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CN111416561B - 一种改进的电机三环控制方法 - Google Patents

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CN111416561B CN202010158446.2A CN202010158446A CN111416561B CN 111416561 B CN111416561 B CN 111416561B CN 202010158446 A CN202010158446 A CN 202010158446A CN 111416561 B CN111416561 B CN 111416561B
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郑龙
邢褀琪
陈青
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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

本发明涉及一种改进的电机三环控制方法，具体步骤如下：在电机三环控制中的速度环后增加一个可设定最小值和最大值范围以对速度环输出量进行判断并调整速度环输出量的输出限制模块；根据需要切换的模式，设定好输出限制模块范围，通过控制器下发指令位置、力矩前馈量以及设定好的输出限制模块范围至电机上，以使电机切换到需要的模式。与现有技术相比，本发明能够实现位置控制模式与力矩控制模式之间的快速切换，节省了大量切换时间；此外，本发明中的速度环输出量可以动态调整，进而可以控制机器人位置控制的响应特性。

Description

一种改进的电机三环控制方法
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，具体为一种改进的电机三环控制方法。
背景技术
随着机器人技术的发展，基于动力学的拖动示教功能得到了广泛应用。在拖动示教应用中，一种常见的拖动实现方式是通过让电机工作在力矩控制模式下，控制器实时计算出各轴静平衡所需的力矩值并作为指令力矩下发至电机处，使得机器人能够实现自平衡，这样操作员只需较小的力即可实现各轴的拖动。而当机器人处于示教再现模式下，电机需要工作在位置控制模式下才能够保证很好的位置精度。也就是说在拖动示教应用中，电机需要经常在力矩控制模式与位置控制模式间进行切换。
目前电机一般采用三环控制，由外到内分别是位置环、速度环、电流环。对应的也有三种控制模式，即位置控制模式、速度控制模式以及力矩控制模式。位置控制模式需要用到位置环、速度环、电流环这三环，而力矩控制模式则只需要使用电流环。在进行模式切换时，先需要下伺服，让电机处于抱闸状态，然后进行模式切换，最后上伺服，松开抱闸，使电机工作在新的控制模式下。因为需要上下伺服，过程较复杂，耗时长。因而研究在上伺服的状态下实现电机力矩控制模式与位置控制模式的快速切换显得非常重要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种改进的电机三环控制方法。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种改进的电机三环控制方法，具体步骤如下：
(1)在电机三环控制中的速度环后增加一个可设定最小值和最大值以对速度环输出量进行判断并调整速度环输出量的输出限制模块；
(2)根据需要切换的力矩控制模式、位置控制模式，设定好输出限制模块范围，通过控制器下发指令位置、力矩前馈量以及设定好的输出限制模块范围至电机上，以使电机切换到需要的模式。
进一步地，所述步骤(1)中输出限制模块的输入与输出之间的公式如下：
Figure GDA0003494181670000021
在公式(一)中Vin为输出限制模块的输入也即速度环输出量，Vout为输出限制模块的输出值，min为输出限制模块定义的最小值，而max为输出限制模块定义的最大值。
进一步地，若步骤(2)中电机需要切换到力矩控制模式时，具体步骤如下：
(A)设定输出限制模块的输出的最小值和最大值均为零；
(B)在位置环计算得到速度环输入量，在速度环计算得到速度环输出量；
(C)速度环输出量经过输出限制模块后，速度环输出量为零，然后加上力矩前馈量一起作为电流环的输入量；
(D)在电流环，计算电流环的输入量和经电流反馈模块得到的力矩之差，即力矩跟随误差，力矩跟随误差经过驱动电路转换为电流发给电机，以使电机切换到力矩控制模式上。
进一步地，若步骤(2)中电机需要切换到位置控制模式时，具体步骤如下：
(S1)设定输出限制模块的输出的最小值小于负的电机峰值力矩，最大值大于正的电机峰值力矩；
(S2)在位置环计算得到速度环输入量，在速度环计算得到速度环输出量；
(S3)速度环输出量经过输出限制模块后，速度环输出量不变，然后加上力矩前馈量一起作为电流环的输入量；
(S4)在电流环，计算电流环的输入量和经电流反馈模块得到的力矩之差，即力矩跟随误差，力矩跟随误差经过驱动电路转换为电流发给电机，以使电机切换到位置控制模式上。
进一步地，在位置环，计算指令位置和经位置反馈模块得到的实际位置之差，即为位置跟随误差，位置跟随误差经过位置控制模块得到速度环的输入量。
进一步地，在速度环，计算速度环输入量和经速度反馈模块得到的实际速度之差，即速度跟随误差，速度跟随误差经过速度控制模块得到速度环输出量。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明能够实现位置控制模式与力矩控制模式之间的快速切换，节省了大量切换时间；此外，本发明中的速度环输出量可以动态调整，进而可以控制机器人位置控制的响应特性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1为本发明的电机三环控制框图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。
