CN216286281U - 基于使用音圈电机与倍福plc核心算法的力闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开并提供一种基于使用音圈电机与倍福PLC核心算法的力闭环控制系统，使得力输出会更加稳定，还能实时调节力参数，并且设置了力与位置阈值保护，增强了系统的安全性。本实用新型包括音圈电机、VCM驱动器、电源、倍福PLC控制器、力传感器，信号放大器、压棒、安装支架组成；电源分别给VCM驱动器等供电；倍福PLC控制器分别与VCM驱动器和信号放大器的反馈连接；力传感器固定安装于音圈电机的下方，将力传感器信号传输给信号放大器；信号放大器将力传感器信号放大后传输给倍福PLC控制器；倍福PLC控制器根据接收到的力传感器信号发送相应的控制信号给VCM驱动器，再由VCM驱动器控制音圈电机。本实用新型应用于力闭环控制系统的技术领域。

Description

基于使用音圈电机与倍福PLC核心算法的力闭环控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种力闭环控制系统,特别涉及一种基于使用音圈电机与倍福PLC核心算法的力闭环控制系统。

背景技术

音圈电机(Voice Coil Motor)是一种特殊形式的直接驱动电机。具有结构简单体积小、高速、高加速响应快等特性。其工作原理是，通电线圈(导体)放在磁场内就会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例.基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直线或者圆弧，故此类电机分为圆柱型音圈电机和摆动型音圈电机。市场上圆柱型音圈电机系列应用相当广泛。这种电机有很高的加速率，能够产生0.7N-1000N的强大动力，而其行程少于50mm。该款电机主要应用在医疗、半导体、航空、汽车等领域，包括阀门制动器，小型精密替换测量仪、压力检测、振动平台以及主动式减振系统等众多方面。本方案采用的是圆柱形音圈电机。

倍福PLC与家喻户晓的西门子相比，倍福（Beckhoff）并不为众人所知，虽然二者都是德国品牌，但风格却截然不同。西门子唯我独尊，不管是通信协议还是编程语言都不开放，让人又爱又恨；倍福则兼容并蓄，采用通用的windows操作系统，支持标准的IEC 61131-3编程语言，总线通讯EtherCAT也是开放的。

而现有技术的实现方式大多数都是开环控制，音圈电机力控制方式大多采用的是开环电流的控制，简单来说驱动器根据电流值的不同来让音圈电机运动，电机运动行程与待测产品发生接触时会产生力，用控制音圈电机电流值的来控制力。在现有技术中，音圈电机用于压力检测时的力控制大多采用的是开环电流的控制方式，这种方式无法实时反馈实际的力值，而只能返回电流值，并且在开环控制下不能及时的根据实际情况改变电流的输出，导致力的稳定性不足，控制性较差。

当然目前也有一些基于音圈电机驱动的闭环力控制系统，比如公开号为CN211307555U的中国专利申请，其公开了一种一种基于音圈电机驱动的闭环力控制系统，包括一座台及设置在座台上的竖支撑座，还包括一设有音圈电机的上压头机构、一下压头组件以及一产品输送机构，本实用新型音圈电机驱动的闭环力控制系统用于FPC与显示屏的绑定，使用音圈电机驱动绑定上压头结构运动，在下压头结构底部安装力传感器，当上压头下压时，力传感器不间断检测上压头和下压头对所绑定产品施加的力，由传感力将施加的力反馈系统，系统将反馈的信息传递到音圈电机控制系统，音圈电机处于闭环控制系统，根据力传感器所反馈的数据可自动调节下压头对绑定产品时所施加的压力，确保产品绑定时所受的压力的稳定性，以达到生产的快速生产。但该系统并未公开采用何种控制手段得以实现。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种基于使用音圈电机与倍福PLC核心算法的力闭环控制系统，使得力输出会更加稳定，还能实时调节力参数，并且设置了力与位置阈值保护，增强了系统的安全性。

