CN1932706A - 伺服电动机数字控制装置 - Google Patents

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CN1932706A CN 200610137718 CN200610137718A CN1932706A CN 1932706 A CN1932706 A CN 1932706A CN 200610137718 CN200610137718 CN 200610137718 CN 200610137718 A CN200610137718 A CN 200610137718A CN 1932706 A CN1932706 A CN 1932706A
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Inventor
伍鹏
鲁继超
毛昌明
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Wu Peng
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JIAXING HUALING MECHATRONICS CO Ltd
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Abstract

本发明为一种能实现高于电动机编码器或光栅尺分辨率的位置定位控制的伺服电动机数字控制装置，并且能保证运动速度更加匀整光滑，电动机的推力波动更小。电动机控制装置(1)由指令装置(2)、指令器(3)、位置补偿器(4)、速度补偿器(5)、电流补偿器(6)、伺服器(7)及前馈补偿器(8)构成。指令器(3)将目标变位数据Sd变换为脉冲数Sr，位置检测器(12)检测出实际位置，如果指令位置大于实际位置，则将此位置偏差Sr加上0.4倍的编码器或光栅尺的最小检测单位；如果指令位置小于实际位置，则将此位置偏差Sr减去伺服电动机编码器或光栅尺的分辨率单位的0.6倍，然后把该加减法运算后得到的位置偏差Sr′输出到位置补偿器(4)，最终确定向输出到伺服电动机的控制电流大小的控制装置。

