專利名稱：一種雙電機驅(qū)動消隙裝置及消隙方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙電機驅(qū)動消隙裝置及消隙方法，更具體的說，尤其涉及一種采 用兩個電機進行驅(qū)動并消隙的雙電機驅(qū)動消隙裝置及消隙方法。
背景技術(shù)：
在高精度的位置伺服系統(tǒng)中，由于傳動機構(gòu)的機械加工誤差和機械磨損的存在， 使得電機至受控對象之間存在較大的傳動間隙。為此，人們采用消隙齒輪、自動預(yù)緊機構(gòu)等 辦法消除此間隙，此方法可有效的消除傳動間隙的靜態(tài)誤差，但在高精度的位置伺服中，電 機驅(qū)動負載進行頻繁的換向，即使采用上述的機械消隙措施，由于間隙所造成的瞬態(tài)誤差 仍難以克服，使得控制精度達不到所需的控制要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述技術(shù)問題的缺點，提供了一種采用兩個電機進行驅(qū)動的雙電 機驅(qū)動消隙裝置。本發(fā)明的雙電機驅(qū)動消隙裝置，包括固定于導(dǎo)向臺上的齒條、與工作臺相固定的 驅(qū)動電機和對驅(qū)動電機進行控制的電機控制系統(tǒng)，其特別之處在于所述的驅(qū)動電機包括 第一電機和第二電機，所述的電機控制系統(tǒng)包括第一電機控制系統(tǒng)和第二電機控制系統(tǒng)；所述的第一電機控制系統(tǒng)和第二電機控制系統(tǒng)均包括對相應(yīng)電機的位置進行檢測的位置 測量模塊、與位置測量模塊輸出端相連的位置控制器、與位置控制器的輸出端相連的速度 控制器、電流控制器，所述位置控制器的輸入端還連接有插補信號；所述的電流控制器的輸 入端與輸出端分別與速度控制器的輸出端和相應(yīng)電機的輸入端相連接；所述電機控制系統(tǒng) 還包括PI控制器和濾波器模塊，所述PI控制器的輸入端和輸出端分別與兩個速度控制器 的輸出端和輸入端相連接，所述濾波器的輸入端與輸出端分別與力矩差值信號和PI控制 器的輸入端相連接。如果采用單個電機來進行傳動的過程中，當(dāng)電機的環(huán)形的過程中，由于 齒輪和齒條相配合時存在間隙，導(dǎo)致傳動精度不高。因此，本發(fā)明的驅(qū)動電機設(shè)置第一電機 和第二電機，以便實現(xiàn)傳遞過程中的消隙，第一電機和第二電機固定在工作臺上；位置測量 模塊用于對電機移動位置進行檢測并把檢測到的結(jié)果反饋輸入到位置控制器的輸入端，位 置控制器的輸入端還連接有插補信號，以便控制電機的運行精度。第一電機輸出的力矩值 與第二電機輸出的力矩值之差的大小可以通過改變力矩差值信號來實現(xiàn)。力矩差值信號經(jīng) 由濾波器處理之后接到PI控制器的輸入端，PI控制器的輸入端還與兩速度控制器的輸出 端相連接，PI控制器可實現(xiàn)對力矩差值信號和兩個速度控制器輸出端信號的運算并把運算 的結(jié)果反饋到速度控制器的輸入端，實現(xiàn)對電機的精準(zhǔn)控制。電流控制器用于實現(xiàn)對電機 的直接控制。本發(fā)明的雙電機驅(qū)動消隙裝置，所述的第一電機控制系統(tǒng)和第二電機控制系統(tǒng)均 包括用于檢測電機電流的電流檢測模塊和用于測量電機轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速測量模塊；所述的電流 測量模塊與電流控制器的輸入端電氣連接，所述的轉(zhuǎn)速測量模塊與速度控制器的輸入端電氣連接。電流檢測模塊實現(xiàn)電機電流的測量，并把檢測到的電流值反饋至電流控制器的輸 入端，使得電流控制器的控制形成一個閉環(huán)控制回路，使得控制更加的準(zhǔn)確和穩(wěn)定；轉(zhuǎn)速測 量模塊可實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的測量，并把測得量接到速度控制器的輸入端，使得速度控制器也 組成一個閉環(huán)回路，使得控制回路更加的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。