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CN113741350A - 基于双编码器反馈的伺服控制系统、方法及用电设备 - Google Patents

基于双编码器反馈的伺服控制系统、方法及用电设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于双编码器反馈的伺服控制系统、方法及用电设备,伺服控制系统包括:电机、通过驱动器控制电机工作状态的控制器、采集电机的位置信息及速度信息反馈给控制器的第一编码器和第二编码器,第一编码器的精度高于第二编码器,第二编码器的通信速率高于第一编码器,第一编码器和第二编码器同时获取电机的位置信息及速度信息,第一编码器反馈的速度信息用于速度环Ki的运算,第二编码器反馈的速度信息用于速度环Kp的运算,控制器选择第一编码器和第二编码器其中一个反馈的位置信息。本发明将两个编码器的反馈信息同时作用于速度环和位置环,有效的提高伺服系统的影响速度,消除静态误差,提高系统稳定性。

Description

基于双编码器反馈的伺服控制系统、方法及用电设备
技术领域
本发明涉及伺服控制技术领域,尤其涉及基于双编码器反馈的伺服控制系统、方法及用电设备。
背景技术
伺服控制器是现在制造行业不可或缺的重要设备,并且在工控领域得到越来越广泛的应用。在实际应用过程中,控制器向伺服驱动器输出控制信号,伺服驱动器根据控制信号来向电机发送驱动信号,进行实时控制;与此同时,控制器通过编码器来收集伺服电机的位置信号和速度信号,实现闭环控制,最终使得整个系统有条不紊的工作,以上组成了伺服控制系统。
如图1所示,传统的伺服控制系统由控制模块、SPWM逆变桥、整流桥、编码器检测电路及控制算法等组成,基于一个编码器反馈信息,通过PID控制器对整个控制系统进行偏差调节来实现伺服控制,这种经典的控制方式,Kp主要用来提高系统的响应速度,但是会逐渐破坏系统的稳定性;Ki会减小静态误差,但是也会逐渐影响系统的稳定性;在调节过程中,系统响应速度和系统的静态误差都与稳定性相互制约,有待进一步提升。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺陷,本发明提出基于双编码器反馈的伺服控制系统、方法及用电设备,该伺服控制系统将两个编码器的反馈信息同时作用于速度环和位置环,有效的提高伺服系统的影响速度,消除静态误差,提高系统稳定性。
本发明采用的技术方案是,设计基于双编码器反馈的伺服控制系统,包括:电机、通过驱动器控制电机工作状态的控制器、采集电机的位置信息及速度信息反馈给控制器的第一编码器和第二编码器,第一编码器的精度高于第二编码器,第二编码器的通信速率高于第一编码器,第一编码器和第二编码器同时获取电机的位置信息及速度信息。
其中,第一编码器反馈的速度信息用于速度环Ki的运算,第二编码器反馈的速度信息用于速度环Kp的运算,控制器选择第一编码器和第二编码器其中一个反馈的位置信息。
在一实施例中,控制器计算第一编码器和第二编码器反馈的位置信息之间的位置偏差,在位置偏差超过设定阈值时选择第二编码器反馈的位置信息,在位置偏差未超过设定阈值时选择第一编码器反馈的位置信息。
优选的,控制器在第一编码器和第二编码器其中一个发生异常时,选择另一个反馈的位置信息及速度信息。
在一实施例中,控制器包括:依次连接的位置调节器、速度调节器和电流调节器,位置调节器、电机、第一编码器和第二编码器组成位置环,速度调节器、电机、第一编码器和第二编码器组成速度环,电流调节器、电机和电流采集单元组成电流环,电机为交流电机,所述驱动器为三相逆变器。
本发明还提出了基于双编码器反馈的伺服控制方法,双编码器包含第一编码器和第二编码器,第一编码器的精度高于第二编码器,第二编码器的通信速率高于第一编码器;
伺服控制方法包括以下步骤:
进入双编码器模式;
双编码器实时获取位置信息和速度信息,
根据第一编码器反馈的速度信息计算速度环Ki,根据第二编码器反馈的速度信息计算速度环Kp,选择第一编码器和第二编码器其中一个反馈的位置信息。
在一实施例中,选择第一编码器和第二编码器其中一个反馈的位置信息包括:
判断第一编码器和第二编码器反馈的位置信息之间的位置偏差是否超过设定阈值;
若是则选择第二编码器反馈的位置信息,若否则选择第一编码器反馈的位置信息。
优选的,伺服控制方法还包括:进入双编码器模式之前,判断双编码器中的编码器是否均正常工作,若是则进入双编码器模式,若否则进入单编码器模式,双编码器中正常工作的一个编码器实时获取位置信息和速度信息。
优选的,伺服控制方法还包括:进入单编码器模式时发出报警信号。
本发明还提出了采用上述伺服控制系统的用电设备。
与现有技术相比,本发明采用两个编码器获取电机的速度信息和位置信息,一个编码器以高精度为主、另一个编码器以高通信速率为主,将双编码器的反馈信息用于速度环和位置环的运算,能够有效提高系统响应速度,消除系统静态误差,提高系统的整体性能。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明,其中:
图1是现有技术中伺服控制系统的控制原理图;
图2是本发明中伺服控制系统的连接示意图;
图3是本发明中伺服控制系统的控制原理图;
图4是本发明中伺服控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
下面结合附图以及实施例对本发明的原理进行详细说明。
如图2所示,本发明提出的伺服控制系统能够适应在带伺服电机的用电设备中,比如空调器或冰箱等。伺服控制系统包括:电机、通过驱动器控制电机工作状态的控制器、采集电机的位置信息及速度信息反馈给控制器的第一编码器和第二编码器,控制器根据电机的实时运行状态进行调整。在可行实施例中,电机为交流电机,驱动器为三相逆变器,控制器通过三相逆变器控制电机的启动、停止。
为便于描述和理解,下文中第一编码器称为高精度编码器、第二编码器称为高速率编码器,高速率编码器由于通信速率较高,更容易产生电磁干扰,会对其精度造成影响,即高速率编码器的精度低于高精度编码器,而精度提高之后也会影响编码器的通信速率,因此高精度编码器的通信速率低于高速率编码器。实际应用时,高精度编码器和高速率编码器安装在电机输出轴的同一侧,同时获取电机的位置信息及速度信息。
具体来说,控制器包括:依次连接的位置调节器、速度调节器和电流调节器,电流调节器通过驱动器连接电机,位置调节器、电机、高精度编码器和高速率编码器组成位置环,速度调节器、电机、高精度编码器和高速率编码器组成速度环,电流调节器、电机和电流采集单元组成电流环。在一些实施例中,控制器还连接有显示器,通过显示器将两个编码器、电流采集单元等采集的数据进行显示。
如图2、3所示,对于速度环来说,高精度编码器反馈的速度信息用于速度环Ki的运算,使得Ki计算结果更加准确,有效消除系统静态误差,提高系统无差度。高速率编码器反馈的速度信息用于速度环Kp的运算,使得Kp的计算速率大大提升,有效的提高伺服系统的响应速度,有效减小系统的超调,提高系统稳定性。
对于位置环来说,控制器选择高精度编码器和高速率编码器其中一个反馈的位置信息。在一些实施例中,控制器计算高精度编码器和高速率编码器反馈的位置信息之间的位置偏差,在位置偏差超过设定阈值时,选择高速率编码器反馈的位置信息,有效提高位置环的响应速度,在位置偏差未超过设定阈值时选择高精度编码器反馈的位置信息,有效清除系统的静态误差。
需要说明的是,控制器也可以默认将某一个编码器的位置信息与设定位置偏差进行对比,在超过时选择一个编码器、未超过时选择另一个编码器。当然也可以同时利用两个编码器的位置偏差,将两个位置偏差进行处理得到一个位置偏差。控制器选择位置信息的方式不限于以上实施例。
进一步的,控制器实时判断两个编码器的状态,一旦某一编码器发生故障,立即将切换到单编码器工作状态,控制器选择正常工作的一个编码器反馈的位置信息及速度信息,系统继续运行并发出报警信号。本发明的两个编码器能够起到互补作用,如果有单个编码器发生异常,则能够依靠另一个编码器运行,以此提高系统稳定性。
如图4所示,本发明还提出了基于双编码器反馈的伺服控制方法,由伺服控制系统中的控制器执行该伺服控制方法,伺服控制方法包括以下步骤:
伺服控制系统启动运行;
判断双编码器中的编码器是否均正常工作,若是则进入双编码器模式,若否则进入单编码器模式;
