一种双电机同轴驱动消隙控制系统及其消隙控制方法

摘要

本发明公开了一种双电机同轴驱动消隙控制系统，包括上位机、主电机驱动器、从电机驱动器、第一电机、第二电机、第一机械传动链以及第二机械传动链；所述上位机分别经过现场总线与主电机驱动器和从电机驱动器相连，主电机驱动器经过第一电机与第一机械传动链相连，从电机驱动器经过第二电机与第二机械传动链相连，第一、第二机械传动链分别接入系统所驱动的负载。本发明还公开了一种基于所述双电机同轴驱动消隙控制系统的消隙方法。本发明在数字化控制的电机驱动器中二次编程，增加消隙控制环节，实现通用电机驱动器的双电机同轴驱动消隙控制，可根据需要方便设定消隙力矩的大小，将双电机的速度反馈信号接入控制回路中，避免差速震荡问题。

说明书

技术领域

本发明公开了一种双电机同轴驱动消隙控制系统及其所对应的消隙控制方 法，涉及双电机同轴驱动控制技术领域。

背景技术

在基于机械传动控制系统中，传动链非线性齿隙的存在不仅影响控制系统动 态性能也同时影响系统的定位精度。因此，在高精度定位精度控制领域，为提高 控制精度需要消除传动链齿隙。现有技术主要采用两种方法：机械消隙和双电机 同轴驱动进行消隙。

中国专利申请号：CN201210022983.X，申请日：2012年1月11日，专利名 称为：消隙齿轮，该发明涉及一种消隙齿轮，由纵分的齿轮片和消隙机构组成。 在齿轮啮合时，利用消隙机构对外侧齿轮片产生周向推力，使中间齿轮片与外侧 齿轮片发生错齿，在传动中消除了传动间隙。机械消隙方法的不足之处在于，该 方法是在传动链中增加机械消隙机构，使传动机构设计复杂，调试难度增加。随 着控制技术的不断发展，机械消隙的方法越来越少。

双电机同轴驱动消隙控制基本原理是基于力矩补偿的原理完成，控制电机消 隙方法之一如中国专利申请号：CN201010185282.9，申请日：2010年5月28 日，专利名称为：一种双电机驱动消隙装置及消隙方法，该专利消隙方法其特别 之处在于：通过电机控制系统的控制作用，在第一电机和第二电机运行的过程中， 始终保持第一电机的输出力矩与第二电机的输出力矩之差为一恒定值。这种消隙 方法的特点回避了两台驱动器之间的数据交换，使用简单，无需增加任何硬件。 此方法的不足之处在于，该方法是在两电机设置固定消隙力矩，不仅损失电机驱 动功率，同时由于固定消隙力矩大小相等、方向相反，因此影响双电机的同步性 能。

控制电机消隙方法二如中国专利申请号：CN200920232354.3，申请日：2009 年9月29日，专利名称为：交流伺服系统双机电消隙控制装置，该专利消隙方 法其特别之处在于：在两组交流驱动器之间连接一消隙控制电路；消隙控制电路 包括一个电流求和装置、一个能将电流信号转变为一个按力矩关系曲线调整的偏 置电压信号的函数发生器，依据力矩曲线关系调整消隙力矩。这种消隙方法没有 上述控制电机消隙方法之一的缺点，采用模拟消隙电路完成消隙控制，不足之处 在于，该方法是在两电机驱动器之间专门设计一消隙电路，增加硬件成本和安装 空间，同时这种方法实际调试较为复杂。

目前随着控制技术的不断发展，电机驱动器智能化、数字化程度越来越高， 可根据应用需求在通用电机驱动器提供基本功能基础上进行适当连接和二次编 程，完成不同的应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种双电机同轴 驱动消隙控制系统及其所对应的消隙控制方法，无需额外增加硬件，通过在数字 化控制的电机驱动器中二次编程，增加消隙控制环节，实现通用电机驱动器的双 电机同轴驱动消隙控制，并可根据需要方便设定消隙力矩的大小，且将双电机的 速度反馈信号同时接入的控制回路中，避免双电机同轴驱动常见的差速震荡问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种双电机同轴驱动消隙控制系统，包括上位机、主电机驱动器、从电机驱 动器、第一电机、第二电机、第一机械传动链以及第二机械传动链；所述上位机 分别经过现场总线与主电机驱动器和从电机驱动器相连，主电机驱动器经过第一 电机与第一机械传动链相连，从电机驱动器经过第二电机与第二机械传动链相连， 第一、第二机械传动链分别接入系统所驱动的负载；上位机产生运动控制的轨迹， 通过现场总线实现对主电机驱动器的控制，同时主电机驱动器和从电机驱动器向 上位机传输运行状态信息；主电机驱动器实现双电机同轴驱动控制系统中的速度 回路控制功能，同时完成消隙控制；从电机驱动器配合主电机驱动器实现消隙控 制。