本發(fā)明的雙電機驅(qū)動消隙裝置，所述的位置測量模塊為電機編碼器或光柵尺。電 機編碼器和光柵尺所實現(xiàn)的精度等級不同，根據(jù)控制精度的要求可選擇電機編碼器或光柵 尺。本發(fā)明的雙電機驅(qū)動消隙裝置，所述的第一電機和第二電機均為伺服電機。伺服 電機有控制精度的較好，可以滿足控制要求。本發(fā)明為了克服上述技術(shù)問題的缺點，提供了一種采用兩個電機進行驅(qū)動的雙電 機驅(qū)動消隙裝置。本發(fā)明的雙電機驅(qū)動裝置的消隙方法，所述雙電機驅(qū)動裝置包括固定于導(dǎo)向臺上 的齒條、與工作臺相固定的驅(qū)動電機和對驅(qū)動電機進行控制的電機控制系統(tǒng)，所述的驅(qū)動 電機包括第一電機和第二電機，其特別之處在于通過電機控制系統(tǒng)的控制作用，在第一電 機和第二電機運行的過程中，始終保持第一電機的輸出力矩與第二電機的輸出力矩之差為 一恒定值A(chǔ)。通過把第一電機的輸出力矩與第二電機的輸出力矩之差設(shè)定為一恒定值A(chǔ)， 使得單個電機的額定功率得到降低，也使得齒輪和齒條的模數(shù)降低，有效的減小了減速箱 和齒輪齒條傳動副的尺寸。本發(fā)明的雙電機驅(qū)動裝置的消隙方法，所述第一電機和第二電機的額定力矩相等 且均大于工作臺移動時所需的最大力矩；所述恒定值△為第一電機或第二電機額定力矩 的5% 30%。恒定值選取的越大，要求的單個電機的額定功率就越大，要求的減速箱和傳 動副的體積也較大，不利于降低成本且會占用較大的空間；如果而定值選取的過小，不易實 現(xiàn)消隙功能。本發(fā)明的雙電機驅(qū)動裝置的消隙方法，所述恒定值的確定包括以下步驟a.首先把恒定值A(chǔ)設(shè)定為電機額定力矩的5%，并檢測這時驅(qū)動裝置的運行精 度，如果精度在允許的范圍內(nèi)，則在此恒定值△下運行即可；如果精度不符合要求，則進行 下一步；b.把恒定值A(chǔ)設(shè)定為電機額定力矩的30%，并檢測這時驅(qū)動裝置的運行精度，如 果精度在允許的范圍內(nèi)，則在此恒定值△下運行即可；如果精度不符合要求，則進行下一
少；c.把步驟a中檢測的運行精度與步驟b中檢測的運行精度進行比較；如果步驟a 所檢測到的運行精度較高，則恒定值A(chǔ)取A = (5+niO%進行試驗并進行精度檢測，直至 運行精度滿足要求；如果步驟b所檢測到的運行精度較高，則恒定值A(chǔ)取A = (30-nu) % 進行試驗并進行精度檢測，直至運行精度滿足要求；其中，P = 1、2或3，n= 1，2，3…。恒定值A(chǔ)的取值不唯一，可能較多的離散值均可滿足要求，通過上述步驟可以方 便快捷的實現(xiàn)恒定值△的選取。本發(fā)明的雙電機驅(qū)動裝置的消隙方法，所述電機控制系統(tǒng)采用力矩同步控制技術(shù) 對第一電機和第二電機進行控制。本發(fā)明的有益效果是通過設(shè)置兩個電機來實現(xiàn)消隙，即消除了機床定位時易產(chǎn)生的間隙震蕩，也降低了單個電機的額定功率以及齒輪與齒條的模數(shù)，使得傳遞精度更高 更穩(wěn)定，減小了減速箱、齒輪和齒條的體積；同預(yù)加載荷的機械消隙方法中只能消除最后 一級齒輪-齒條的間隙相比，本發(fā)明的雙電機驅(qū)動消隙可完全消除傳動鏈中所有的嚙合側(cè) 隙。


圖1為本發(fā)明的機械結(jié)構(gòu)部分的原理示意圖；圖2為本發(fā)明的電路控制系統(tǒng)的原理圖；圖3為本發(fā)明的雙電機驅(qū)動消隙裝置及消隙方法的消隙原理示意圖。圖中1第一電機，2第二電機，3齒條。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1給出了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明的雙電機驅(qū)動消隙裝置包括第一電機1、 第二電機2和齒條3，所示的齒條3固定在導(dǎo)向臺上，該導(dǎo)向臺可以是水平的導(dǎo)軌平臺也可 以是其他方向的平臺，在工作臺移動或靜止的過程中齒條3均處于靜止?fàn)顟B(tài)，第一電機1和 第二電機2均固定在工作臺上，與齒條3相配合的兩個齒輪分別與第一電機1和第二電機 2通過傳動機構(gòu)相連接。