧面分度凸轮箱相连，非线性扰动补偿控制器与弧面分度凸轮箱之间通过连接电缆线相连。本技术发明通过滑模变结构扰动观测和非线性解耦补偿控制技术，对电动机实施主动补偿控制，降低负载变化对电动机运行性能的影响。本技术发明既可以提高弧面凸轮分度机构的定位精度、又可以减少其在运行中产生的冲击和噪声。

Description

用于弧面凸轮分度机构的机电控制装置及其控制方法

(一)技术领域

本发明涉及一种机电控制装置及其控制方法，特别是一种用于弧面凸轮分度机构的机电控制装置及其控制方法。

(二)背景技术

目前，用于分度控制的技术主要有两大类：数字控制方式和机械方式；数字控制方式是用伺服控制器控制伺服电机驱动执行机构实现分度传动，它具有定位精度高、分度方式可控等优点，但生产成本高、传动功率低，主要用于加工中心换刀机构等轻载、要求高精度定位的场合；弧面凸轮分度机构是最常用的一种机械式定比分度机构，它一般由三相交流电动机直接驱动，具有结构简单、生产成本低、传动功率大等优点，它主要用于间歇传动，广泛应用于各种自动化机械中；但是，由于它的加减速运动规律、制造和装配误差以及电机机械特性等因素，存在大幅度周期变化的动载荷扰动，形成严重的冲击与振动，极大影响了执行机构的分度定位精度，高速运行时尤为明显。如何提高整个机构的传动精度成为目前弧面凸轮分度机构研究领域的研究重点和难点，目前对弧面凸轮分度机构的研究主要集中在通过改变弧面分度凸轮的轮廓曲线、滚子形状和凸轮机构的机械传动部分来达到优化传动精度的目的，但效果不理想。

 (三)发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种以实现高速、高精度、重载荷下分度传动为目的，能够提高弧面凸轮分度机构定位精度、减少其冲击和振动的用于弧面凸轮分度机构的机电控制装置及其控制方法。

本发明是通过以下方式实现的：

一种用于弧面凸轮分度机构的机电控制装置及其控制方法，控制装置包括电动机、弧面分度凸轮箱、联轴器和底座，它还包括非线性扰动补偿控制器，非线性扰动补偿控制器、电动机和弧面分度凸轮箱都固定在底座上，电动机通过联轴器与弧面分度凸轮箱相连，非线性扰动补偿控制器与弧面分度凸轮箱之间通过连接电缆线相连。

所述的非线性扰动补偿控制器由微处理器、存储器、外围接口电路、整流电路、功率逆变器、功率驱动电路、电流传感器和电平转换电路组成，它们之间实行电连接。

所述的微处理器用集成电路TMS320F240，它内含两个独立的10位模/数转换器以及PWM生成电路；存储器为由两片集成电路IS61C64扩展成64K×16位的数据存储器；整流电路采用电桥整流，电流传感器采用电压型霍尔传感器，功率逆变器用集成电路PM25RSB120，功率驱动电路为6N137和隔离电路，点平转换采用电阻网络。

上述用于弧面凸轮分度机构的机电控制装置的控制原理如下：

1、建立弧面凸轮机构-电机系统的统一数学模型，它是一个非线性、强耦合的高阶微分方程，采用李亚普诺夫(Lyapunov)反馈解偶原理对其进行解偶变换，获得系统的解偶数学模型。

2、结合弧面凸轮分度机构周期分度运动规律的力矩波动特点，对电动机的转矩电流分量进行前馈补偿；转矩扰动的前馈补偿通过对转矩电流的补偿实现，具体做法是：在电流反馈转矩分量控制的基础上，增加转矩补偿分量ν_q，非线性解耦补偿控制方程为：

$\left(\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{-n}_p\mathrm{\ω}{i}_d-\frac{\mathrm{\αM}{i}_d^2}{{\mathrm{\ψ}}_d}-\mathrm{\α\β}{\mathrm{\ψ}}_d+v_d\\ n_p\mathrm{\β\ω}{\mathrm{\ψ}}_d+n_p\mathrm{\ω}{i}_q+\frac{\mathrm{\αM}{i}_q}{{\mathrm{\ψ}}_d}+v_q\end{array}\right)$