作为本发明的进一步优选方案，所述上位机包括第一现场接口；所述主电机 驱动器包括第二现场接口、第一高速输出通信口、第一高速输入通信口、信号调 理模块、速度回路、第一消隙控制模块、第一速度反馈模块、第一力矩回路和第 一附加力矩模块；所述从电机驱动器包括第三现场接口、第二高速输入通信口、 第二高速输出通信口、第二速度反馈模块、第二消隙控制模块、第二附加力矩模 块和第二力矩回路；上位机的第一现场接口经过现场总线分别与主电机驱动器中 的第二现场接口和从电机驱动器中的第三现场接口相连，此链路用于传输上位机 中的速度命令信息；主电机驱动器通过第一高速输出通信口与从电机驱动器的第 二高速输入通信口相连接，用于传输速度回路的输出；从电机驱动器通过第二高 速输出通信口与主电机驱动器的第一高速输入通信口相连接，此链路用于传输从 电机驱动器的实际转速；第一电机的实际转速信号经过第一速度反馈模块发送至 信号调理模块，第二电机的实际转速信号也发送至信号调理模块，信号调理模块 上述两个实际转速信号求和后除以2，发送至速度回路的输入端，速度回路的输 出端分别与第一消隙控制模块和第一力矩回路的第一输入端相连接，第一消隙控 制模块的输出端经过第一附加力矩模块和第一力矩回路的第二输入端相连接，第 一力矩回路的输出端与第一电机相连接，实现对第一电机的控制；速度回路的输 出端还依次经过主电机驱动器的第一高速输出通信口、第二高速输入通信口后分 别与第二力矩回路的第一输入端和第二消隙控制模块的输入端相连接，第二消隙 控制模块的输出端经过第二附加力矩模块与第二力矩回路的第二输入端相连接， 第二力矩回路的输出端和第二电机相连接，实现对第二电机的控制。

作为本发明的进一步优选方案，所述上位机为PLC、工业控制计算机或DSP 控制器中的一种。

作为本发明的进一步优选方案，所述主电机驱动器和从电机驱动器需要具备 下述功能：

(1)具备速度控制模式或力矩控制模式；

(2)具备可编程运算的二次开发功能；

(3)具备用于主从同步控制的高速通讯口。

本发明还公开了一种基于所述双电机同轴驱动消隙控制系统的消隙方法，消 隙控制环节包括三种类型：

一、设定当双电机同轴驱动只需要输出力矩不需要消隙力矩的状态为状态A；

二、设定当双电机同轴驱动既需要输出力矩又需要消隙力矩消除机械传动齿 隙时的状态为状态B，状态B的情况下消隙力矩为设置的最大消隙值；

三、设定当双电机同轴驱动所需要输出力矩介于上述状态A和状态B之间 时的状态为状态C，状态C为产生消隙的过渡阶段，状态C将产生与需要输出 力矩相关联的偏置输出值。

作为本发明的进一步优选方案，所述消隙控制环节的具体计算方式为：

设定k为预先设置的单边最大偏置力矩值，x为主电机驱动器中速度回路的 输出值，y(x)为第一消隙控制模块参数设定值，将x取绝对值，

当|x|≥k时，采用状态A计算偏置力矩：y(x)＝0；

当|x|≤k/2时，采用状态B计算偏置力矩：y(x)＝k/2；

当k/2＜|x|≤k时，采用状态C计算偏置力矩：y(x)＝k-x/2；

将偏置力矩的计算值传输给偏置输出。

作为本发明的进一步优选方案，所述单边最大偏置力矩值设定为单台电机驱 动额定力矩的20％。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明的系统通过在主从驱动器中增加消隙控制环节，从而减少了两 台电机驱动器之间的数据交换数量，利用双电机驱动的现有硬件系统实现同轴驱 动消隙控制。

(2)本发明的系统在消隙控制环节采用双电机同轴驱动时利用状态法产生 需要的消隙力矩大小，容易在现有的数字化电机驱动中实现。

(3)本发明的系统在双电机同轴控制系统设置了双电机和速反馈，可有效 防止双电机同轴驱动系统差速震荡。

附图说明

图1为本发明的双电机同轴驱动消隙控制系统组成示意图；

图2为本发明的控制系统上位机及电机驱动器之间信息通信连接示意图；

图3为本发明的主电机驱动器内部控制流程示意图；

图4为本发明的从电机驱动器内部控制流程示意图；

图5为本发明的消隙控制计算过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

附图1是一种双电机同同轴驱动消隙控制系统组成示意图，它包括上位机， 所述上位机可选用如PLC、工业控制计算机或DSP等控制器均可以实现，本实 例选用PLC作为上位机；主电机驱动器、从电机驱动器，所选择的主电机驱动 器和从电机驱动器，可以选择通用的电机驱动器，但是必须具备如下三种功能： 1.可设置速度控制模式或力矩控制模式，2具备可编程运算的二次开发能力，3. 具备用于主从同步控制的高速通讯口，本发明以文献“9300标准型伺服控制器在 针梳机上的应用”(文献纺织机械，2007年5月)介绍的通用电机驱动器为例 说明实现方法)；第一电机；第二电机；第一机械传动链；第二机械传动链。

