專(zhuān)利名稱(chēng)：用于弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的機(jī)電控制裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)電控制裝置及其控制方法，特別是一種用于弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的機(jī)電控制裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
目前，用于分度控制的技術(shù)主要有兩大類(lèi)數(shù)字控制方式和機(jī)械方式；數(shù)字控制方式是用伺服控制器控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分度傳動(dòng)，它具有定位精度高、分度方式可控等優(yōu)點(diǎn)，但生產(chǎn)成本高、傳動(dòng)功率低，主要用于加工中心換刀機(jī)構(gòu)等輕載、要求高精度定位的場(chǎng)合；弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)是最常用的一種機(jī)械式定比分度機(jī)構(gòu)，它一般由三相交流電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、傳動(dòng)功率大等優(yōu)點(diǎn)，它主要用于間歇傳動(dòng)，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化機(jī)械中；但是，由于它的加減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、制造和裝配誤差以及電機(jī)機(jī)械特性等因素，存在大幅度周期變化的動(dòng)載荷擾動(dòng)，形成嚴(yán)重的沖擊與振動(dòng)，極大影響了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分度定位精度，高速運(yùn)行時(shí)尤為明顯。如何提高整個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度成為目前弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)研究領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，目前對(duì)弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的研究主要集中在通過(guò)改變弧面分度凸輪的輪廓曲線、滾子形狀和凸輪機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)部分來(lái)達(dá)到優(yōu)化傳動(dòng)精度的目的，但效果不理想。

發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種以實(shí)現(xiàn)高速、高精度、重載荷下分度傳動(dòng)為目的，能夠提高弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)定位精度、減少其沖擊和振動(dòng)的用于弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的機(jī)電控制裝置及其控制方法。
本發(fā)明是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的一種用于弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的機(jī)電控制裝置及其控制方法，控制裝置包括電動(dòng)機(jī)、弧面分度凸輪箱、聯(lián)軸器和底座，它還包括非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器，非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器、電動(dòng)機(jī)和弧面分度凸輪箱都固定在底座上，電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與弧面分度凸輪箱相連，非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器與弧面分度凸輪箱之間通過(guò)連接電纜線相連。
所述的非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器由微處理器、存儲(chǔ)器、外圍接口電路、整流電路、功率逆變器、功率驅(qū)動(dòng)電路、電流傳感器和電平轉(zhuǎn)換電路組成，它們之間實(shí)行電連接。
所述的微處理器用集成電路TMS320F240，它內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以及PWM生成電路；存儲(chǔ)器為由兩片集成電路IS61C64擴(kuò)展成64K×16位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；整流電路采用電橋整流，電流傳感器采用電壓型霍爾傳感器，功率逆變器用集成電路PM25RSB120，功率驅(qū)動(dòng)電路為6N137和隔離電路，點(diǎn)平轉(zhuǎn)換采用電阻網(wǎng)絡(luò)。
上述用于弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的機(jī)電控制裝置的控制原理如下
1、建立弧面凸輪機(jī)構(gòu)-電機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型，它是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的高階微分方程，采用李亞普諾夫(Lyapunov)反饋解偶原理對(duì)其進(jìn)行解偶變換，獲得系統(tǒng)的解偶數(shù)學(xué)模型。
2、結(jié)合弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)周期分度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的力矩波動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分量進(jìn)行前饋補(bǔ)償；轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)的前饋補(bǔ)償通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩電流的補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)，具體做法是在電流反饋轉(zhuǎn)矩分量控制的基礎(chǔ)上，增加轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償分量νq，非線性解耦補(bǔ)償控制方程為uduq=-npωid-αMid2ψd-αβψd+vdnpβωψd+npωiq+αMiqψd+vq]]>其中νq，νd分別是q軸和d軸補(bǔ)償分量，由滑模變結(jié)構(gòu)擾動(dòng)觀測(cè)方程求得vdvq=ocv]]>ν＝ψ1x1ψ1=α1x1s>0β1x1s<0]]>s＝c1x1+x2其中x1是相鄰電流采樣周期中轉(zhuǎn)矩電流的變化值，x2是x1的微分。σ＝1-(M2/LsLr)，α＝(RrN/Lr)，β＝(M/σLsLr)，γ=(M2/σLr2)+(Rs/σLs),]]>μ＝(npM/JLr)；ψd=ψa2+ψb2;]]>J＝Jm+Jb，為作用在電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
