專利名稱：一種機(jī)床重力負(fù)載電氣配重的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種機(jī)床垂直坐標(biāo)控制方法，尤其涉及一種機(jī)床重力負(fù)載電氣配
重的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
機(jī)床的垂直坐標(biāo)由于運(yùn)動部件重力作用，導(dǎo)致上行運(yùn)動與下行運(yùn)動負(fù)載差異大，常規(guī)的閉環(huán)控制很難同時滿足差異如此之大的兩種負(fù)載情況。傳統(tǒng)的技術(shù)方案采用機(jī)械配重或液壓氣動裝置配重解決此問題。機(jī)械配重將直接增加系統(tǒng)的運(yùn)動慣量，將不利于機(jī)床快速工作；液壓氣動配重方案成本較高，存在阻尼大和"跑冒滴漏"的缺陷。因此一種更為有效的配重系統(tǒng)急需被研制。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型針對以上問題的提出，而研制一種利用閉環(huán)控制方法通過數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動的控制技術(shù)，在垂直驅(qū)動坐標(biāo)驅(qū)動系統(tǒng)電流環(huán)增加轉(zhuǎn)矩偏移指令，在速度環(huán)和位置環(huán)分別采用不同的控制策略實(shí)現(xiàn)雙向的高性能運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)對重力負(fù)載的電氣配重的系統(tǒng)。其具體技術(shù)方案如下 對于垂直運(yùn)動的坐標(biāo)，重力負(fù)載是恒定存在的。為了抵消其作用，可以在對電機(jī)控
制的電流環(huán)輸入端加一個恒定轉(zhuǎn)矩分量，其控制模型等效于電流環(huán)前饋。該轉(zhuǎn)矩分量可以
根據(jù)垂向驅(qū)動電機(jī)與負(fù)載間傳動關(guān)系及重力負(fù)載計(jì)算得到。此外在速度環(huán)和位置環(huán)均區(qū)份
正向運(yùn)動和反向運(yùn)動，采用不同的控制模型，以適應(yīng)正向負(fù)載和反向負(fù)載的差異。 —種機(jī)床重力負(fù)載電氣配重的系統(tǒng)，包括電流閉環(huán)控制器、位置閉環(huán)控制器、速度
閉環(huán)控制器、位置反饋采集器、速度反饋計(jì)算器、電流采集器和實(shí)時鐘； 所述位置閉環(huán)控制器，用于進(jìn)行系統(tǒng)位置閉環(huán)控制，并且其輸出作為速度閉環(huán)控制器的輸入指令輸入； 所述速度閉環(huán)控制器，用于進(jìn)行系統(tǒng)速度閉環(huán)控制； 所述實(shí)時鐘，用于觸發(fā)各采集器、各控制器和計(jì)算器周期性的工作； 所述電流閉環(huán)控制器包括電流比較器、電流調(diào)節(jié)器、P麗控制器和逆變器； 其特征在于還包括平衡轉(zhuǎn)矩計(jì)算器，用于負(fù)責(zé)計(jì)算平衡垂直坐標(biāo)重力所需的轉(zhuǎn)
矩，并轉(zhuǎn)化為電流后，以指令的方式直接施加在電流閉環(huán)控制器中的指令端； 所述電流比較器，用于將速度閉環(huán)控制器計(jì)算輸出的電流指令與來自電流采集器
的有效反饋電流進(jìn)行比較求差，再與來自平衡轉(zhuǎn)距計(jì)算器求得的配重平衡電流求和，共同
輸出給電流調(diào)節(jié)器； 所述電流調(diào)節(jié)器，用于進(jìn)行電流環(huán)調(diào)節(jié)運(yùn)算； 所述P麗控制器，用于將電流調(diào)節(jié)器輸出的結(jié)果轉(zhuǎn)化為能夠驅(qū)動逆變器的P麗信號； 所述逆變器，用于在P麗控制信號的控制下，通過驅(qū)動開關(guān)功率器件，將直流電壓轉(zhuǎn)化為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電流，進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動； 所述平衡轉(zhuǎn)矩計(jì)算器同電流比較器相連接，所述速度閉環(huán)控制器和電流采集器分別與電流比較器相連接；所述電流比較器進(jìn)行作差求和后將輸出傳送到與其相連的電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行運(yùn)算后，將結(jié)果發(fā)送到與其相連的P麗控制器中進(jìn)行P麗信號的轉(zhuǎn)換后，傳送到與P麗控制器連接的逆變器中進(jìn)行電機(jī)的控制。 