双编码器模式,双编码器实时获取位置信息和速度信息,根据高精度编码器反馈的速度信息计算速度环Ki,有效消除系统静态误差,提高系统无差度,根据高速率编码器反馈的速度信息计算速度环Kp,有效的提高伺服系统的响应速度,减小系统的超调,提高系统稳定性。
单编码器模式,发出报警信号,双编码器中正常工作的一个编码器实时获取位置信息和速度信息。
在双编码器模式中,选择高精度编码器和高速率编码器其中一个反馈的位置信息,判断高精度编码器和高速率编码器反馈的位置信息之间的位置偏差是否超过设定阈值,若是则选择高速率编码器反馈的位置信息,有效提高位置环的响应速度,若否则选择高精度编码器反馈的位置信息,有效清除系统的静态误差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.基于双编码器反馈的伺服控制系统,包括:电机、通过驱动器控制所述电机工作状态的控制器;其特征在于,还包括:采集电机的位置信息及速度信息反馈给所述控制器的第一编码器和第二编码器,所述第一编码器的精度高于所述第二编码器,所述第二编码器的通信速率高于所述第一编码器。
2.根据权利要求1所述的伺服控制系统,其特征在于,所述第一编码器和所述第二编码器同时获取所述电机的位置信息及速度信息。
3.根据权利要求1所述的伺服控制系统,其特征在于,所述第一编码器反馈的速度信息用于速度环Ki的运算,所述第二编码器反馈的速度信息用于速度环Kp的运算。
4.根据权利要求1所述的伺服控制系统,其特征在于,所述控制器选择所述第一编码器和所述第二编码器其中一个反馈的位置信息。
5.根据权利要求4所述的伺服控制系统,其特征在于,所述控制器计算所述第一编码器和所述第二编码器反馈的位置信息之间的位置偏差,在所述位置偏差超过设定阈值时选择所述第二编码器反馈的位置信息,在所述位置偏差未超过设定阈值时选择所述第一编码器反馈的位置信息。
6.根据权利要求1所述的伺服控制系统,其特征在于,所述控制器在所述第一编码器和所述第二编码器其中一个发生异常时,选择另一个反馈的位置信息及速度信息。
7.根据权利要求1至6任一项所述的伺服控制系统,其特征在于,所述控制器包括:依次连接的位置调节器、速度调节器和电流调节器,所述位置调节器、电机、第一编码器和第二编码器组成位置环,所述速度调节器、电机、第一编码器和第二编码器组成速度环,所述电流调节器、电机和电流采集单元组成电流环。
8.根据权利要求1至6任一项所述的伺服控制系统,其特征在于,所述电机为交流电机,所述驱动器为三相逆变器。
9.基于双编码器反馈的伺服控制方法,其特征在于,所述双编码器包含第一编码器和第二编码器,所述第一编码器的精度高于所述第二编码器,所述第二编码器的通信速率高于所述第一编码器;
所述伺服控制方法包括以下步骤:
进入双编码器模式;
所述双编码器实时获取位置信息和速度信息,
根据所述第一编码器反馈的速度信息计算速度环Ki,根据所述第二编码器反馈的速度信息计算速度环Kp。
10.根据权利要求9所述的伺服控制方法,其特征在于,在所述双编码器模式下,选择所述第一编码器和所述第二编码器其中一个反馈的位置信息。
11.根据权利要求10所述的伺服控制方法,其特征在于,选择所述第一编码器和所述第二编码器其中一个反馈的位置信息包括:
判断所述第一编码器和所述第二编码器反馈的位置信息之间的位置偏差是否超过设定阈值;
若是则选择所述第二编码器反馈的位置信息,若否则选择所述第一编码器反馈的位置信息。
12.根据权利要求9至11任一项所述的伺服控制方法,其特征在于,还包括:进入所述双编码器模式之前,判断所述双编码器中的编码器是否均正常工作,若是则进入所述双编码器模式,若否则进入单编码器模式,所述双编码器中正常工作的一个编码器实时获取位置信息和速度信息。
13.根据权利要求12所述的伺服控制方法,其特征在于,还包括:进入所述单编码器模式时发出报警信号。
14.用电设备,其特征在于,所述用电设备采用权利要求1至8任一项所述的伺服控制系统。
15.根据权利要求14所述的用电设备,其特征在于,所述用电设备为空调器或冰箱。
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