圖2為本電路控制系統(tǒng)的原理圖，第一電機1和第二電機2的控制系統(tǒng)均包括電 機編碼器、位置控制器、速度控制器、電流控制器、電流檢測模塊、轉(zhuǎn)速測量模塊，電機編碼 器用于實現(xiàn)電機位置的測量并把測得的數(shù)據(jù)反饋給位置控制器，電流檢測模塊用于檢測流 經(jīng)電機線圈電流的大小并把測得的數(shù)值反饋給電流控制器，轉(zhuǎn)速測量模塊用于檢測電機的 轉(zhuǎn)速并把測量的數(shù)值反饋給速度控制器。圖2所示的電路控制系統(tǒng)還包括PI控制器和濾 波器，濾波器輸入端的輸入信號為力矩差值信號，力矩差值信號即圖中所示的力矩偏差信 號，通過改變力矩差值信號的大小就可改變第一電機輸出力矩與第二電機輸出力矩之間差 值的大小，力矩差值信號經(jīng)濾波器濾波后接到PI控制器的輸入端，力矩差值信號和兩速度 控制器輸出端的輸出信號為PI控制器輸入端的輸入信號，PI控制器的輸出信號接到兩速 度控制器的輸入端。位置控制器輸入端的信號為系統(tǒng)給定的插補信號和電機編碼器的反饋 信號，輸出端與速度控制器的輸入端相連接；電機編碼器把測得的信號反饋到位置控制器 的輸入端，使得控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得控制更加的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。速度控制器輸入 端的信號為位置控制器的輸出信號、PI控制器的輸出信號和轉(zhuǎn)速測量模塊的反饋信號，轉(zhuǎn) 速測量模塊把測量的速度信號反饋到速度控制器的輸入端，使得速度信號的控制也為閉環(huán) 控制，使得控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定。電流控制器輸入端的信號為速度控制器的輸出信號、電流檢 測模塊的反饋信號，電流控制器的控制方式也為閉環(huán)回路控制。圖2中所示的機械連接表 示第一電機和第二電機在工作的過程中處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。方法實施例1，如圖1和圖2所示的本發(fā)明的雙電機驅(qū)動消隙裝置，采用如下方法 實現(xiàn)消隙通過電機控制系統(tǒng)的控制作用，在第一電機和第二電機運行的過程中，始終保持 第一電機的輸出力矩與第二電機的輸出力矩之差為一恒定值Δ。方法實施例2，如圖1和圖2所示的本發(fā)明的雙電機驅(qū)動消隙裝置，采用如下方法實現(xiàn)消隙通過電機控制系統(tǒng)的控制作用，在第一電機和第二電機運行的過程中，始終保持 第一電機的輸出力矩與第二電機的輸出力矩之差為一恒定值△；第一電機和第二電機的 額定力矩相等，恒定值A(chǔ)為第一電機或第二電機額定力矩的5% 30%。方法實施例3，如圖1和圖2所示的本發(fā)明的雙電機驅(qū)動消隙裝置，采用如下方法 實現(xiàn)消隙通過電機控制系統(tǒng)的控制作用，在第一電機和第二電機運行的過程中，始終保持 第一電機的輸出力矩與第二電機的輸出力矩之差為一恒定值△；恒定值△按照如下方法 確定a.首先把恒定值A(chǔ)設(shè)定為電機額定力矩的5%，并檢測這時驅(qū)動裝置的運行精 度，如果精度在允許的范圍內(nèi)，則在此恒定值△下運行即可；如果精度不符合要求，則進行 下一步；b.把恒定值A(chǔ)設(shè)定為電機額定力矩的30%，并檢測這時驅(qū)動裝置的運行精度，如 果精度在允許的范圍內(nèi)，則在此恒定值△下運行即可；如果精度不符合要求，則進行下一