本實(shí)用新型提出的機(jī)床重力負(fù)載電氣配重的系統(tǒng)采用自動控制原理，通過數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對重力負(fù)載的電氣配重，針對上行和下行不同的負(fù)載情況采用不同的控制策略，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床在垂直方向的雙向平穩(wěn)運(yùn)行，同時避免了機(jī)械配重與液壓氣動配重的缺陷，簡化了機(jī)床結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)床的性能和可靠性。由于其結(jié)構(gòu)簡單、便于生產(chǎn)，并且大幅度的降低了成本適于在豎直機(jī)床領(lǐng)域廣泛推廣。

圖1為本實(shí)用新型所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的位置閉環(huán)控制器的控制流程圖； 圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的速度閉環(huán)控制器的控制流程圖。
具體實(shí)施方式如圖1所示采用電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)的常用電機(jī)控制系統(tǒng)，在電流環(huán)輸入端加一個恒定轉(zhuǎn)矩分量，其控制模型等效于電流環(huán)前饋。控制系統(tǒng)可以有多種實(shí)現(xiàn)方式。對于電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)可以全部在伺服驅(qū)動器中實(shí)現(xiàn)；也可以全部在數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)；也可以僅有位置環(huán)或位置環(huán)及速度環(huán)在數(shù)控系統(tǒng)中，而電流環(huán)在伺服驅(qū)動器中。因此有關(guān)運(yùn)算可以由數(shù)控系統(tǒng)的CPU或DSP軟件實(shí)現(xiàn)，也可以由伺服驅(qū)動的CPU或DSP軟件實(shí)現(xiàn)，也可以由數(shù)控系統(tǒng)中或伺服驅(qū)動中的FPGA可編程芯片實(shí)現(xiàn)。 如圖2所示為本實(shí)用新型的一種實(shí)現(xiàn)方式，位置閉環(huán)在數(shù)控系統(tǒng)中完成，速度閉環(huán)和電流閉環(huán)在伺服驅(qū)動器中實(shí)現(xiàn)。處于數(shù)控系統(tǒng)中的位置閉環(huán)控制器由以下幾部分構(gòu)成實(shí)時鐘，主要負(fù)責(zé)定時觸發(fā)位置閉環(huán)控制；伺服通訊主站接口，主要負(fù)責(zé)數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動間的通訊，可以采用多種工業(yè)現(xiàn)場總線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)；位置信息解析器，主要負(fù)責(zé)從伺服通訊主站接口中得到位置反饋信息，并轉(zhuǎn)化為數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置值，以及與位置給定相同的單位；位置反饋比較器，主要負(fù)責(zé)將位置信息解析器得到的位置信息與位置給定比較，并且求差得到位置隨動誤差，判斷該誤差的方向，分別派發(fā)給正向位置調(diào)節(jié)器和反向位置調(diào)節(jié)器。位置反饋比較器是在實(shí)時鐘的驅(qū)動下，周期性工作。其每個周期的工作流程如下圖所示正向位置調(diào)節(jié)器、反向位置調(diào)節(jié)器，主要負(fù)責(zé)特定方向的位置閉環(huán)計(jì)算。區(qū)分正反向的位置閉環(huán)算法可以更好地適應(yīng)垂直坐標(biāo)正反方向不同的負(fù)載情況。兩者可以采用不同的控制算法及參數(shù)。通常可以采用包括PID結(jié)合前饋的控制算法實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)器也是在實(shí)時鐘的調(diào)度下工作。調(diào)節(jié)器輸出速度指令通過伺服通訊主站接口傳送給伺服系統(tǒng)，其工作過程如圖3所示。 伺服驅(qū)動器中采用本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)現(xiàn)可以由以下幾部分構(gòu)成。實(shí)時鐘，主要負(fù)責(zé)觸發(fā)位置采樣器、速度閉環(huán)控制器和電流閉環(huán)控制器周期性的工作。位置反饋采集器，主要負(fù)責(zé)定時采集來自角度或長度位置傳感器的位置信息，同時該采集器還具有通過伺服
