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1、(10)申请公布号 CN 103997259 A (43)申请公布日 2014.08.20 CN 103997259 A (21)申请号 201410169816.7 (22)申请日 2014.04.24 H02P 5/46(2006.01) H02P 5/50(2006.01) (71)申请人 南京工程学院 地址 211167 江苏省南京市江宁区弘景大道 1 号 (72)发明人 万其 陈桂 汤玉东 刘汉忠 王建红 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 朱小兵 (54) 发明名称 一种双电机同轴驱动消隙控制系统及其消隙 控制方法 (57) 摘要 本发明公开了。
2、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。
3、信号接入控制回路中， 避免差速震荡问题。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103997259 A CN 103997259 A 1/2 页 2 1. 一种双电机同轴驱动消隙控制系统， 其特征在于 ： 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。
4、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。 2. 如权利要求 1 所述的一种双电机同轴驱动消隙控制系统， 其特征在于 ： 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。
5、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。
6、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。
7、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。 3. 如权利要求 1 所述的一种双电机同轴驱动消隙控制系统， 其特征在于 ： 所述上位机 为 PLC、 工业控制计算机或 DSP 控制器中的一种。 4. 如权利要求 1 所述的一种双电机同轴驱动消隙控制系统， 其特征在于， 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。 5. 一种基于如权利要求 1 所述的双电机同轴驱动消隙控制系统的消隙方法， 其特征在 。
8、于， 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 ； 权 利 要 求 书 CN 103997259 A 2 2/2 页 3 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。 6. 如权利要求 5 所述的一种基于双电机同轴驱动消隙控制系统的消隙方法， 其特征在 于， 所述消隙。
9、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。 7. 如权利要求 5 所述的一种基于双电机同轴驱动消隙控制系统的消隙方法， 其特征在 于 ： 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 2。
10、0。 权 利 要 求 书 CN 103997259 A 3 1/5 页 4 一种双电机同轴驱动消隙控制系统及其消隙控制方法 技术领域 0001 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 0002 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。 0003 中国专利申请号 ： CN201210022983.X， 申请日 ： 2012 。
11、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。 0004 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 ： 。
12、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。 0005 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。
13、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。 0006 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。
14、次编程， 完成不同的应 用需求。 发明内容 0007 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， 说 明 书 CN 103997259 A 4 2/5 页 5 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。 0008 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案 ： 0009 一种双电机同轴驱动消隙控制系统， 包括上位。
15、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。 0010 作为本发明的进。
16、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。
17、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。
18、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。 0011 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。 0012 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 ： 0013 (1) 具备速度控制模式或力矩控制模式 ； 0014 (2) 具备可编程运算的二次开发功能 ； 。
19、0015 (3) 具备用于主从同步控制的高速通讯口。 0016 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 ： 0017 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 ； 说 明 书 CN 103997259 A 5 3/5 页 6 0018 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 ； 0019 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。
20、段， 状态 C 将产生与需要输出力矩相关联的偏置输 出值。 0020 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 ： 0021 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， 0022 当 |x| k 时， 采用状态 A 计算偏置力矩 ： y(x) 0 ； 0023 当 |x| k/2 时， 采用状态 B 计算偏置力矩 ： y(x) k/2 ； 0024 当 k/2 |x| k 时， 采用状态 C 计算偏置力矩 ： y(x) k-x/2 ； 0025 将偏置力矩的计算值传输给。
21、偏置输出。 0026 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。 0027 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 ： 0028 (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。 0029 (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。 0030 (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。
22、震荡。 附图说明 0031 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 ； 0032 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 ； 0033 图 3 为本发明的主电机驱动器内部控制流程示意图 ； 0034 图 4 为本发明的从电机驱动器内部控制流程示意图 ； 0035 图 5 为本发明的消隙控制计算过程示意图。 具体实施方式 0036 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明 ： 0037 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。
23、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。 0038 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 说 明 书。
24、 CN 103997259 A 6 4/5 页 7 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。 0039 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。
25、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。 0040 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。
26、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。 0041 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。 0042 附图 5 为消隙控制环节。
27、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。 0043 消隙控制环节计算具体计算实现如下 ： 0044 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 。
28、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 ： 0045 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。 0046 状态 A 的计算方法是 ： y(x) 0， 此时 |x| k ； 0047 状态 B 的计算方法是 ： y(x) k/2， 此时 |x| k/2 ； 0048 状态 C 的计算方法是 。
29、： y(x) k-x/2， 此时 k/2 |x| k ； 说 明 书 CN 103997259 A 7 5/5 页 8 0049 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。 0050 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。 0051 实现过程如下 ： 0052 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。
30、接到第一附加力矩 ； 0053 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 ； 0054 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。 0055 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。 说 明 书 CN 103997259 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103997259 A 9 2/2 页 10 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103997259 A 10 。