一种线性模组闭环系统及其控制方法与流程

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种线性模组闭环系统及其控制方法。

背景技术：

线性模组也称为定位模组，是一种直线传动装置，它的构成可以通过两种方式实现。一种是滚珠丝杆和直线导轨组成，另一种是用同步带及同步带轮组成。其使用范围广，安装方便，精度高，以为广大的用户所接受！省去了自己制作直线运动的机构的具体环节。

常见的线性模组驱动方式有两种：手动机械式和电动驱动式。手动机械式属于比较陈旧的应用方式，靠人的肉眼观察对比标尺来确定模组的定位。这种方式在精度和效率方面都非常的低。随着科技的发展，生产机械、模拟仿真、分类机械、上料机械、往复机械、喷涂机械、抓取机械、移载机械等各个领域对生产效率和制造精度要求的不断提高，传统手动式线性模组已经逐渐的退出历史舞台。电动式驱动的线性模组在这种强烈需求下应运而生。它由步进电机驱动模组直线运动，加上智能控制器，其精度和效率都得到了极大的提升。电动式线性模组结构如图1所示。该线性模组由滚珠丝杆6、滑块7、电机架8、电机9等构成。其动作原理为：电机固定在电机架上，转动时带动丝杆一起转动。丝杆的转动又带动滑块进行线性移动。丝杆转动一周，滑块线性移动一个螺距。

该线性模组虽然极大的提高了工作效率，但是在应用的过程中仍然存在精度不可控的时候。例如3d打印机由3个线性模组构成x,y,z。三个坐标轴，当其中一个线性模组产生丢步的时候系统却无法捕获该错误的产生，其余两个轴依然继续运行，导致打印的配件不能符合生产的要求。又例如一个线性抓取的机械臂，在控制器发送出对应位置的脉冲后，步进电机因为启动瞬间丢步而无法将滑动块送到对应的位置上导致抓取失败或抓取错误而产生不可估量的损失。导致这些问题出现的原因在于当前应用在线性模组上的步进电机都是开环的运动控制系统。控制器在送出相应脉冲数后就主观的认为滑块已经运动到了对应位置，然而在某些特殊情况下滑块是有可能没有在对应的位置上的，比如滑块卡住或过载导致步进电机丢步。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种线性模组闭环系统，在现有的线性模组(由步进电机和模组的组合)基础上添加一个光栅编码器构成闭环的线性模组，实现线性模组的精度可控性。

本发明提供的一种线性模组闭环系统，包括滚珠丝杆、滑块、电机架、步进电机、光栅编码器和控制器，滑块安装在滚珠丝杆上，步进电机固定在机架上，步进电机的转轴的一端与滚珠丝杆连接，光栅编码器与步进电机的转轴的另一端连接，控制器与步进电机和光栅编码器均具有信号连接。

进一步，所述光栅编码器为反射式光栅编码器，该反射式光栅编码器包括反射式光栅码盘和信号处理芯片，反射式光栅码盘上刻有用于产生信号的码道；信号处理芯片封装在电路板上，信号处理芯片集成有发射光源、主信号接收和零位信号接收；反射式光栅码盘安装在微型步进电机转轴后端托盘上，电路板与反射式光栅码盘对应设置，且反射式光栅码盘上的码道正对着信号处理芯片的反射光线接收窗口；所述主信号为发射光源发射的光线照射到码道后反射回接收窗口的信号，所述零位信号为发射光源发射的光线照射到零位后反射回接收窗口的信号。

进一步，反射式光栅码盘与电路板的垂直距离在1.5mm以内。

进一步，信号处理芯片为4mm×4mm的qfn封装。

进一步，反射式光栅码盘上的码道包括360个刻线，每线1°，刻线宽度为91um。

进一步，还包括报警器，该报警器与控制器具有信号连接。

本发明另一方面提供的一种如上所述的线性模组闭环系统的控制方法，包括：

控制器根据上位机的位置需求计算出本次驱动的步进电机驱动脉冲数及光栅编码器的反馈信号中的脉冲数，并驱动步进电机转动；

在驱动的过程中控制器不断读取光栅编码器的反馈信号并对反馈信号中的脉冲计数；

如果编码器的反馈信号脉冲计数低于目标值，该目标值为上述计算出的光栅编码器的反馈信号中的脉冲数，但是编码器却没有信号反馈，那么判定步进电机正处于丢步的状态。

进一步，还包括：当判定步进电机处于丢步的状态时，控制器通过报警器发出警报提示工作人员已经产生了错误。

本发明在现有的线性模组(由步进电机和模组的组合)基础上添加一个光栅编码器构成闭环的线性模组，而加入了反射式光栅编码器的线性模组首先是一个高精度的闭环系统，能够应用在很多高精度要求的领域，如汽车装配等。其次，由于反射式光栅编码器具有尺寸小，精度高等特点该线性模组还能应用到更多领域比如机器人领域和自动医疗设备等。

