專利名稱：有限轉(zhuǎn)角伺服轉(zhuǎn)臺用位置尋零方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于伺服控制技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種有限轉(zhuǎn)角伺服轉(zhuǎn)臺機(jī)械零位的尋找方法，尤其涉及一種帶增量式編碼器的有限轉(zhuǎn)角伺服轉(zhuǎn)臺在開機(jī)時尋找機(jī)械零位的方法。
背景技術(shù)：
有限轉(zhuǎn)角伺服轉(zhuǎn)臺用的增量式編碼器一般安裝在電機(jī)軸或者負(fù)載軸上，伺服轉(zhuǎn)臺的控制器可以根據(jù)編碼器輸出兩路脈沖的先后次序判斷電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向，根據(jù)脈沖的個數(shù)確定有限轉(zhuǎn)角伺服轉(zhuǎn)臺的角位置。這種方法要求首先確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置，由于增量式編碼器斷電后無位置記憶功能，因而有限轉(zhuǎn)角伺服轉(zhuǎn)臺首次開機(jī)加電時，電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置是不確定的，這就決定了伺服轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)需要進(jìn)行位置尋零，才能找到伺服轉(zhuǎn)臺的機(jī)械零位，實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。為了找到伺服轉(zhuǎn)臺的機(jī)械零位，目前采用的多數(shù)方法是利用光電開關(guān)作為參考點(diǎn)，將光電開關(guān)安裝在伺服轉(zhuǎn)臺的預(yù)知角度位置，即已知參考點(diǎn)和機(jī)械零位之間的角度差為固定值θ。開機(jī)時，伺服轉(zhuǎn)臺先向安裝有光電開關(guān)的方向轉(zhuǎn)動，當(dāng)檢測到光電開關(guān)被觸發(fā)產(chǎn)生的TTL電平信號時，控制伺服轉(zhuǎn)臺向相反的方向運(yùn)動θ角度即到達(dá)轉(zhuǎn)臺的機(jī)械零位， 并將脈沖計數(shù)器清零。這種方法雖然簡單，但是一旦光電開關(guān)損壞，伺服轉(zhuǎn)臺將無法找到機(jī)械零位，不能正常開機(jī)工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種在有限轉(zhuǎn)角伺服轉(zhuǎn)臺開機(jī)時能夠可靠尋找機(jī)械零位的位置尋零方法，以確保伺服轉(zhuǎn)臺開機(jī)后能夠正常工作。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的位置尋零方法包括以下步驟首先在伺服轉(zhuǎn)臺的機(jī)械零位與正向機(jī)械限位之間設(shè)置一個光電開關(guān)，每當(dāng)伺服轉(zhuǎn)臺開機(jī)時，控制器初始化之后依次完成如下操作將尋零標(biāo)志位設(shè)置為有效；向伺服控制電路發(fā)送電機(jī)正向轉(zhuǎn)動指令；實(shí)時查詢I/O檢測電路是否檢測到光電開關(guān)控制的TTL電平信號和實(shí)時監(jiān)測電流檢測電路檢測到的電機(jī)電流值；當(dāng)I/O檢測電路檢測到TTL電平信號時，向伺服控制電路發(fā)送電機(jī)反轉(zhuǎn)指令并使脈沖計數(shù)器清零；讀取脈沖計數(shù)器實(shí)時記錄的電機(jī)反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，直到脈沖數(shù)達(dá)到光電開關(guān)與機(jī)械零位夾角所對應(yīng)的脈沖數(shù)時，向伺服控制電路發(fā)送電機(jī)停轉(zhuǎn)指令，使脈沖計數(shù)器清零并將尋零標(biāo)志位設(shè)置為無效；在I/O檢測電路未檢測到TTL電平信號的情況下，如果監(jiān)測到電流檢測電路檢測到的電機(jī)電流值已達(dá)到設(shè)置的門限值時，向伺服控制電路輸出電機(jī)反轉(zhuǎn)指令并使脈沖計數(shù)器清零；讀取脈沖計數(shù)器實(shí)時記錄的電機(jī)反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，直到脈沖數(shù)達(dá)到正向機(jī)械限位與機(jī)械零位夾角所對應(yīng)的脈沖數(shù)時，向伺服控制電路發(fā)送電機(jī)停轉(zhuǎn)指令，給脈沖計數(shù)器清零并將尋零標(biāo)志位設(shè)置為無效。