CN101841286A - 一种双电机驱动消隙装置及消隙方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的双电机驱动消隙装置包括固定于导向台上的齿条、与工作台相固定的驱动电机和对驱动电机进行控制的电机控制系统，其特别之处在于：所述的驱动电机包括第一电机和第二电机，所述的第一电机控制系统和第二电机控制系统均包括对相应电机的位置进行检测的位置测量模块、与位置测量模块输出端相连的位置控制器、与位置控制器的输出端相连的速度控制器、电流控制器。本发明的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Δ。本发明通过设置两个电机来实现消隙，即消除了间隙震荡，也降低了齿轮与齿条的模数。
Description
技术领域
本发明涉及一种双电机驱动消隙装置及消隙方法，更具体的说，尤其涉及一种采用两个电机进行驱动并消隙的双电机驱动消隙装置及消隙方法。
背景技术
在高精度的位置伺服系统中，由于传动机构的机械加工误差和机械磨损的存在，使得电机至受控对象之间存在较大的传动间隙。为此，人们采用消隙齿轮、自动预紧机构等办法消除此间隙，此方法可有效的消除传动间隙的静态误差，但在高精度的位置伺服中，电机驱动负载进行频繁的换向，即使采用上述的机械消隙措施，由于间隙所造成的瞬态误差仍难以克服，使得控制精度达不到所需的控制要求。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种采用两个电机进行驱动的双电机驱动消隙装置。
本发明的双电机驱动消隙装置，包括固定于导向台上的齿条、与工作台相固定的驱动电机和对驱动电机进行控制的电机控制系统，其特别之处在于：所述的驱动电机包括第一电机和第二电机，所述的电机控制系统包括第一电机控制系统和第二电机控制系统；所述的第一电机控制系统和第二电机控制系统均包括对相应电机的位置进行检测的位置测量模块、与位置测量模块输出端相连的位置控制器、与位置控制器的输出端相连的速度控制器、电流控制器，所述位置控制器的输入端还连接有插补信号；所述的电流控制器的输入端与输出端分别与速度控制器的输出端和相应电机的输入端相连接；所述电机控制系统还包括PI控制器和滤波器模块，所述PI控制器的输入端和输出端分别与两个速度控制器的输出端和输入端相连接，所述滤波器的输入端与输出端分别与力矩差值信号和PI控制器的输入端相连接。如果采用单个电机来进行传动的过程中，当电机的环形的过程中，由于齿轮和齿条相配合时存在间隙，导致传动精度不高。因此，本发明的驱动电机设置第一电机和第二电机，以便实现传递过程中的消隙，第一电机和第二电机固定在工作台上；位置测量模块用于对电机移动位置进行检测并把检测到的结果反馈输入到位置控制器的输入端，位置控制器的输入端还连接有插补信号，以便控制电机的运行精度。第一电机输出的力矩值与第二电机输出的力矩值之差的大小可以通过改变力矩差值信号来实现。力矩差值信号经由滤波器处理之后接到PI控制器的输入端，PI控制器的输入端还与两速度控制器的输出端相连接，PI控制器可实现对力矩差值信号和两个速度控制器输出端信号的运算并把运算的结果反馈到速度控制器的输入端，实现对电机的精准控制。电流控制器用于实现对电机的直接控制。
本发明的双电机驱动消隙装置，所述的第一电机控制系统和第二电机控制系统均包括用于检测电机电流的电流检测模块和用于测量电机转速的转速测量模块；所述的电流测量模块与电流控制器的输入端电气连接，所述的转速测量模块与速度控制器的输入端电气连接。电流检测模块实现电机电流的测量，并把检测到的电流值反馈至电流控制器的输入端，使得电流控制器的控制形成一个闭环控制回路，使得控制更加的准确和稳定；转速测量模块可实现电机转速的测量，并把测得量接到速度控制器的输入端，使得速度控制器也组成一个闭环回路，使得控制回路更加的稳定和准确。
本发明的双电机驱动消隙装置，所述的位置测量模块为电机编码器或光栅尺。电机编码器和光栅尺所实现的精度等级不同，根据控制精度的要求可选择电机编码器或光栅尺。
本发明的双电机驱动消隙装置，所述的第一电机和第二电机均为伺服电机。伺服电机有控制精度的较好，可以满足控制要求。