Description

伺服电动机数字控制装置
技术领域
本发明是一种采用编码器或者光栅尺输出2相相位相差90度的矩形增量式脉冲来表示当前实时检测的位置数据，通过将此实时数据与指令位置数据进行比较，然后使用这两者的偏差值来对伺服电动机进行控制的控制装置，尤其对于那些能不依赖于编码器或者光栅尺的位置分辨率也能实现位置补偿功能的数字控制器。
背景技术
伺服电动机控制装置一般通过检测出运动平台的实际位置、将实际位置数据与指令位置数据进行比较，使用这两者之间的偏差值来对运动平台的运动补偿。伺服电动机数字控制系统通常使用编码器或光栅尺等检测器来进行位置检测，尤其是纳米级数控运动控制设备，高精度的光栅尺已经开始被采用。
绝大多数编码器或者光栅尺直接输出相位相差90度的两相增量式A相和B相数字脉冲信号，或者通过数字分解其输出的正弦模拟信号成数字脉冲信号，使用位置检测器计数这些脉冲信号的上升沿和下降沿次数，从而达到位置检测实际位置的功能，也就是通常所说的4倍递增电路。一般的伺服电动机数字控制装置的控制方式为：位置检测器检测出位置的变位、指令装置输出目标位置、通过加減运算电路及比较电路来计算目标位置与检测位置之间的位置偏差，输出到位置补偿器。
而使用编码器或者光栅尺输出的脉冲信号作为反馈信号时，控制精度依赖于编码器或光栅尺的分辨率。如图2所示，编码器的分辨率为1μm时，0位置设定为目标位置，停止范围则为A。在停止范围A内运动是不能被控制的，本发明的目的是为了实现在小于停止范围A的区域内也能实现运动控制。
发明内容
本发明要解决的课题是将目标位置和检测位置之间的位置偏差通过特定的计算方式进行补偿，以实现更加精密的运动控制；除此之外，一般伺服电动机数字控制装置输出到伺服电动机的控制电流由于波动太大，无法实现光滑的运动，尤其是在高精密的位置控制要求时，即使微小的电流波动都容易导致控制性能受很大影响。因此本发明不仅是一种能实现高于伺服电动机编码器或者光栅尺分辨率之上的伺服电动机位置控制的数字控制装置，并且也要解决运动速度更加匀整光滑的课题；以下说明本发明解决问题的手段、优点和实施方案。
本发明解决问题的方法为根据目标变位数据Sd计算目标脉冲数Sr，也称为指令位置，根据目标变位脉冲数Sr来计算输出至伺服电动机(15)的控制电流，以推动运动平台(16)做往复运动，编码器或者光栅尺输出相位相差90度的2相矩形增量式脉冲列，对这些脉冲列的上升沿和下降沿计数后得出实际位置Sy，如果指令位置大于实际位置，则将此位置偏差加上0.4倍的编码器或光栅尺(17)的最小检测单位；如果指令位置小于实际位置，则将此位置偏差减去伺服电动机编码器或光栅尺的最小观测单位(即分辨率)的0.6倍，将经过该加减法运算后得到的位置偏差(Sr)输出到指令器(2)。
本发明的效果：
本发明所述的伺服电动机数字控制装置中，采用伺服电动机编码器或者光栅尺的分辨率的0.4倍和0.6倍数据进行加减运算得到实际偏差值，即使指令位置与实际检测值之间的偏差为0时也能进行运动控制，从而达到比编码器或者光栅尺本身分辨率更高的精密控制效果。并且其补偿功能的执行是在指令位置与实测位置之间的偏差得到之间进行补偿，使得输出到伺服电动机的电流波动更小，从而保证推力波动更小。
综上所述，此装置不仅能达到比伺服电动机编码器或者光栅尺的分辨率更高的位置控制精度，而且能使伺服电动机的往复运动更加均匀，运动推力波动更加小。尤其是在精密半导体设备或者纳米数控等设备领域，需要达到纳米级别的运动控制精度和推力波动极小的要求下，能达到优良的控制效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明所述的伺服电动机数字控制装置的构成图。
图2是本发明所述的伺服电动机数字控制装置的控制方式时序示意图。
具体实施方式
图1表示了本发明所述的伺服电动机数字控制装置的实施方式。伺服电动机数字控制装置1、以指令装置2发出的目标位置数据为基础计算目标位置、输出控制电流到驱动被控对象运动平台16的伺服电动机15。伺服电动机15为交流伺服直线电动机，由定子13、动子14构成。运动平台16的位置由光栅尺17检测出。
指令装置2为一种计算机控制装置、其包含PC(Personal Computer)、Keyboard、Mouse、LCD，还包括驱动伺服电动机所需要的集成电路，也称为计算机数值控制装置(CNC，Computerized Numerical Controller)。操作人员通过操作控制面板或者磁盘输入数据到PC、生成推动物体运动所需要的位置和速度数据。指令装置2将生成的位置数据和速度数据作为移动物体所需要的指令数据Sd来输出到控制装置。
光栅尺17检测相位差90°的A/B两相矩形增量式脉冲列；位置检出器12计数光栅尺17输出的脉冲列的上升沿与下降沿次数，从而得出以原点为起点的运动量，即实际位置Sy。速度检出器11使用位置检出器输出的运动量及时钟数据来计算每单位时间的运动量，也得到速度值Vy。电流检出器10检测出输出电流输出检测电流Iy到电流控制环。
伺服电动机数字控制装置1由指令器3、位置补偿器4、速度补偿器5、电流补偿器6、伺服器7和前馈补偿器8构成。伺服电动机数字控制装置1由CPU(Central Processing Unit)，DSP(Digital Signal Processor)，内存装置，输入输出电路等构成的集成电路装置。
指令器3输出目标位置Sr′，位置检出器12输出检测位置Sy、采用加法电路或者比较电路、目标位置Sr′和检测位置Sy的位置偏差被计算出。位置补偿器4通过输入位置偏差Sr′-Sy来决定位置控制增益KP。位置补偿器4输出的目标速度VD及速度检出器11输出的检测速度Vyと之间的速度偏差、此速度偏差被输入到速度补偿器5，然后计算出速度控制增益KV，然后输出目标电流ID。目标电流ID和电流检出器10输出的检测电流IY之间的电流偏差被输入到电流補償器6，加上前馈补偿器8计算出的补偿电流，然后计算出电流控制增益KI，通过增幅处理后，控制电流成为输出电流IQ，此电流被输入到伺服电动机15。
指令装置2输出的目标数据Sd到指令器3，指令器3将目标数据Sd变换为目标变位所需的脉冲数，也成为移动指令数据Sr。指令器3不直接输出目标变位Sr，采用的计算方法为：如果指令位置大于实际位置，则将此位置偏差加上0.4倍的编码器或光栅尺的最小检测单位；如果指令位置小于实际位置，则将此位置偏差减去伺服电动机编码器或光栅尺的最小观测单位(即分辨率)的0.6倍，将经过该加减法运算后得到的位置偏差Sr′作为位置补偿量来进行输出。若所设定的位置运动单位为1的话，共有两种运动控制方式：(I)目标位置Sr与实际检测位置Sy之间的位置偏差为0时，由于输出的目标位置Sr′与检测位置Sy之间补偿位置偏差为0.4，运动平台必定正方向运动(如果补偿值为-0.6时，则反方向运动)；(II)目标位置Sr与实际检测位置Sy之间的位置偏差不为0时，目标位置Sr′与检测位置Sy之间补偿位置偏差为0.4(加法)，运动平台必定被控制着向目标位置Sr′与检测位置Sy之间的位置偏差的方向运动。如图2所示，实际位置在小于编码器或光栅尺的分辨率范围内时，亦能保证继续向伺服电动机发出运动控制所需的电流，从而保证运动平台持续向目标位置移动。指令器3发出指令后，输出目标位置Sr′与检测位置Sy的位置变位被特定的微小值进行补偿，从而导致输出到伺服电动机的控制电流更加沿着光滑性曲线变化。

Claims (1)

1、一种根据指令位置和反馈位置两者之间的偏差值来决定输出给伺服电动机控制电流值大小，并实现伺服电动机的往复运动控制的伺服电动机数字控制装置，其具体方式为：通过计数从伺服电机的编码器或者光栅尺反馈的90度相位差的2相增量式矩形脉冲信号的上升沿和下降沿的次数，来计算指令位置与实际位置之间的位置偏差；如果指令位置大于实际位置，则将此位置偏差加上0.4倍的编码器或光栅尺的最小检测单位；如果指令位置小于实际位置，则将此位置偏差减去伺服电动机编码器或光栅尺的最小观测单位(即分辨率)的0.6倍，将经过该加减法运算后得到的位置偏差最终确定为向伺服电动机输出控制电流大小的控制装置。
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