如图1所示，一种改进的电机三环控制方法，具体步骤如下：
(1)在电机三环控制中的速度环后增加一个可设定最小值和最大值以对速度环输出量进行判断并调整速度环输出量的输出限制模块。
具体的，所述步骤(1)中输出限制模块的输入与输出之间的公式如下：
Figure GDA0003494181670000031
在公式(一)中Vin为输出限制模块的输入也即速度环输出量，Vout为输出限制模块的输出值，min为输出限制模块定义的最小值，而max为输出限制模块定义的最大值。
当速度环输出量大于输出限制模块定义的最大值时，速度环输出量被调整为输出限制模块的最大值；当速度环输出量小于输出限制模块定义的最小值时，速度环输出量被调整为输出限制模块的最小值；而当速度环输出量介于输出限制模块定义的最大值与最小值之间时，速度环输出量保持不变。
(2)根据需要切换的力矩控制模式、位置控制模式，设定好输出限制模块范围，通过控制器下发指令位置、力矩前馈量以及设定好的输出限制模块范围至电机上，以使电机切换到需要的模式。
为了更进一步阐述本方法，现以电机在上伺服状态下，在力矩控制模式和位置控制模式之间切换为例。已知速度环输出量的范围在负的电机峰值力矩到正的电机峰值力矩之间。
当电机需要切换到力矩控制模式时，具体步骤如下：
(A)设定输出限制模块的输出的最小值和最大值均为零。
(B)在位置环计算指令位置和经位置反馈模块得到的实际位置之差，即为位置跟随误差，位置跟随误差经过位置控制模块得到速度环输入量；在速度环，计算速度环输入量和经速度反馈模块得到的实际速度之差，即速度跟随误差，速度跟随误差经过速度控制模块得到速度环输出量。
(C)速度环输出量经过输出限制模块后，根据步骤(1)中的公式(一)可知，速度环输出量始终为零，然后加上力矩前馈量一起作为电流环的输入量。
(D)在电流环，计算电流环的输入量和经电流反馈模块得到的力矩之差，即力矩跟随误差，力矩跟随误差经过驱动电路转换为电流发给电机，以使电机切换到力矩控制模式上。
当电机需要切换到力矩控制模式时，具体步骤如下：
(S1)设定输出限制模块的输出的最小值小于负的电机峰值力矩，最大值大于正的电机峰值力矩。在本实施例中，设定输出限制模块的最小值为负的两倍电机峰值力矩，最大值为正的两倍电机峰值力矩。
(S2)在位置环计算指令位置和经位置反馈模块得到的实际位置之差，即为位置跟随误差，位置跟随误差经过位置控制模块得到速度环的输入量；在速度环，计算速度环的输入量和经速度反馈模块得到的实际速度之差，即速度跟随误差，速度跟随误差经过速度控制模块得到速度环输出量。
(S3)速度环输出量经过输出限制模块后，根据步骤(1)中的公式(一)可知，速度环输出量不变，然后加上力矩前馈量一起作为电流环的输入量。
(S4)在电流环，计算电流环的输入量和经电流反馈模块得到的力矩之差，即力矩跟随误差，力矩跟随误差经过驱动电路转换为电流发给电机，以使电机切换到位置控制模式上。
根据此控制方法，在当电机需要切换模式时，仅需要更改输出限制模块最小值和最大值即可实现电机在位置控制模式和力矩控制模式之间快速切换。与现有技术相比，本发明结构简单，切换时间耗时短，大大提高了切换效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种改进的电机三环控制方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)在电机三环控制中的速度环后增加一个可设定最小值和最大值以对速度环输出量进行判断并调整速度环输出量的输出限制模块；
(2)根据需要切换的力矩控制模式、位置控制模式，设定好输出限制模块范围，通过控制器下发指令位置、力矩前馈量以及设定好的输出限制模块范围至电机上，以使电机切换到需要的模式。
2.根据权利要求1所述的一种改进的电机三环控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中输出限制模块的输入与输出之间的公式如下：
Figure FDA0003494181660000011
在公式(一)中Vin为输出限制模块的输入也即速度环输出量，Vout为输出限制模块的输出值，min为输出限制模块定义的最小值，而max为输出限制模块定义的最大值。
3.根据权利要求2所述的一种改进的电机三环控制方法，其特征在于：若步骤(2)中电机需要切换到力矩控制模式时，具体步骤如下：
(A)设定输出限制模块的输出的最小值和最大值均为零；
(B)在位置环计算得到速度环输入量，在速度环计算得到速度环输出量；
(C)速度环输出量经过输出限制模块后，速度环输出量为零，然后加上力矩前馈量一起作为电流环的输入量；
(D)在电流环，计算电流环的输入量和经电流反馈模块得到的力矩之差，即力矩跟随误差，力矩跟随误差经过驱动电路转换为电流发给电机，以使电机切换到力矩控制模式上。
4.根据权利要求2所述的一种改进的电机三环控制方法，其特征在于：若步骤(2)中电机需要切换到位置控制模式时，具体步骤如下：
(S1)设定输出限制模块的输出的最小值小于负的电机峰值力矩，最大值大于正的电机峰值力矩；
(S2)在位置环计算得到速度环输入量，在速度环计算得到速度环输出量；
(S3)速度环输出量经过输出限制模块后，速度环输出量不变，然后加上力矩前馈量一起作为电流环的输入量；
(S4)在电流环，计算电流环的输入量和经电流反馈模块得到的力矩之差，即力矩跟随误差，力矩跟随误差经过驱动电路转换为电流发给电机，以使电机切换到位置控制模式上。
5.根据权利要求3或4所述一种改进的电机三环控制方法，其特征在于：在位置环，计算指令位置和经位置反馈模块得到的实际位置之差，即为位置跟随误差，位置跟随误差经过位置控制模块得到速度环输入量。
6.根据权利要求3或4所述一种改进的电机三环控制方法，其特征在于：在速度环，计算速度环输入量和经速度反馈模块得到的实际速度之差，即速度跟随误差，速度跟随误差经过速度控制模块得到速度环输出量。
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