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种采用两个电机进行驱动的双电机驱动消隙装置。
本发明的双电机驱动装置的消隙方法，所述双电机驱动装置包括固定于导向台上的齿条、与工作台相固定的驱动电机和对驱动电机进行控制的电机控制系统，所述的驱动电机包括第一电机和第二电机，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Δ。通过把第一电机的输出力矩与第二电机的输出力矩之差设定为一恒定值Δ，使得单个电机的额定功率得到降低，也使得齿轮和齿条的模数降低，有效的减小了减速箱和齿轮齿条传动副的尺寸。
本发明的双电机驱动装置的消隙方法，所述第一电机和第二电机的额定力矩相等且均大于工作台移动时所需的最大力矩；所述恒定值Δ为第一电机或第二电机额定力矩的5％～30％。恒定值选取的越大，要求的单个电机的额定功率就越大，要求的减速箱和传动副的体积也较大，不利于降低成本且会占用较大的空间；如果而定值选取的过小，不易实现消隙功能。
本发明的双电机驱动装置的消隙方法，所述恒定值的确定包括以下步骤：
a.首先把恒定值Δ设定为电机额定力矩的5％，并检测这时驱动装置的运行精度，如果精度在允许的范围内，则在此恒定值Δ下运行即可；如果精度不符合要求，则进行下一步；
b.把恒定值Δ设定为电机额定力矩的30％，并检测这时驱动装置的运行精度，如果精度在允许的范围内，则在此恒定值Δ下运行即可；如果精度不符合要求，则进行下一步；
c.把步骤a中检测的运行精度与步骤b中检测的运行精度进行比较；如果步骤a所检测到的运行精度较高，则恒定值Δ取Δ＝(5+nμ)％进行试验并进行精度检测，直至运行精度满足要求；如果步骤b所检测到的运行精度较高，则恒定值Δ取Δ＝(30-nμ)％进行试验并进行精度检测，直至运行精度满足要求；其中，μ＝1、2或3，n＝1，2，3…。
恒定值Δ的取值不唯一，可能较多的离散值均可满足要求，通过上述步骤可以方便快捷的实现恒定值Δ的选取。
本发明的双电机驱动装置的消隙方法，所述电机控制系统采用力矩同步控制技术对第一电机和第二电机进行控制。
本发明的有益效果是：通过设置两个电机来实现消隙，即消除了机床定位时易产生的间隙震荡，也降低了单个电机的额定功率以及齿轮与齿条的模数，使得传递精度更高更稳定，减小了减速箱、齿轮和齿条的体积；同预加载荷的机械消隙方法中只能消除最后一级齿轮-齿条的间隙相比，本发明的双电机驱动消隙可完全消除传动链中所有的啮合侧隙。
附图说明
图1为本发明的机械结构部分的原理示意图；
图2为本发明的电路控制系统的原理图；
图3为本发明的双电机驱动消隙装置及消隙方法的消隙原理示意图。
图中：1第一电机，2第二电机，3齿条。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
图1给出了本发明的结构示意图，本发明的双电机驱动消隙装置包括第一电机1、第二电机2和齿条3，所示的齿条3固定在导向台上，该导向台可以是水平的导轨平台也可以是其他方向的平台，在工作台移动或静止的过程中齿条3均处于静止状态，第一电机1和第二电机2均固定在工作台上，与齿条3相配合的两个齿轮分别与第一电机1和第二电机2通过传动机构相连接。
图2为本电路控制系统的原理图，第一电机1和第二电机2的控制系统均包括电机编码器、位置控制器、速度控制器、电流控制器、电流检测模块、转速测量模块，电机编码器用于实现电机位置的测量并把测得的数据反馈给位置控制器，电流检测模块用于检测流经电机线圈电流的大小并把测得的数值反馈给电流控制器，转速测量模块用于检测电机的转速并把测量的数值反馈给速度控制器。图2所示的电路控制系统还包括PI控制器和滤波器，滤波器输入端的输入信号为力矩差值信号，力矩差值信号即图中所示的力矩偏差信号，通过改变力矩差值信号的大小就可改变第一电机输出力矩与第二电机输出力矩之间差值的大小，力矩差值信号经滤波器滤波后接到PI控制器的输入端，力矩差值信号和两速度控制器输出端的输出信号为PI控制器输入端的输入信号，PI控制器的输出信号接到两速度控制器的输入端。