本發(fā)明在轉(zhuǎn)臺的機(jī)械零位和正向機(jī)械限位之間設(shè)置了一個光電開關(guān)，并將其作為位置尋零的第一個參考點(diǎn)，而將轉(zhuǎn)臺的正向機(jī)械限位作為第二個參考點(diǎn)。在轉(zhuǎn)臺開機(jī)尋零過程中，如果伺服控制板的I/O檢測電路檢測到光電開關(guān)控制的TTL電平信號，就以光電開關(guān)的安裝位置為基準(zhǔn)點(diǎn)控制電機(jī)以相反方向轉(zhuǎn)動一個已知角度即為找到機(jī)械零點(diǎn)；而當(dāng)光電開關(guān)損壞，電平信號始終無效時，轉(zhuǎn)臺將繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直到機(jī)械限位，這時由于電機(jī)堵轉(zhuǎn)，電流將逐漸增大，伺服控制板的電流檢測電路實(shí)時檢測該電流，當(dāng)控制器監(jiān)測到該電流值達(dá)到設(shè)置的門限值時，就以正向機(jī)械限位的安裝位置為基準(zhǔn)點(diǎn)控制電機(jī)以相反方向轉(zhuǎn)動另一個已知角度即為找到機(jī)械零點(diǎn)。不難看出，利用本發(fā)明方法控制帶有增量式編碼器的有限轉(zhuǎn)角伺服轉(zhuǎn)臺進(jìn)行位置尋零時，除了光電開關(guān)外，不需要另置傳感器，即可解決轉(zhuǎn)臺開機(jī)尋零時可能出現(xiàn)的光電開關(guān)損壞導(dǎo)致尋零失敗，進(jìn)而無法正常開機(jī)工作的問題，不僅降低了成本，而且提高了轉(zhuǎn)臺的工作可靠性。


圖1是采用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)位置尋零的原理框圖。圖2是采用本發(fā)明方位機(jī)構(gòu)機(jī)械零位檢測程序流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述。由圖1可見，伺服控制電路板上集成有控制器、I/O檢測電路、電流檢測電路、脈沖計數(shù)器、伺服控制電路以及功率驅(qū)動電路。控制器作為伺服控制的核心，同樣作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的核心，主要完成對采集信號、信息流程以及控制算法和控制邏輯的處理；I/O檢測電路的功能是實(shí)時檢測光電開關(guān)控制的TTL電平信號，為控制器提供檢測信號的狀態(tài)，由此作為尋零的一個參考標(biāo)志位；電流檢測電路的功能是實(shí)時檢測電機(jī)的電流值，正常工作時將檢測到的電流值作為電流環(huán)輸入?yún)?shù)使用，轉(zhuǎn)臺開機(jī)時可以根據(jù)需要將電機(jī)實(shí)時電流值作為尋找機(jī)械零位的一個參考標(biāo)志位；脈沖計數(shù)器的功能是檢測記錄電機(jī)增量式編碼器輸出的脈沖數(shù)；伺服控制電路的功能是按照伺服控制軟件實(shí)現(xiàn)各種控制算法，輸出電機(jī)控制信號；功率驅(qū)動電路的功能是將伺服控制電路產(chǎn)生的電機(jī)控制信號進(jìn)行功率放大，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動。本發(fā)明使用光電開關(guān)和機(jī)械限位作為位置尋零的兩個參考點(diǎn)。第一參考點(diǎn)為光電開關(guān)，其安裝位置可以根據(jù)轉(zhuǎn)臺的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計，原則是離關(guān)機(jī)位置不應(yīng)太遠(yuǎn)，這樣， 在轉(zhuǎn)臺開機(jī)時，能較快的對其控制輸出的信號進(jìn)行檢測判斷，這有利于提高轉(zhuǎn)臺的尋零效率，縮短開機(jī)時間，建議設(shè)置在電機(jī)轉(zhuǎn)動10° 20°即可觸發(fā)光電開關(guān)的位置；轉(zhuǎn)臺開機(jī)尋零的初始運(yùn)動方向根據(jù)光電開關(guān)的位置確定，原則是轉(zhuǎn)臺開機(jī)尋零時應(yīng)向安裝有光電開關(guān)的方向運(yùn)動即定義為轉(zhuǎn)臺的正向轉(zhuǎn)動。