少；c.把步驟a中檢測的運行精度與步驟b中檢測的運行精度進行比較；如果步驟a 所檢測到的運行精度較高，則恒定值A(chǔ)取A = (5+niO%進行試驗并進行精度檢測，直至 運行精度滿足要求；如果步驟b所檢測到的運行精度較高，則恒定值A(chǔ)取A = (30-nu) % 進行試驗并進行精度檢測，直至運行精度滿足要求；其中，P = 1、2或3，n= 1，2，3…。方法實施例4，在方法實施例3中，所述的恒定值△按照如下方法確定a.首先把恒定值A(chǔ)設(shè)定為電機額定力矩的5%，并檢測這時驅(qū)動裝置的運行精 度，如果精度在允許的范圍內(nèi)，則在此恒定值△下運行即可；如果精度不符合要求，則進行 下一步；b.把恒定值A(chǔ)設(shè)定為電機額定力矩的30%，并檢測這時驅(qū)動裝置的運行精度，如 果精度在允許的范圍內(nèi)，則在此恒定值△下運行即可；如果精度不符合要求，則進行下一步;c.把步驟a中檢測的運行精度與步驟b中檢測的運行精度進行比較；如果步驟a 所檢測到的運行精度較高，則恒定值A(chǔ)取A = (5+niO%進行試驗并進行精度檢測，直至 運行精度滿足要求；如果步驟b所檢測到的運行精度較高，則恒定值A(chǔ)取A = (30-nu0% 進行試驗并進行精度檢測，直至運行精度滿足要求；其中，P = l,n= 1，2，3…。圖3給出了本發(fā)明的雙電機驅(qū)動消隙裝置及消隙方法的消隙原理示意圖，其包括 圖(1)至圖(8)八個狀態(tài)示意圖，所示的master或slave齒輪分別與第一電機或第二電機 的輸出軸傳動連接。不妨設(shè)master齒輪與第一電機的輸出軸相連接，slaver齒輪與第二 電機的輸出軸相連接，圖(1)為靜止?fàn)顟B(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖，在這種狀態(tài)下，第一電機和第二 電機的輸出力矩大小相等方向相反，且第一電機和第二電機的輸出力矩大小均為恒定值A(chǔ) 大小的二分之一，左側(cè)的master齒輪與齒條上的相應(yīng)齒的左齒面緊密接觸，右側(cè)的slaver 齒輪與齒條上的相應(yīng)齒的右齒面緊密接觸；圖(2)至圖(5)均為工作臺向左加速狀態(tài)下的 示意圖，圖(2)中所示的第一電機的輸出力矩加大，第二電機的速出力矩減??；圖(3)中 所示第一電機的輸出力矩等于恒定值△，第二電機輸出力矩的大小變?yōu)榱?，在圖(3)所示 的時刻之前，第二電機輸出力矩的轉(zhuǎn)動方向為順時針方向；圖(4)中所示的第一電機和第 二電機的力矩值方向相同且均達到了最大值，這時，不僅工作臺克服最大靜摩擦力，開始運動，而且slaver齒輪與齒條上的相應(yīng)齒的左齒面緊密接觸，以便在第一電機和第二電機的 共同作用下開始運動，有利于減小單個電機的而定功率；圖(5)和圖(6)為第一電機和第二 電機克服最大靜摩擦力之后由加速到勻速的過程，根據(jù)工作臺移動時所需克服的摩擦力大 小和設(shè)定的兩電機力矩之差的恒定值△大小不同，圖(5)和圖(6)所示的第一電機和第二 電機的力矩會有所不同；圖(7)和圖(8)為減速狀態(tài)下的示意圖，在第一電機和第二電機共 同的作用下，工作臺進行向左運動的減速運動，最后的狀態(tài)會回到如圖(1)所示的靜止?fàn)?態(tài)。 在進行檢測和控制工作臺移動位置的過程中，如果是向左運動，則左面的電機 (即第一電機)作為主運動電機，工作臺的行程控制和測量均通過第一電機來實現(xiàn)；如果是 向右運動，則右面的電機(即第二電機)作為主運動電機，工作臺的行程控制和測量均通過 第二電機來實現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種雙電機驅(qū)動消隙裝置，包括固定于導(dǎo)向臺上的齒條(3)、與工作臺相固定的驅(qū)動電機和對驅(qū)動電機進行控制的電機控制系統(tǒng)，其特征在于所述的驅(qū)動電機包括第一電機(1)和第二電機(2)，所述的電機控制系統(tǒng)包括第一電機控制系統(tǒng)和第二電機控制系統(tǒng)；所述的第一電機控制系統(tǒng)和第二電機控制系統(tǒng)均包括對相應(yīng)電機的位置進行檢測的位置測量模塊、與位置測量模塊輸出端相連的位置控制器、與位置控制器的輸出端相連的速度控制器、電流控制器，所述位置控制器的輸入端還連接有插補信號；所述的電流控制器的輸入端與輸出端分別與速度控制器的輸出端和相應(yīng)電機的輸入端相連接；所述電機控制系統(tǒng)還包括PI控制器和濾波器模塊，所述PI控制器的輸入端和輸出端分別與兩個速度控制器的輸出端和輸入端相連接，所述濾波器的輸入端與輸出端分別與力矩差值信號和PI控制器的輸入端相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙電機驅(qū)動消隙裝置，其特征在于所述的第一電機控制系 