位置控制器输入端的信号为系统给定的插补信号和电机编码器的反馈信号，输出端与速度控制器的输入端相连接；电机编码器把测得的信号反馈到位置控制器的输入端，使得控制系统形成闭环控制系统，使得控制更加的稳定和准确。速度控制器输入端的信号为位置控制器的输出信号、PI控制器的输出信号和转速测量模块的反馈信号，转速测量模块把测量的速度信号反馈到速度控制器的输入端，使得速度信号的控制也为闭环控制，使得控制系统更加稳定。电流控制器输入端的信号为速度控制器的输出信号、电流检测模块的反馈信号，电流控制器的控制方式也为闭环回路控制。图2中所示的机械连接表示第一电机和第二电机在工作的过程中处于相对静止状态。
方法实施例1，如图1和图2所示的本发明的双电机驱动消隙装置，采用如下方法实现消隙：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Δ。
方法实施例2，如图1和图2所示的本发明的双电机驱动消隙装置，采用如下方法实现消隙：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Δ；第一电机和第二电机的额定力矩相等，恒定值Δ为第一电机或第二电机额定力矩的5％～30％。
方法实施例3，如图1和图2所示的本发明的双电机驱动消隙装置，采用如下方法实现消隙：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Δ；恒定值Δ按照如下方法确定：
a.首先把恒定值Δ设定为电机额定力矩的5％，并检测这时驱动装置的运行精度，如果精度在允许的范围内，则在此恒定值Δ下运行即可；如果精度不符合要求，则进行下一步；
b.把恒定值Δ设定为电机额定力矩的30％，并检测这时驱动装置的运行精度，如果精度在允许的范围内，则在此恒定值Δ下运行即可；如果精度不符合要求，则进行下一步；
c.把步骤a中检测的运行精度与步骤b中检测的运行精度进行比较；如果步骤a所检测到的运行精度较高，则恒定值Δ取Δ＝(5+nμ)％进行试验并进行精度检测，直至运行精度满足要求；如果步骤b所检测到的运行精度较高，则恒定值Δ取Δ＝(30-nμ)％进行试验并进行精度检测，直至运行精度满足要求；其中，μ＝1、2或3，n＝1，2，3…。
方法实施例4，在方法实施例3中，所述的恒定值Δ按照如下方法确定：
a.首先把恒定值Δ设定为电机额定力矩的5％，并检测这时驱动装置的运行精度，如果精度在允许的范围内，则在此恒定值Δ下运行即可；如果精度不符合要求，则进行下一步；
b.把恒定值Δ设定为电机额定力矩的30％，并检测这时驱动装置的运行精度，如果精度在允许的范围内，则在此恒定值Δ下运行即可；如果精度不符合要求，则进行下一步；
c.把步骤a中检测的运行精度与步骤b中检测的运行精度进行比较；如果步骤a所检测到的运行精度较高，则恒定值Δ取Δ＝(5+nμ)％进行试验并进行精度检测，直至运行精度满足要求；如果步骤b所检测到的运行精度较高，则恒定值Δ取Δ＝(30-nμ0％进行试验并进行精度检测，直至运行精度满足要求；其中，μ＝1，n＝1，2，3…。
图3给出了本发明的双电机驱动消隙装置及消隙方法的消隙原理示意图，其包括图(1)至图(8)八个状态示意图，所示的master或slave齿轮分别与第一电机或第二电机的输出轴传动连接。不妨设master齿轮与第一电机的输出轴相连接，slaver齿轮与第二电机的输出轴相连接，图(1)为静止状态下的结构示意图，在这种状态下，第一电机和第二电机的输出力矩大小相等方向相反，且第一电机和第二电机的输出力矩大小均为恒定值Δ大小的二分之一，左侧的master齿轮与齿条上的相应齿的左齿面紧密接触，右侧的slaver齿轮与齿条上的相应齿的右齿面紧密接触；图(2)至图(5)均为工作台向左加速状态下的示意图，图(2)中所示的第一电机的输出力矩加大，第二电机的速出力矩减小；图(3)中所示第一电机的输出力矩等于恒定值Δ，第二电机输出力矩的大小变为零，在图(3)所示的时刻之前，第二电机输出力矩的转动方向为顺时针方向；图(4)中所示的第一电机和第二电机的力矩值方向相同且均达到了最大值，这时，不仅工作台克服最大静摩擦力，开始运动，而且slaver齿轮与齿条上的相应齿的左齿面紧密接触，以便在第一电机和第二电机的共同作用下开始运动，有利于减小单个电机的而定功率；图(5)和图(6)为第一电机和第二电机克服最大静摩擦力之后由加速到匀速的过程，根据工作台移动时所需克服的摩擦力大小和设定的两电机力矩之差的恒定值Δ大小不同，图(5)和图(6)所示的第一电机和第二电机的力矩会有所不同；图(7)和图(8)为减速状态下的示意图，在第一电机和第二电机共同的作用下，工作台进行向左运动的减速运动，最后的状态会回到如图(1)所示的静止状态。