本实用新型所采用的技术方案是：本实用新型包括音圈电机、VCM驱动器、电源、倍福PLC控制器、力传感器，信号放大器、压棒、安装支架组成；

电源分别给VCM驱动器、倍福PLC控制器、信号放大板、力传感器，信号放大器供电；

倍福PLC控制器分别与VCM驱动器和信号放大器的反馈连接；

力传感器固定安装于音圈电机的下方，将力传感器信号传输给信号放大器；

将压棒固定在力传感器的下方，待测设备位于压棒下方；

信号放大器将力传感器信号放大后传输给倍福PLC控制器；

倍福PLC控制器根据接收到的力传感器信号发送相应的控制信号给VCM驱动器，再由VCM驱动器控制音圈电机；

安装支架为各部件提供支撑。

基于使用音圈电机与倍福PLC核心算法的力闭环控制系统的控制方法为：设置好输入参数；然后启动力测试，然后倍福PLC程序开始运行，运行前先检测参数是否合理，若参数异常，则跳到异常结束，结束此次试验；参数合理则进入力测试模块初始化，然后控制VCM驱动器以移动至近点位置，检测此时的运动状态，即电机轴是否正常，此时力传感器是否有值，若运动状态异常，则跳转到异常结束；若运动状态正常，则继续向下运动，直至找到力传感器数值变化点，即压棒与待测产品接触点，在该位置时会判断是否处于力与位置保护的范围内，若大于保护范围，则电机轴立即停止，并返回至初始位置，然后在以低速向下移动，力传感器数值逐渐增大，当传感器力值>=5g时，让电机轴停止；停止后，切换VCM驱动器的运动模式为力矩模式，然后进行PID力矩整定，并开始计算上升时间；然后判断当前压力值是否达到设定的压力值范围，未达到，则继续PID整定，直到当前压力值达到设定力范围，则进入稳态，开始计算稳态时间；当达到稳态时间后，切换VCM驱动器的运动模式为位置模式，运动到初始位置；流程正常结束。

进一步，所述输入参数包括测试力值，稳态时间，PID参数值，初始位置，近点位置，力与位置保护参数。

进一步，所述力矩模式的默认模式为位置模式。

本实用新型的有益效果是：本实用新型使用音圈电机用于力检测时的力控制方式采用的是位置模式和力矩模式。通过音圈电机的运动模式切换，先采用位置模式运动至待测产品的近点，再切换为力矩模式，将力传感器的反馈力输入至PID控制器实时调整力矩并输出至VCM驱动器，完成后切换到位置模式返回初始位置，从而完成一次力的测试。

本实用新型的控制方法：通过倍福PLC来控制音圈电机向下Z方向运动时，与待测产品接触时，压力传感器出现数值。通过压力传感器的反馈给倍福PLC，然后PLC进行PID整定，PID输出参数给驱动器,进而控制电机的运动。当达到当前压力值达到设定的压力值范围，便计算保持力的时间。当保持当前力的时间达到稳态时间后，电机上升至初始位置。测试结束。通过直接在音圈电机下方安装力传感器，可以实时反馈力值给控制器，获取实时的压力值，并输出压力波形，在倍福PLC中有了力的反馈，可以实现闭环控制。闭环控制下的力输出会更加稳定，还能实时调节力参数。并且设置了力与位置阈值保护，增强了系统的安全性。

附图说明

图1是本实用新型的电气连接简图；

图2是本实用新型的测试状态示意图；

图3是本实用新型的压力波形图；

图4是本实用新型的控制流程图。

具体实施方式

一、以下为术语解释：

1.PLC:可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)。

2.倍福:Beckhoff，即德国倍福自动化有限公司，主要从事工业自动化生产，PLC厂家。

3.PID:在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、…）。

4.上升时间和稳态时间

(1)上升时间，指的是压力值由0到(设定压力值-允许误差值) 所需要的时间；

(2)稳态时间，值的当前压力值处于 [设定压力值-允许误差值，设定压力值+允许误差值]范围内的时间。

例如：力控制波形的参数值设置为：压力值=100g，稳态时间=500ms，允许误差范围为压力值的±2%。

即上升时间为压力值由 0g到98g的所需时间。

稳态时间为压力值处于98g到102g的时间时，电机回零位，力控制流程结束。

5.开环控制与闭环控制

(1)开环控制：无反馈信息的系统控制方式。当操作者启动系统，使之进入运行状态后，系统将操作者的指令一次性输向受控对象。

(2)闭环控制：控制论的一个基本概念。指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。

区别：有无反馈；是否对当前控制起作用。开环控制一般是在瞬间就完成的控制活动，闭环控制一定会持续一定的时间。

6.音圈电机（音圈马达） （Voice Coil Actuator/ Voice Coil Motor），是一种将电能转化为机械能的装置，并实现直线型及有限摆角的运动。利用来自永久磁钢的磁场与通电线圈导体产生的磁场中磁极间的相互作用产生有规律的运动的装置。因为音圈马达是一种非换流型动力装置，其定位精度完全取决于反馈及控制系统，与音圈马达本身无关。采用合适的定位反馈及感应装置其定位精度可以轻易达到10NM，加速度可达300g（实际加速度也取决于负载物的状况）。