通訊從站接口向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送位置信息的功能(位置反饋通常來自于包括光柵尺在內(nèi)的
長度位置傳感器或包括旋轉(zhuǎn)編碼器和圓光柵在內(nèi)的角度位置傳感器)。伺服通訊從站接口 ，
主要負(fù)責(zé)伺服驅(qū)動與數(shù)控系統(tǒng)間的通訊，包括接收來自數(shù)控系統(tǒng)的速度指令，以及向數(shù)控
系統(tǒng)傳遞位置信息?？梢圆捎枚喾N工業(yè)現(xiàn)場總線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)。電流閉環(huán)控制器，主要負(fù)責(zé)
電流閉環(huán)控制。由實(shí)時鐘觸發(fā)周期性地工作。電流閉環(huán)控制器主要包括以下幾部分構(gòu)成
平衡轉(zhuǎn)距計(jì)算器，主要負(fù)責(zé)計(jì)算平衡垂直坐標(biāo)重力所需的轉(zhuǎn)矩，并轉(zhuǎn)化為電流，提交電流比
較器。平衡轉(zhuǎn)矩分量為T，以指令的方式直接施加在電流環(huán)指令端，用以平衡垂直移動部件
重力作用。以滾珠絲杠傳動副為例，該指令確定過程如下所示 T = (M*g*L) / (2 Ji n) M垂直運(yùn)動質(zhì)量 g重力加速度 L絲杠導(dǎo)程 n傳動效率 對應(yīng)到電流前饋給定IT = T/KT KT轉(zhuǎn)矩系數(shù) 電流采集器，主要負(fù)責(zé)從電機(jī)測采集電流，經(jīng)過A/D變換，轉(zhuǎn)化為可以數(shù)字化處理的數(shù)字量。對于不同的電機(jī)采用不同的技術(shù)獲取有效的反饋電流。例如對于用此同步電機(jī)通常采用Clarke變換，再采用Park變換，將三相交流電轉(zhuǎn)換為id和iq分量，其中iq為有效的電流，作為反饋量，送電流比較器，參與電流環(huán)比環(huán)計(jì)算。電流比較器，主要負(fù)責(zé)將速度閉環(huán)控制器計(jì)算輸出的電流指令與來自電流采集器的有效反饋電流進(jìn)行比較求差，再與來自平衡轉(zhuǎn)距計(jì)算器求得的配重平衡電流求和，共同輸出給電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器，主要負(fù)責(zé)電流環(huán)調(diào)節(jié)運(yùn)算。通常先進(jìn)行調(diào)節(jié)運(yùn)算，可以采用PID調(diào)節(jié)算法，也可以采用包括模糊控制等其它控制算法。對于交流電機(jī)控制，通常計(jì)算結(jié)果尚需要進(jìn)行坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化為生成調(diào)制信號所需的電壓信號，例如逆Park變換。P麗控制器，主要負(fù)責(zé)將電流調(diào)節(jié)器輸出的結(jié)果轉(zhuǎn)化為能夠驅(qū)動逆變器的P麗信號。對于三相交流永磁同步電機(jī)，通常采用SVP麗技術(shù)。逆變器，主要負(fù)責(zé)在P麗控制信號的控制下，通過驅(qū)動開關(guān)功率器件，將直流電壓轉(zhuǎn)化為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電流，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的驅(qū)動。對于三相交流伺服電機(jī)，通常采用三相全橋逆變電路。 速度反饋計(jì)算器，主要負(fù)責(zé)處理來自位置反饋采集器得到的位置信息，采用固定時間的反饋計(jì)數(shù)(M法)或測量相鄰的兩個反饋量(反饋脈沖)之間的時間(T法)來計(jì)算當(dāng)前速度。速度閉環(huán)控制器，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制。由實(shí)時鐘觸發(fā)周期性地工作。速度閉環(huán)控制器主要包括以下幾部分構(gòu)成速度比較器，主要負(fù)責(zé)將位置信息解析器得到的速度信息與來自伺服通訊從站接口的速度給定比較，并且求差得到速度隨動誤差，判斷該誤差的方向，分別派發(fā)給正向速度調(diào)節(jié)器和反向速度調(diào)節(jié)器。速度比較器是在實(shí)時鐘的驅(qū)動下，周期性工作。正向速度調(diào)節(jié)器、反向速度調(diào)節(jié)器，主要負(fù)責(zé)特定方向的速度閉環(huán)計(jì)算。區(qū)分正反向的速度閉環(huán)算法可以更好地適應(yīng)垂直坐標(biāo)正反方向不同的負(fù)載情況。兩者可以采用不同的控制算法及參數(shù)。通?？梢圆捎冒≒ID結(jié)合前饋的控制算法實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)器也是在實(shí)時鐘的調(diào)度下工作。調(diào)節(jié)器輸出電流指令作為電流給定傳送給電流閉環(huán)控制器。其每個周期的工作流程如圖4所示。 以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的具體實(shí)施方式