第二參考點(diǎn)為光電開關(guān)一側(cè)的機(jī)械限位，當(dāng)光電開關(guān)失效時，轉(zhuǎn)臺將繼續(xù)運(yùn)動，直到機(jī)械限位參考點(diǎn)，通過實(shí)時檢測電機(jī)的電流值判斷是否到達(dá)該參考點(diǎn)，從而對機(jī)械零位進(jìn)行檢測標(biāo)定；通過機(jī)械限位判斷電流進(jìn)行尋零時，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)臺實(shí)際情況確定電流門限值，門限值應(yīng)比電機(jī)尋零時的電流大，但不應(yīng)過大，避免電機(jī)的長時間堵轉(zhuǎn)，一般取電機(jī)正常尋零輸出電流值的3 5倍；尋零速度應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)臺的實(shí)際情況選擇，不宜過快，避免電機(jī)猛烈撞擊機(jī)械限位。當(dāng)伺服控制電路板上電后，控制器將根據(jù)圖2所示的工作流程完成位置尋零方法的相關(guān)步驟
(1)初始化伺服控制板相關(guān)功能模塊，包括I/O檢測模塊、電流檢測模塊、脈沖檢測模塊、伺服控制模塊以及功率驅(qū)動模塊；(2)將開機(jī)尋零標(biāo)志位設(shè)置為有效，該標(biāo)志位在尋零完成時需要清除；(3)向伺服控制電路發(fā)送電機(jī)正向轉(zhuǎn)動指令。在該指令下，伺服控制電路以及功率驅(qū)動電路按照控制軟件設(shè)定的轉(zhuǎn)速和方向驅(qū)動電機(jī)正向轉(zhuǎn)動；(4)實(shí)時查詢I/O檢測電路是否檢測到光電開關(guān)控制的TTL電平信號和實(shí)時監(jiān)測電流檢測電路檢測到的電機(jī)電流值。當(dāng)I/O檢測電路檢測到TTL電平信號時，向伺服控制電路發(fā)送電機(jī)反轉(zhuǎn)指令，脈沖計數(shù)器清零；在伺服控制電路以及功率驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)過程中，讀取脈沖計數(shù)器實(shí)時記錄的電機(jī)反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，直到脈沖數(shù)達(dá)到光電開關(guān)與機(jī)械零位夾角對應(yīng)的脈沖數(shù)時，向伺服控制電路發(fā)送電機(jī)停轉(zhuǎn)指令，脈沖計數(shù)器清零并將尋零標(biāo)志位設(shè)置為無效。至此，位置尋零任務(wù)結(jié)束；(5)如果在I/O檢測電路未檢測到TTL電平信號的情況下，而監(jiān)測到電流檢測電路檢測到的電機(jī)電流值已達(dá)到設(shè)置的門限值時，向伺服控制電路輸出電機(jī)反轉(zhuǎn)指令，脈沖計數(shù)器清零；在伺服控制電路以及功率驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)過程中，讀取脈沖計數(shù)器實(shí)時記錄的電機(jī)反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，直到脈沖數(shù)達(dá)到該機(jī)械限位與機(jī)械零位夾角對應(yīng)的脈沖數(shù)時，向伺服控制電路發(fā)送電機(jī)停轉(zhuǎn)指令，脈沖計數(shù)器清零并將尋零標(biāo)志位設(shè)置為無效。至此，位置尋零任務(wù)結(jié)束。本發(fā)明可應(yīng)用于兩軸或多軸伺服轉(zhuǎn)臺，其優(yōu)選實(shí)施方式的工作原理和詳細(xì)方案以方位軸為例進(jìn)行說明，而其它軸的原理則與之相同。假定增量式編碼器為X線，Y倍頻細(xì)分后為X ·Υ線，即360°機(jī)械角度對應(yīng)的線數(shù)為X · Y線；電機(jī)的磁極對數(shù)為P對，則每個脈沖對應(yīng)的電角度為360 · P/ (X · Y)；編碼器安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，負(fù)載通過減速機(jī)構(gòu)與電機(jī)軸關(guān)聯(lián)，減速比為L 1;方位機(jī)構(gòu)以機(jī)械零位為基準(zhǔn)順時針旋轉(zhuǎn)為正角度，逆時針旋轉(zhuǎn)為負(fù)角度；將光電開關(guān)安裝在方位機(jī)構(gòu)的正角度位置，與機(jī)械零位的夾角為α ；機(jī)械零位與正向機(jī)械限位之間的夾角為β ；電流門限值設(shè)定為λ ；方位機(jī)構(gòu)的尋零速度設(shè)定為V。