其中：ν_q，ν_d分别是q轴和d轴补偿分量，由滑模变结构扰动观测方程求得：

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}o\\ c\end{array}\right]v$

ν＝ψ₁x₁

${\mathrm{\&psi;}}_1=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_1& x_{1}s>0\\ {\mathrm{\&beta;}}_1& x_{1}s<0\end{array}\right.$

s＝c₁x₁+x₂

其中：x₁是相邻电流采样周期中转矩电流的变化值，x₂是x₁的微分。σ＝1-(M²/L_sL_r)，α＝(R_rN/L_r)，β＝(M/σL_sL_r)，

$\mathrm{\&gamma;}=(M^2/\mathrm{\&sigma;}{L}_r^2)+(R_s/\mathrm{\&sigma;}{L}_s),$ μ＝(n_pM/JL_r)；

${\mathrm{\&psi;}}_d=\sqrt{{\mathrm{\&psi;}}_a^2+{\mathrm{\&psi;}}_b^2};$

J＝J_m+J_b，为作用在电机轴上的等效转动惯量。

控制方法如下：

1、处理器中的控制程序通过非线性扰动补偿控制器中的电流传感器实时采集输入电动机的三相电流的幅值，然后，经控制程序中的转速观测模块估算出电动机的转角，根据流过电动机的电流的幅值和电动机的转角，计算出此时电动机的励磁电流分量和转矩电流分量，并推算出电动机的转速；通过控制程序中的磁通观测模块得到此时电动机磁通的观测值。

2、控制程序中的滑模变结构扰动观测模块，即滑模变结构扰动观测方程计算出转矩电流补偿控制量。

3、磁链和转速的设定值与实际值的差经控制程序中的调节器调节后，与转矩电流的补偿控制量一起输入控制程序中的非线性解藕补偿控制模块，即非线性解耦补偿控制方程，完成转矩扰动动态补偿实时控制，输出经2/3变换后驱动电动机运转。

本发明将弧面凸轮分度机构与驱动电动机作为一个机电系统，建立统一的数学模型，根据弧面凸轮分度机构的周期运动规律特性，采用机电耦合控制的方法，对负载转矩扰动进行主动补偿控制，改进凸轮机构的传动精度和动态响应特性，达到改进弧面凸轮分度机构性能的目的。与普通弧面凸轮分度机构相比，可在制造成本略有增加的条件下，使弧面凸轮分度机构的定位精度提高20％--40％，振动减小20％。本发明具有能够提高弧面凸轮分度机构定位精度、减少其冲击和振动的特点。

(四)附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中非线性扰动补偿控制器的电气结构框图。

图3为本发明中非线性扰动补偿控制器控制原理图。

图4为本发明中非线性扰动补偿控制器电路原理图。

其中，1、连接电缆线，2、电动机，3、连轴器，4、弧面分度凸轮箱，5、底座，6、非线性扰动补偿控制器，7、微处理器，8、存储器，9、外围接口电路，10、复位、晶振等其他辅助电路，11、整流电路，12、功率逆变器，13、功率驱动电路，14、电流传感器，15、电平转换电路，16、电源，17、调节器，18、滑模变结构扰动观测模块，19、磁通观测模块，20、非线性解耦补偿控制模块，21、转速观测模块，22、静止-旋转坐标转换模块，23、旋转-静止坐标转换模块。

(五)具体实施方式

实施例：

本发明的结构如图1和图2所示，本发明中非线性扰动补偿控制器电路原理图如图4所示，控制装置包括电动机2、弧面分度凸轮箱4、联轴器3、底座5和非线性扰动补偿控制器6，电动机2和弧面分度凸轮箱5都固定在底座5上，电动机2通过联轴器3与弧面分度凸轮箱4相连，非线性扰动补偿控制器6与弧面分度凸轮箱4之间通过连接电缆线1相连。

非线性扰动补偿控制器6由微处理器7、存储器8、外围接口电路9、复位、晶振等其他辅助电路10、整流电路11、功率逆变器12、功率驱动电路13、电流传感器14和电平转换电路15组成。