控制方法如下1、處理器中的控制程序通過(guò)非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器中的電流傳感器實(shí)時(shí)采集輸入電動(dòng)機(jī)的三相電流的幅值，然后，經(jīng)控制程序中的轉(zhuǎn)速觀測(cè)模塊估算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角，根據(jù)流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流的幅值和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角，計(jì)算出此時(shí)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并推算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；通過(guò)控制程序中的磁通觀測(cè)模塊得到此時(shí)電動(dòng)機(jī)磁通的觀測(cè)值。
2、控制程序中的滑模變結(jié)構(gòu)擾動(dòng)觀測(cè)模塊，即滑模變結(jié)構(gòu)擾動(dòng)觀測(cè)方程計(jì)算出轉(zhuǎn)矩電流補(bǔ)償控制量。
3、磁鏈和轉(zhuǎn)速的設(shè)定值與實(shí)際值的差經(jīng)控制程序中的調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，與轉(zhuǎn)矩電流的補(bǔ)償控制量一起輸入控制程序中的非線性解藕補(bǔ)償控制模塊，即非線性解耦補(bǔ)償控制方程，完成轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償實(shí)時(shí)控制，輸出經(jīng)2/3變換后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
本發(fā)明將弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為一個(gè)機(jī)電系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的周期運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性，采用機(jī)電耦合控制的方法，對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償控制，改進(jìn)凸輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，達(dá)到改進(jìn)弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)性能的目的。與普通弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)相比，可在制造成本略有增加的條件下，使弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的定位精度提高20％--40％，振動(dòng)減小20％。本發(fā)明具有能夠提高弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)定位精度、減少其沖擊和振動(dòng)的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明中非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器的電氣結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為本發(fā)明中非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器控制原理圖。
圖4為本發(fā)明中非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器電路原理圖。
其中，1、連接電纜線，2、電動(dòng)機(jī)，3、連軸器，4、弧面分度凸輪箱，5、底座，6、非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器，7、微處理器，8、存儲(chǔ)器，9、外圍接口電路，10、復(fù)位、晶振等其他輔助電路，11、整流電路，12、功率逆變器，13、功率驅(qū)動(dòng)電路，14、電流傳感器，15、電平轉(zhuǎn)換電路，16、電源，17、調(diào)節(jié)器，18、滑模變結(jié)構(gòu)擾動(dòng)觀測(cè)模塊，19、磁通觀測(cè)模塊，20、非線性解耦補(bǔ)償控制模塊，21、轉(zhuǎn)速觀測(cè)模塊，22、靜止-旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊，23、旋轉(zhuǎn)-靜止坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，本發(fā)明中非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器電路原理圖如圖4所示，控制裝置包括電動(dòng)機(jī)2、弧面分度凸輪箱4、聯(lián)軸器3、底座5和非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器6，電動(dòng)機(jī)2和弧面分度凸輪箱5都固定在底座5上，電動(dòng)機(jī)2通過(guò)聯(lián)軸器3與弧面分度凸輪箱4相連，非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器6與弧面分度凸輪箱4之間通過(guò)連接電纜線1相連。
非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器6由微處理器7、存儲(chǔ)器8、外圍接口電路9、復(fù)位、晶振等其他輔助電路10、整流電路11、功率逆變器12、功率驅(qū)動(dòng)電路13、電流傳感器14和電平轉(zhuǎn)換電路15組成。
非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器6的電路板分成電源板、處理器板和主回路板，它們之間通過(guò)電纜線連接，電源板提供±15V和5V電源。
微處理器7采用集成電路TMS320F240，它內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以及PWM生成電路，控制軟件存儲(chǔ)在它的閃存中；存儲(chǔ)器8由兩片集成電路IS61C64擴(kuò)展成64K×16位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；電流傳感器14采用電壓型霍爾傳感器，它的電流輸入范圍±30A，輸出電壓為±4V，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路15和鉗位處理后，得到0-5V的電壓信號(hào)輸入TMS320F240的模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口；TMS320F240輸出的PWM信號(hào)經(jīng)光電耦合器6N137隔離后，與功率逆變器12的控制極相連，功率逆變器選用PM25RS120；整流電路11采用電源經(jīng)電橋整流，經(jīng)400V330uF電解電容濾波后，得到直流電壓接入PM25RS120。