其中，α、β必須精確標(biāo)定，通過脈沖計數(shù)器分別記錄兩參考點(diǎn)與機(jī)械零位之間的脈沖個數(shù)，依據(jù)選用編碼器的參數(shù)，計算出α、β的角度值，可多次測量后取平均值，以減少測量誤差；λ門限值需要經(jīng)過電流檢測電路多次測量確定，為了保護(hù)電機(jī)，此值不應(yīng)設(shè)置過大，以免電機(jī)長時間堵轉(zhuǎn)，但應(yīng)比方位機(jī)構(gòu)尋零時的電機(jī)電流略大。本實(shí)施方式?jīng)]有考慮齒輪之間的空回，對于精度要求高的場合，齒輪間的空回應(yīng)當(dāng)考慮。給出計算α、β角對應(yīng)脈沖數(shù)的通用公式如下L · α/(360 · Ρ/(Χ · Y)) = L · α · X · Υ/(360 · P) (1)L · β / (360 · P/ (Χ · Y)) = L · β · X · Y/ (360 · P) (2)本實(shí)施方式中使用的增量式編碼器X為2500線，倍頻細(xì)分?jǐn)?shù)Y為4 ；電機(jī)的磁極對數(shù)P為1對；方位機(jī)構(gòu)的減速比L為80 1;經(jīng)過精確標(biāo)定后的α角為10. 23°，β角為60.56° ；電流門限值λ設(shè)定為5Α;方位機(jī)構(gòu)的尋零速度V設(shè)定為5° /s。通過公式(1)、(2)計算得到α、β角對應(yīng)脈沖數(shù)分別為22733個和134578個。轉(zhuǎn)臺加電開機(jī)時，方位機(jī)構(gòu)首先進(jìn)行尋零操作。伺服控制板使能I/O檢測電路、電流檢測電路、脈沖計數(shù)器、伺服控制電路以及功率驅(qū)動電路，I/O檢測電路和電流檢測電路實(shí)時工作，控制器分別查詢光電開關(guān)控制的TTL電平信號和監(jiān)測方位電機(jī)電流值。方位機(jī)構(gòu)以速度5° /s順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)光電開關(guān)被有效觸發(fā)時，一路電平信號送到伺服控制板的 I/O檢測口，一旦I/O檢測電路檢測到該電平信號，脈沖計數(shù)器復(fù)位清零，控制器發(fā)送電機(jī)反轉(zhuǎn)指令，伺服控制電路以及功率驅(qū)動電路驅(qū)動方位機(jī)構(gòu)逆時針轉(zhuǎn)動，同時讀取脈沖計數(shù)器實(shí)時記錄的電機(jī)反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，當(dāng)計數(shù)到22733時，控制器發(fā)送電機(jī)停轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)臺停止轉(zhuǎn)動，即方位轉(zhuǎn)臺逆時針旋轉(zhuǎn)了 10.23°，到達(dá)機(jī)械零位，脈沖計數(shù)器清零，清除方位尋零標(biāo)志位，方位尋零結(jié)束。當(dāng)光電開關(guān)失效時，I/O檢測電路未能檢測到電平信號，而控制器監(jiān)測到電流檢測電路檢測到的電機(jī)電流值達(dá)到設(shè)置的門限值5A時，表明電機(jī)已經(jīng)到達(dá)方位正向機(jī)械限位，脈沖計數(shù)器復(fù)位清零，控制器發(fā)送電機(jī)反轉(zhuǎn)指令，伺服控制電路以及功率驅(qū)動電路驅(qū)動方位機(jī)構(gòu)逆時針轉(zhuǎn)動，同時讀取脈沖計數(shù)器實(shí)時記錄的電機(jī)反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，當(dāng)計數(shù)到134578 時，控制器發(fā)送電機(jī)停轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)臺停止，即方位轉(zhuǎn)臺逆時針旋轉(zhuǎn)了 60. 56°，到達(dá)機(jī)械零位，脈沖計數(shù)器清零，清除方位尋零標(biāo)志位，方位尋零結(jié)束。轉(zhuǎn)臺其它軸的尋零方式和流程與方位軸是一樣的。