二、下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：

如图1是压力值=600g稳态时间=5000ms的压力波形结果。上升时间为50ms,试验中的压力误差值也处于正常误差范围内。

如图2、图3所示，所述基于使用音圈电机与倍福PLC核心算法的力闭环控制系统包括音圈电机、VCM驱动器、电源、倍福PLC控制器、力传感器，信号放大器、压棒、安装支架组成；

电源分别给VCM驱动器、倍福PLC控制器、信号放大板、力传感器，信号放大器供电；

倍福PLC控制器分别与VCM驱动器和信号放大器的反馈连接；

力传感器固定安装于音圈电机的下方，将力传感器信号传输给信号放大器；

将压棒固定在力传感器的下方，待测设备位于压棒下方；

信号放大器将力传感器信号放大后传输给倍福PLC控制器；

倍福PLC控制器根据接收到的力传感器信号发送相应的控制信号给VCM驱动器，再由VCM驱动器控制音圈电机；

安装支架为各部件提供支撑。

待测产品为平台上的待压产品，电机轴、压力传感器、压棒为一体，上下Z轴方向运动。

测试说明：

初始位置:即电机的安全位；

近点位置：指的是压棒与待测产品接触前一个位置，简而言之就是移动到该位置时，压棒与待测产品之间还有一定间隙，并没有完全接触，并且由于待测产品的高度都略有不同，所以近点位置要考虑好；

力与位置保护参数：指的是允许传感器最大的受力值与轴最大的位置行程保护，当任意条件触发时，电机直接移动至初始位置，用于保护传感器与待测产品；

PID力矩整定：输入参数：当前力，设定力，最大输出力矩值，最小输出力矩值；

输出参数：力矩值

当 当前反馈力<<设定力 时，PID输出力矩值远远增大；

当 当前反馈力<设定力 时，PID输出力矩值缓慢增大；

当 当前反馈力=设定力 时 ，PID输出力矩值不变；

当 当前反馈力>设定力 时 ，PID输出力矩值缓慢减小；

当 当前反馈力>>设定力 时 ，PID输出力矩值迅速减小。

设置好输入参数，如测试力值，稳态时间，PID参数值，初始位置，近点位置，力与位置保护参数。然后启动力测试，然后倍福PLC程序开始运行，运行前先检测参数是否合理(若参数异常，则跳到异常结束，结束此次试验)。参数合理则进入力测试模块初始化，然后控制VCM驱动器以移动至近点位置，检测此时的运动状态，即电机轴是否正常，此时力传感器是否有值(若运动状态异常，则跳转到异常结束。)，若运动状态正常，则继续向下运动，直至找到传感器数值变化点，即压棒与待测产品接触点(在该位置时会判断是否处于力与位置保护的范围内，若大于保护范围，则轴立即停止，并返回至初始位置)，然后在以低速向下移动，可以看见传感器数值逐渐增大，当传感器力值>=5g时，让轴停止。停止后，切换驱动器的运动模式为力矩模式（默认模式为位置模式），然后进行PID力矩整定，并开始计算上升时间。然后判断当前压力值是否达到设定的压力值范围，未达到，则继续PID整定，直到当前压力值达到设定力范围，则进入稳态，开始计算稳态时间。当达到稳态时间后，切换驱动器的运动模式为位置模式，运动到初始位置。流程正常结束。

与现有技术相比，本实用新型有以下优势点：

1、实时监测。有压力传感器的力值反馈，能够更好地检测压力波形以及控制；

2、稳定性高。使用闭环控制的方式能整个系统更加稳定，更加可控。

3、适用性强。并且能够根据不同待测产品，通过更改PID参数，可以达到类似的压力效果；

4、压力波形效果更好。闭环控制方式，压力波形不会出现较大的过冲和压力值不稳定的情况出现；

5、安全性。设置了力与位置阈值保护，避免损坏传感器和待测产品。

虽然本实用新型的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本实用新型含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。

Claims (1)

1.基于使用音圈电机与倍福PLC核心算法的力闭环控制系统，其特征在于：其包括音圈电机、VCM驱动器、电源、倍福PLC控制器、力传感器，信号放大器、压棒、安装支架组成；

电源分别给VCM驱动器、倍福PLC控制器、信号放大板、力传感器，信号放大器供电；

倍福PLC控制器分别与VCM驱动器和信号放大器的反馈连接；

力传感器固定安装于音圈电机的下方，将力传感器信号传输给信号放大器；

将压棒固定在力传感器的下方，待测设备位于压棒下方；

信号放大器将力传感器信号放大后传输给倍福PLC控制器；

倍福PLC控制器根据接收到的力传感器信号发送相应的控制信号给VCM驱动器，再由VCM驱动器控制音圈电机；

安装支架为各部件提供支撑。

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