非线性扰动补偿控制器6的电路板分成电源板、处理器板和主回路板，它们之间通过电缆线连接，电源板提供±15V和5V电源。

微处理器7采用集成电路TMS320F240，它内含两个独立的10位模/数转换器以及PWM生成电路，控制软件存储在它的闪存中；存储器8由两片集成电路IS61C64扩展成64K×16位的数据存储器；电流传感器14采用电压型霍尔传感器，它的电流输入范围±30A，输出电压为±4V，经电平转换电路15和钳位处理后，得到0-5V的电压信号输入TMS320F240的模/数转换接口；TMS320F240输出的PWM信号经光电耦合器6N137隔离后，与功率逆变器12的控制极相连，功率逆变器选用PM25RS120；整流电路11采用电源经电桥整流，经400V330uF电解电容滤波后，得到直流电压接入PM25RS120。

微处理器7中的控制程序按实时中断方式工作，中断周期为10毫秒，根据非线性解耦补偿控制原理实现控制功能；具体的实施过程为：微处理器7中的中断服务子程序首先通过控制器6中的霍尔电流传感器14实时采样输入电动机2的三相电流的幅值；控制程序中的转速观测模块21根据输入电动机的三相电流波形估算出电动机2的瞬时转角和转速(稳态时转速在1480～1050r/min之间波动)；控制程序中的磁通观测模块19根据弧面凸轮-电机系统数学模型和实际转角，计算出电动机的实际磁链。把它与设定值比较，计算出相应的励磁电流变化量。

控制程序中的滑模变结构扰动观测模块18推算出转矩扰动，求出转矩电流补偿控制量；磁链和转速设定值与实际值之差经控制程序中的调节器17调节后，与转矩电流补偿控制量一起输入控制程序中的非线性解耦控制模块20，形成PWM驱动指令来控制功率逆变器12的输出。达到抑制电动机2的电磁转矩和转速波动的作用，从而使弧面凸轮分度机构在额定负载时的定位误差从0.02mm减小到0.012mm，噪声平均下降10分贝，工作速度越高，效果越明显。

Claims (4)

1、一种用于弧面凸轮分度机构的机电控制装置及其控制方法，控制装置包括电动机、弧面分度凸轮箱、联轴器和底座，其特征在于，它还包括非线性扰动补偿控制器，非线性扰动补偿控制器、电动机和弧面分度凸轮箱都固定在底座上，电动机通过联轴器与弧面分度凸轮箱相连，非线性扰动补偿控制器与弧面分度凸轮箱之间通过连接电缆线相连。

2、如权利要求1所述的用于弧面凸轮分度机构的机电控制装置及其控制方法，其特征在于，所述的非线性扰动补偿控制器由微处理器、存储器、外围接口电路、整流电路、功率逆变器、功率驱动电路、电流传感器和电平转换电路组成，它们之间实行电连接。

3、如权利要求1所述的用于弧面凸轮分度机构的机电控制装置及其控制方法，其特征在于，所述的微处理器用集成电路TMS320F240，它内含两个独立的10位模/数转换器以及PWM生成电路；存储器为由两片集成电路IS61C64扩展成64K×16位的数据存储器；整流电路采用电桥整流，电流传感器采用电压型霍尔传感器，功率逆变器用集成电路PM25RSB120，功率驱动电路为6N137和隔离电路，点平转换采用电阻网络。

4、一种用于弧面凸轮分度机构的机电控制装置及其控制方法，其特征在于，控制方法如下：

(1)微处理器通过非线性扰动补偿控制器中的电流传感器实时采集输入电动机的三相电流的幅值，经转速观测模块估算出电动机的转角，根据流过电动机的电流的幅值和电动机的转角计算出此时电动机的励磁电流分量和转矩电流分量，并推算出电动机的转速，通过磁通观测模块得到此时电动机磁通的观测值。

(2)滑模变结构扰动观测模块，即滑模变结构扰动观测方程，计算出转矩电流补偿控制量。

(3)磁链和转速的设定值与实际值的差经调节器调节后，与转矩电流的补偿控制量一起输入非线性解藕补偿控制模块，即非线性解耦补偿控制方程，完成转矩扰动动态补偿实时控制，输出经2/3变换后驱动电动机。