上位机产生运动控制的轨迹，通过现场总线实现对主电机驱动器的控制，同 时主电机驱动器、从电机驱动器通过现场总线向上位机传输运行状态信息，主电 机驱动器中完成双电机同轴驱动控制系统速度回路控制功能，同时完成消隙控制 功能；从电机驱动器仅完成消隙控制功能；主电机驱动器与第一电机及从电机驱 动器与第二电机是常规连接，在此不再赘述；第一电机通过第一机械传动链驱动 负载，第二电机通过第二机械传动链驱动负载，实现第一电机和第二电机共同同 轴驱动负载。

附图2为两台电机驱动器及上位机信息通信连接关系示意图，上位机中的第 一现场总线与主电机驱动器中的第二现场总线及从电机驱动器中的第三现场总 线相连，用于传输上位机中速度命令信息，同时主电机驱动器通过第二现场总线 以及从电机驱动器通过现场总线向上位机发送状态信息，这是多电机控制中的常 规应用。主电机驱动器通过高速通讯输出口与从电机驱动器的高速通讯输入口连 接，用于传输速度回路的输出；主电机驱动器通过高速通讯输入口与从电机驱动 器的高速通讯输出口连接，用于传输从电机驱动器的实际转速。

附图3为主电机驱动器的内部控制信号流程图，主电机驱动器通过第二现场 总线接收上位机传输的速度指令，信号调理模块通过高速通讯输入口接收从电机 驱动器高速通讯输出口传输的从电机驱动器的实际转速信号，同时接收第一速度 反馈，信号调理模块将这两个实际转速信号求和后除以2，作为主电机驱动器速 度回路的输入。速度回路输出送给主电机驱动器的第一力矩回路，同时送给第一 消隙控制，第一消隙控制的输出通过第一附加力矩传输给第一力矩回路，实现对 第一电机的控制；速度回路输出通过主电机驱动器的高速通讯输出口输出。

附图4为从电机驱动器的内部控制信号流程图，第二力矩回路通过高速通讯 输入口接收主电机驱动器传输来速度回路的输出信号，第二消隙控制也接收主电 机驱动器传输来速度回路的输出信号，消隙控制模块输出信号通过第二附加力矩 传输给第二力矩回路，实现对第二电机的控制。

附图5为消隙控制环节计算示意图，第一消隙控制中通过状态判断对双电机 消隙控制状态进行判断，共分为三种状态，即状态A为双电机同轴驱动需要较 大输出力矩，第一电机和第二电机共同驱动负载，此时无需消隙力矩；状态B 为双电机同轴驱动需要较小的力矩，第一电机和第二电机需要较大消隙力矩消除 机械传动齿隙，此时的消隙力矩为设置的最大消隙值；状态C为双电机同轴驱 动需要输出力矩介于状态A和状态B，为产生消隙的过渡阶段，产生和需要输 出力矩相关联的偏置输出。

消隙控制环节计算具体计算实现如下：

设k为预先设置的单边最大偏置力矩值，一般设为单台电机驱动额定力矩的 20％，可根据实际调试情况进行上下调整，x为主电机驱动器速度回路的输出值， 设y(x)第一消隙控制，则：

首先将x取绝对值(x值存在正负)，当x取绝对值大于等于k时，则采用状 态A计算偏置力矩；当x取绝对值小于k/2时，则采用状态B计算偏置力矩；当 x取绝对值大于等于k/2同时小于k时，则采用状态C计算偏置力矩。

状态A的计算方法是：y(x)＝0，此时|x|≥k；

状态B的计算方法是：y(x)＝k/2，此时|x|≤k/2；

状态C的计算方法是：y(x)＝k-x/2，此时k/2＜|x|≤k；

显然状态A、状态B8、状态C中只有一种状态出现，将这种状态计算后的 计算值传输给偏置输出。

第二消隙控制的计算过程与第一消隙控制计算过程相似，唯一不同在于将偏 置输出的结果取反，以此达到消隙的目的。

实现过程如下：

1.按附图3进行设置主电机驱动器为速度工作模式；设置主电机驱动器第一 高速输出通信口输出量为速度回路的输出；在主电机驱动器的软件环境中按附图 5进行第一消隙控制编程，并将消隙力矩输出连接到第一附加力矩；

2.设置从电机驱动器为力矩工作模式；设置从电机驱动器第二高速输入通信 口为第二力矩回路的输入；按附图5消隙控制环节计算示意图在从驱动器计算消 隙力矩，并将消隙力矩输出连接到第二附加力矩；设置从电机驱动器实际转速连 接到第二高速输出通信口；

3.按附图1、附图2连接双电机同轴驱动控制系统，将主电机驱动器设置 为速度控制模式、从电机驱动器设置为力矩控制模式，并按技术方案所述的方法 对驱动器进行配置和编程，即可完成双电机同轴驱动消隙控制。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述 实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明 宗旨的前提下做出各种变化。