，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本實(shí)用 新型的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之 內(nèi)。
權(quán)利要求一種機(jī)床重力負(fù)載電氣配重的系統(tǒng)，包括電流閉環(huán)控制器、位置閉環(huán)控制器、速度閉環(huán)控制器、位置反饋采集器、速度反饋計(jì)算器、電流采集器和實(shí)時鐘；所述位置閉環(huán)控制器，用于進(jìn)行系統(tǒng)位置閉環(huán)控制，并且其輸出作為速度閉環(huán)控制器的輸入指令輸入；所述速度閉環(huán)控制器，用于進(jìn)行系統(tǒng)速度閉環(huán)控制；所述實(shí)時鐘，用于觸發(fā)各采集器、各控制器和計(jì)算器周期性的工作；所述電流閉環(huán)控制器包括電流比較器、電流調(diào)節(jié)器、PWM控制器和逆變器；其特征在于還包括平衡轉(zhuǎn)矩計(jì)算器，用于負(fù)責(zé)計(jì)算平衡垂直坐標(biāo)重力所需的轉(zhuǎn)矩，并轉(zhuǎn)化為電流后，以指令的方式直接施加在電流閉環(huán)控制器中的指令端；所述電流比較器，用于將速度閉環(huán)控制器計(jì)算輸出的電流指令與來自電流采集器的有效反饋電流進(jìn)行比較求差，再與來自平衡轉(zhuǎn)距計(jì)算器求得的配重平衡電流求和，共同輸出給電流調(diào)節(jié)器；所述電流調(diào)節(jié)器，用于進(jìn)行電流環(huán)調(diào)節(jié)運(yùn)算；所述PWM控制器，用于將電流調(diào)節(jié)器輸出的結(jié)果轉(zhuǎn)化為能夠驅(qū)動逆變器的PWM信號；所述逆變器，用于在PWM控制信號的控制下，通過驅(qū)動開關(guān)功率器件，將直流電壓轉(zhuǎn)化為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電流，進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動；所述平衡轉(zhuǎn)矩計(jì)算器同電流比較器相連接，所述速度閉環(huán)控制器和電流采集器分別與電流比較器相連接；所述電流比較器進(jìn)行作差求和后將輸出傳送到與其相連的電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行運(yùn)算后，將結(jié)果發(fā)送到與其相連的PWM控制器中進(jìn)行PWM信號的轉(zhuǎn)換后，傳送到與PWM控制器連接的逆變器中進(jìn)行電機(jī)的控制。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種機(jī)床重力負(fù)載電氣配重的系統(tǒng)，包括電流閉環(huán)控制器、位置閉環(huán)控制器、速度閉環(huán)控制器、位置反饋采集器、速度反饋計(jì)算器、電流采集器和實(shí)時鐘；其特征在于還包括電流比較器、電流調(diào)節(jié)器、PWM控制器和逆變器。通過在垂直驅(qū)動坐標(biāo)驅(qū)動系統(tǒng)電流環(huán)增加轉(zhuǎn)矩偏移指令，在速度環(huán)和位置環(huán)分別采用不同的控制策略實(shí)現(xiàn)雙向的高性能運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)對重力負(fù)載的電氣配重的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用自動控制原理，通過數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對重力負(fù)載的電氣配重，避免了機(jī)械配重與液壓氣動配重的缺陷，簡化了機(jī)床結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)床的性能和可靠性，適于在豎直機(jī)床領(lǐng)域廣泛推廣。
文檔編號G05B19/414GK201548840SQ20092024822
公開日2010年8月11日 申請日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者于德海, 于本宏, 徐道明, 李文慶, 王慶朋, 鄭君民, 陳虎, 韓剛 申請人:大連科德數(shù)控有限公司