微處理器7中的控制程序按實(shí)時(shí)中斷方式工作，中斷周期為10毫秒，根據(jù)非線性解耦補(bǔ)償控制原理實(shí)現(xiàn)控制功能；具體的實(shí)施過(guò)程為微處理器7中的中斷服務(wù)子程序首先通過(guò)控制器6中的霍爾電流傳感器14實(shí)時(shí)采樣輸入電動(dòng)機(jī)2的三相電流的幅值；控制程序中的轉(zhuǎn)速觀測(cè)模塊21根據(jù)輸入電動(dòng)機(jī)的三相電流波形估算出電動(dòng)機(jī)2的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速(穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速在1480～1050r/min之間波動(dòng))；控制程序中的磁通觀測(cè)模塊19根據(jù)弧面凸輪-電機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和實(shí)際轉(zhuǎn)角，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際磁鏈。把它與設(shè)定值比較，計(jì)算出相應(yīng)的勵(lì)磁電流變化量。
控制程序中的滑模變結(jié)構(gòu)擾動(dòng)觀測(cè)模塊18推算出轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)，求出轉(zhuǎn)矩電流補(bǔ)償控制量；磁鏈和轉(zhuǎn)速設(shè)定值與實(shí)際值之差經(jīng)控制程序中的調(diào)節(jié)器17調(diào)節(jié)后，與轉(zhuǎn)矩電流補(bǔ)償控制量一起輸入控制程序中的非線性解耦控制模塊20，形成PWM驅(qū)動(dòng)指令來(lái)控制功率逆變器12的輸出。達(dá)到抑制電動(dòng)機(jī)2的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)的作用，從而使弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)在額定負(fù)載時(shí)的定位誤差從0.02mm減小到0.012mm，噪聲平均下降10分貝，工作速度越高，效果越明顯。
權(quán)利要求
1.一種用于弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的機(jī)電控制裝置及其控制方法，控制裝置包括電動(dòng)機(jī)、弧面分度凸輪箱、聯(lián)軸器和底座，其特征在于，它還包括非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器，非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器、電動(dòng)機(jī)和弧面分度凸輪箱都固定在底座上，電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與弧面分度凸輪箱相連，非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器與弧面分度凸輪箱之間通過(guò)連接電纜線相連。
2.如權(quán)利要求1所述的用于弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的機(jī)電控制裝置及其控制方法，其特征在于，所述的非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器由微處理器、存儲(chǔ)器、外圍接口電路、整流電路、功率逆變器、功率驅(qū)動(dòng)電路、電流傳感器和電平轉(zhuǎn)換電路組成，它們之間實(shí)行電連接。
3.如權(quán)利要求1所述的用于弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的機(jī)電控制裝置及其控制方法，其特征在于，所述的微處理器用集成電路TMS320F240，它內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以及PWM生成電路；存儲(chǔ)器為由兩片集成電路IS61C64擴(kuò)展成64K×16位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；整流電路采用電橋整流，電流傳感器采用電壓型霍爾傳感器，功率逆變器用集成電路PM25RSB120，功率驅(qū)動(dòng)電路為6N137和隔離電路，點(diǎn)平轉(zhuǎn)換采用電阻網(wǎng)絡(luò)。
4.一種用于弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的機(jī)電控制裝置及其控制方法，其特征在于，控制方法如下(1)微處理器通過(guò)非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器中的電流傳感器實(shí)時(shí)采集輸入電動(dòng)機(jī)的三相電流的幅值，經(jīng)轉(zhuǎn)速觀測(cè)模塊估算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角，根據(jù)流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流的幅值和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角計(jì)算出此時(shí)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并推算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)磁通觀測(cè)模塊得到此時(shí)電動(dòng)機(jī)磁通的觀測(cè)值。(2)滑模變結(jié)構(gòu)擾動(dòng)觀測(cè)模塊，即滑模變結(jié)構(gòu)擾動(dòng)觀測(cè)方程，計(jì)算出轉(zhuǎn)矩電流補(bǔ)償控制量。(3)磁鏈和轉(zhuǎn)速的設(shè)定值與實(shí)際值的差經(jīng)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，與轉(zhuǎn)矩電流的補(bǔ)償控制量一起輸入非線性解藕補(bǔ)償控制模塊，即非線性解耦補(bǔ)償控制方程，完成轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償實(shí)時(shí)控制，輸出經(jīng)2/3變換后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
全文摘要
用于弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的機(jī)電控制裝置及其控制方法，控制裝置包括電動(dòng)機(jī)、弧面分度凸輪箱、聯(lián)軸器和底座，它還包括非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器，非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器、電動(dòng)機(jī)和弧面分度凸輪箱都固定在底座上，電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與弧面分度凸輪箱相連，非線性擾動(dòng)補(bǔ)償控制器與弧面分度凸輪箱之間通過(guò)連接電纜線相連。本技術(shù)發(fā)明通過(guò)滑模變結(jié)構(gòu)擾動(dòng)觀測(cè)和非線性解耦補(bǔ)償控制技術(shù)，對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施主動(dòng)補(bǔ)償控制，降低負(fù)載變化對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的影響。本技術(shù)發(fā)明既可以提高弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的定位精度、又可以減少其在運(yùn)行中產(chǎn)生的沖擊和噪聲。
文檔編號(hào)H02K7/00GK1684356SQ200410024018
公開(kāi)日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2004年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月14日
發(fā)明者唐偉, 周以齊 申請(qǐng)人:山東大學(xué)