在进行检测和控制工作台移动位置的过程中，如果是向左运动，则左面的电机(即第一电机)作为主运动电机，工作台的行程控制和测量均通过第一电机来实现；如果是向右运动，则右面的电机(即第二电机)作为主运动电机，工作台的行程控制和测量均通过第二电机来实现。
Claims (8)
1.一种双电机驱动消隙装置，包括固定于导向台上的齿条(3)、与工作台相固定的驱动电机和对驱动电机进行控制的电机控制系统，其特征在于：所述的驱动电机包括第一电机(1)和第二电机(2)，所述的电机控制系统包括第一电机控制系统和第二电机控制系统；所述的第一电机控制系统和第二电机控制系统均包括对相应电机的位置进行检测的位置测量模块、与位置测量模块输出端相连的位置控制器、与位置控制器的输出端相连的速度控制器、电流控制器，所述位置控制器的输入端还连接有插补信号；所述的电流控制器的输入端与输出端分别与速度控制器的输出端和相应电机的输入端相连接；所述电机控制系统还包括PI控制器和滤波器模块，所述PI控制器的输入端和输出端分别与两个速度控制器的输出端和输入端相连接，所述滤波器的输入端与输出端分别与力矩差值信号和PI控制器的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的双电机驱动消隙装置，其特征在于：所述的第一电机控制系统和第二电机控制系统均包括用于检测电机电流的电流检测模块和用于测量电机转速的转速测量模块；所述的电流测量模块与电流控制器的输入端电气连接，所述的转速测量模块与速度控制器的输入端电气连接。
3.根据权利要求1或2所述的双电机驱动消隙装置，其特征在于：所述的位置测量模块为电机编码器或光栅尺。
4.根据权利要求1或2所述的双电机驱动消隙装置，其特征在于：所述的第一电机和第二电机均为伺服电机。
5.一种双电机驱动装置的消隙方法，所述双电机驱动装置包括固定于导向台上的齿条(3)、与工作台相固定的驱动电机和对驱动电机进行控制的电机控制系统，所述的驱动电机包括第一电机(1)和第二电机(2)，其特征在于：通过电机控制系统的控制作用，在第一电机(1)和第二电机(2)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Δ。
6.根据权利要求5所述的双电机驱动装置的消隙方法，其特征在于：所述第一电机和第二电机的额定力矩相等且均大于工作台移动时所需的最大力矩；所述恒定值Δ为第一电机或第二电机额定力矩的5％～30％。
7.根据权利要求5或6所述的双电机驱动消隙装置，其特征在于：所述恒定值的确定包括以下步骤：
a.首先把恒定值Δ设定为电机额定力矩的5％，并检测这时驱动装置的运行精度，如果精度在允许的范围内，则在此恒定值Δ下运行即可；如果精度不符合要求，则进行下一步；
b.把恒定值Δ设定为电机额定力矩的30％，并检测这时驱动装置的运行精度，如果精度在允许的范围内，则在此恒定值Δ下运行即可；如果精度不符合要求，则进行下一步；
c.把步骤a中检测的运行精度与步骤b中检测的运行精度进行比较；如果步骤a所检测到的运行精度较高，则恒定值Δ取Δ＝(5+nμ)％进行试验并进行精度检测，直至运行精度满足要求；如果步骤b所检测到的运行精度较高，则恒定值Δ取Δ＝(30-nμ)％进行试验并进行精度检测，直至运行精度满足要求；其中，μ＝1、2或3，n＝1，2，3…。
8.根据权利要求5所述的双电机驱动消隙装置，其特征在于：所述电机控制系统采用力矩同步控制技术对第一电机(1)和第二电机(2)进行控制。
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