統(tǒng)和第二電機控制系統(tǒng)均包括用于檢測電機電流的電流檢測模塊和用于測量電機轉(zhuǎn)速的 轉(zhuǎn)速測量模塊；所述的電流測量模塊與電流控制器的輸入端電氣連接，所述的轉(zhuǎn)速測量模 塊與速度控制器的輸入端電氣連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙電機驅(qū)動消隙裝置，其特征在于所述的位置測量模 塊為電機編碼器或光柵尺。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙電機驅(qū)動消隙裝置，其特征在于所述的第一電機和 第二電機均為伺服電機。
5.一種雙電機驅(qū)動裝置的消隙方法，所述雙電機驅(qū)動裝置包括固定于導(dǎo)向臺上的齒條 (3)、與工作臺相固定的驅(qū)動電機和對驅(qū)動電機進行控制的電機控制系統(tǒng)，所述的驅(qū)動電機 包括第一電機(1)和第二電機(2)，其特征在于通過電機控制系統(tǒng)的控制作用，在第一電 機(1)和第二電機(2)運行的過程中，始終保持第一電機的輸出力矩與第二電機的輸出力 矩之差為一恒定值Δ。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙電機驅(qū)動裝置的消隙方法，其特征在于所述第一電機和 第二電機的額定力矩相等且均大于工作臺移動時所需的最大力矩；所述恒定值△為第一 電機或第二電機額定力矩的5% 30%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的雙電機驅(qū)動消隙裝置，其特征在于所述恒定值的確定 包括以下步驟a.首先把恒定值Δ設(shè)定為電機額定力矩的5%，并檢測這時驅(qū)動裝置的運行精度，如 果精度在允許的范圍內(nèi)，則在此恒定值△下運行即可；如果精度不符合要求，則進行下一止少；b.把恒定值Δ設(shè)定為電機額定力矩的30%，并檢測這時驅(qū)動裝置的運行精度，如果精 度在允許的范圍內(nèi)，則在此恒定值△下運行即可；如果精度不符合要求，則進行下一步；c.把步驟a中檢測的運行精度與步驟b中檢測的運行精度進行比較；如果步驟a所檢 測到的運行精度較高，則恒定值Δ取Δ = (5+η μ 進行試驗并進行精度檢測，直至運行 精度滿足要求；如果步驟b所檢測到的運行精度較高，則恒定值Δ取Δ = (30_ημ)%進 行試驗并進行精度檢測，直至運行精度滿足要求；其中，μ =1、2或3，11= 1，2，3…。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙電機驅(qū)動消隙裝置，其特征在于所述電機控制系統(tǒng)采用 力矩同步控制技術(shù)對第一電機(1)和第二電機(2)進行控制。
全文摘要
本發(fā)明的雙電機驅(qū)動消隙裝置包括固定于導(dǎo)向臺上的齒條、與工作臺相固定的驅(qū)動電機和對驅(qū)動電機進行控制的電機控制系統(tǒng)，其特別之處在于所述的驅(qū)動電機包括第一電機和第二電機，所述的第一電機控制系統(tǒng)和第二電機控制系統(tǒng)均包括對相應(yīng)電機的位置進行檢測的位置測量模塊、與位置測量模塊輸出端相連的位置控制器、與位置控制器的輸出端相連的速度控制器、電流控制器。本發(fā)明的消隙方法其特別之處在于通過電機控制系統(tǒng)的控制作用，在第一電機和第二電機運行的過程中，始終保持第一電機的輸出力矩與第二電機的輸出力矩之差為一恒定值Δ。本發(fā)明通過設(shè)置兩個電機來實現(xiàn)消隙，即消除了間隙震蕩，也降低了齒輪與齒條的模數(shù)。
文檔編號H02P5/52GK101841286SQ20101018528
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者劉翔云, 劉通, 李文濤 申請人:濟南二機床集團有限公司