[发明专利]曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置及控制方法。

背景技术

曲柄滑块机构是机械设备中最常用的结构。如图1所示，是曲柄滑块机构的示意图：电机通过转轴17带动大转盘11旋转，与大转盘11内切的小转盘12在大转盘11带动下在大转盘11内滚动；曲柄13的第一端连接在小转盘12的圆心、第二端连接滑块14；在小转盘12运转时，曲柄13带动滑块14在两侧的轨道16内做往复运动。

在滑块14一侧的轨道16上设有光栅尺15，该光栅尺15将滑块14的运动信息反馈（即位置反馈）给电机控制系统，电机控制系统根据位置指令和位置反馈的偏差，采用线性位置比例PID调节器进行闭环，实现位置精确控制。

然而，由于曲柄滑块机构本身的特性，其运动轨迹呈非线性，位置指令和位置反馈的偏差同样呈现非线性变化，例如在机械位置的上止点和下止点，这种非线性变化尤为明显。传统的线性位置比例PID调节器在这样的工况条件下，定位缓慢，机械加工效率大大降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述曲柄滑块机构定位缓慢的问题，提供一种曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置及控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置，所述曲柄滑块机构由伺服电机带动运行，包括第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元以及位置调节器，其中：所述第一计算单元，用于采样电机编码器的反馈数据并计算前一采样周期内电机的运转角度；所述第二计算单元，用于采样光栅尺的反馈信息并计算前一采样周期内滑块的移动距离；所述第三计算单元，用于根据所述电机的运转角度以及滑块的移动距离生成比例增益系数；所述位置调节器，用于使用所述比例增益系数调整输出到电机的位置控制指令。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置中，所述第三计算单元通过以下计算式计算比例增益系数：Kp=K×Δα/ΔH，其中Δα为前一采样周期内电机运转角度，ΔH为前一采样周期内滑块的移动距离，K为设定的常数。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置中，所述位置调节器为PID调节器，该PID调节器的输入端分别为位置控制指令及光栅尺反馈的位置信息、输出端为调整后的为位置控制指令。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置中，所述第一计算单元将当前采样点与前一采样点转子的位置差作为前一采样周期内电机的运转角度。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置中，所述第二计算单元将当前采样点与前一采样点滑块的位置差作为前一采样周期内滑块的移动距离。

本发明还提供一种曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法，所述曲柄滑块机构由伺服电机带动运行，包括以下步骤：

（a）采样电机编码器的反馈数据并计算前一采样周期内电机的运转角度，以及采样光栅尺的反馈信息并计算前一采样周期内滑块的移动距离；

（b）根据所述电机的运转角度以及滑块的移动距离生成比例增益系数；

（c）位置调节器使用所述比例增益系数调整输出到电机的位置控制指令。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法中，所述步骤（b）中的比例增益系数通过以下计算式计算获得：Kp=K×Δα/ΔH，其中Δα为前一采样周期内电机运转角度，ΔH为前一采样周期内滑块的移动距离，K为设定的常数。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法中，所述位置调节器为PID调节器，该PID调节器的输入端分别为位置控制指令及光栅尺反馈的位置信息、输出端为调整后的位置控制指令。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法中，所述步骤（a）中，将当前采样点与前一采样点电机转子的位置差作为前一采样周期内电机的运转角度。

在本发明所述的曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法中，所述步骤（a）中，将当前采样点与前一采样点滑块的位置差作为前一采样周期内滑块的移动距离。

本发明曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置及控制方法，根据电机旋转的角度及滑块的位置实时计算比例增益系数，并使用该比例增益系数调整输出到电机的位置控制指令，可显著提高定位速度，提高机械加工效率。

附图说明

图1是曲柄滑块机构的示意图。

图2是曲柄滑块机构中大转盘的运行轨迹示意图。

图3是本发明曲柄滑块机构的全闭环位置调节装置实施例的示意图。

图4是本发明曲柄滑块机构的全闭环位置控制方法实施例的流程示意图。