當(dāng)轉(zhuǎn)臺的所有軸尋零結(jié)束，則表明轉(zhuǎn)臺開機(jī)完成，可以進(jìn)入正常工作流程。各軸尋零結(jié)束時，必須將尋零標(biāo)志位置為無效，這樣轉(zhuǎn)臺在正常工作時，光電開關(guān)控制的電平信號不會對轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動產(chǎn)生影響，而電流檢測電路檢測到的電流值可以作為轉(zhuǎn)臺電流環(huán)的輸入?yún)?shù)使用。通過本發(fā)明，轉(zhuǎn)臺在尋零時不會因?yàn)楣怆婇_關(guān)損壞導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺無法正常開機(jī)工作， 在不增加成本的情況下大大提高了轉(zhuǎn)臺的尋零可靠性。
權(quán)利要求
1. 一種有限轉(zhuǎn)角伺服轉(zhuǎn)臺用位置尋零方法，其特征在于該方法包括以下操作步驟 首先在伺服轉(zhuǎn)臺的機(jī)械零位與正向機(jī)械限位之間設(shè)置一個光電開關(guān)，每當(dāng)伺服轉(zhuǎn)臺開機(jī)時，控制器初始化之后依次完成如下操作將尋零標(biāo)志位設(shè)置為有效；向伺服控制電路發(fā)送電機(jī)正向轉(zhuǎn)動指令；實(shí)時查詢工/O檢測電路是否檢測到光電開關(guān)控制的TTL電平信號和實(shí)時監(jiān)測電流檢測電路檢測到的電機(jī)電流值；當(dāng)I/O檢測電路檢測到TTL電平信號時，向伺服控制電路發(fā)送電機(jī)反轉(zhuǎn)指令并使脈沖計數(shù)器清零；讀取脈沖計數(shù)器實(shí)時記錄的電機(jī)反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，直到脈沖數(shù)達(dá)到光電開關(guān)與機(jī)械零位夾角所對應(yīng)的脈沖數(shù)時，向伺服控制電路發(fā)送電機(jī)停轉(zhuǎn)指令，使脈沖計數(shù)器清零并將尋零標(biāo)志位設(shè)置為無效；在I/O檢測電路未檢測到TTL電平信號的情況下，如果監(jiān)測到電流檢測電路檢測到的電機(jī)電流值已達(dá)到設(shè)置的門限值時，向伺服控制電路輸出電機(jī)反轉(zhuǎn)指令并使脈沖計數(shù)器清零；讀取脈沖計數(shù)器實(shí)時記錄的電機(jī)反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，直到脈沖數(shù)達(dá)到正向機(jī)械限位與機(jī)械零位夾角所對應(yīng)的脈沖數(shù)時， 向伺服控制電路發(fā)送電機(jī)停轉(zhuǎn)指令，給脈沖計數(shù)器清零并將尋零標(biāo)志位設(shè)置為無效。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有限轉(zhuǎn)角伺服轉(zhuǎn)臺用位置尋零方法，屬于伺服控制技術(shù)領(lǐng)域。該方法在伺服轉(zhuǎn)臺的機(jī)械零位與正向限位之間安裝了一個光電開關(guān)，并將光電開關(guān)位置和正向機(jī)械限位分別作為本方法的第一參考點(diǎn)和輔助參考點(diǎn)，在伺服轉(zhuǎn)臺開機(jī)時，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動，如果查詢到光電開關(guān)控制的TTL電平信號或者監(jiān)測到電機(jī)的電流值達(dá)到設(shè)置門限值，即可控制電機(jī)反轉(zhuǎn)相應(yīng)的已知角度，就能夠找到準(zhǔn)確的機(jī)械零位。本發(fā)明優(yōu)先用第一參考點(diǎn)進(jìn)行位置尋零，而在光電開關(guān)失效時，可通過輔助參考點(diǎn)進(jìn)行位置尋零。本發(fā)明在不增加任何成本的基礎(chǔ)上，提高了伺服轉(zhuǎn)臺的尋零可靠性和工作穩(wěn)定性。
文檔編號G05B19/18GK102183916SQ20101058429
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者孟海江, 慕巍, 李廣良, 王小齊, 王若亮, 王虎, 程剛, 胡博, 邢軍智, 邱亞, 陸培國, 馬優(yōu)恒 申請人:中國兵器工業(yè)第二〇五研究所