附图说明

图1为现有技术中的电动式线性模组结构示意图；

图2为本发明实施例的线性模组闭环系统结构示意图；

图3为本发明实施例的电路板原理示意图；

图4-图5为本发明实施例的电路板与反射式光栅码盘的位置示意图；

图6(a)-6(b)为本发明实施例的反射式光栅编码器输出信号示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明在现有步进电机控制基础上加上光栅编码器作为闭环系统的位置反馈部件，该光栅编码器具有抗干扰强，热稳定性高，高精度和分辨率。不论是何种原因导致的步进电机丢步，编码器都能够将电机实时的位置信息反馈到控制器形成一个高精度的闭环控制系统。其结构如图2所示，包括滚珠丝杆6(用于连接步进电机和滑块)、滑块7(用于安装机械臂或者其它精确定位的设备)、电机架8(用于固定电机)、步进电机9(用于动能传递)、光栅编码器10(用于步进电机位置信号反馈)和控制器(用于接收控制信号并将其转换为位置通过编码器反馈信号对电机进行精确驱动)，滑块7安装在滚珠丝杆6上，步进电机9固定在电机架8上，步进电机9的转轴的一端与滚珠丝杆6连接，光栅编码器10与步进电机9的转轴的另一端连接，控制器与步进电机9和光栅编码器10均具有信号连接。

为了能够适应更多微型控制领域，该编码器采用反射式光栅编码器，反射式光栅编码器能够在更小的尺寸上获得更高精度的分辨率。本发明采用反射式光栅码盘加上相应的信号处理芯片构成反射式光栅编码器。在一个具体实施例中，可采用德国ichaus公司生产的反射式光栅码盘pr24s26-360加上该公司ic-pr2604系列信号处理芯片构成反射式光栅编码器。反射式光栅信号的处理是基于衍射的原理获取光电信号，其刻线宽度越小衍射效果越好。而线宽的减小对码盘和指示光栅(分度盘)之间的间隙无明显影响。该间隙经过实验测量大于透传式的10倍甚至更高，可以适应较为恶劣的环境。优选地，反射式光栅码盘上刻有360个刻线，每线1°，刻线宽度为91um。

信号处理芯片集发射光源、主信号(发射光源发射的光线照射到码道后反射回接收窗口的信号，用于记录一个圆周内的信号数)接收和零位信号(发射光源发射的光线照射到零位后反射回接收窗口的信号，用于记录圆周数)接收于一体，发射光源用于向码盘发射光线。优选地，信号处理芯片采用只有4mm×4mm的qfn封装，非常便于集成在微型步进电机内部。

反射式光栅码盘1可以直接安装在步进电机6转轴后端托盘上，而信号处理芯片2则需要设计在电路板3上，如图3所示。

电路板3与反射式光栅码盘1的相对位置如图4所示，反射式光栅码盘1上刻有码道4用于产生信号。为了使码道4产生的信号能被信号处理芯片2接收，应将反射式光栅码盘1上的码道4正对着信号处理芯片2的反射光线接收窗口5。优选地，反射式光栅码盘1与电路板3的垂直距离在1.5mm以内，如图5所示。当光线从信号处理芯片2发出来照射到码道4上的时候会反射回信号处理芯片2上的光电转换模块(芯片内部自带的模块)上面，通过光电转换产生正余弦波形，该波形再经过信号处理如放大、滤波、整形、插值等最终输出两路正交的数字信号。

当信号处理芯片2发出的光线照射到反射式光栅码盘1的码道4上时，如果码盘1在转动就会产生标准的正余弦信号。最终输出的信号如图6(a)-6(b)所示，其中，图6(a)为码盘正转(顺时针)时的输出信号示意图，图6(b)为码盘反转(逆时针)时的输出信号示意图。正转时，a信号相位领先b信号90°；反转时，b信号相位领先a信号90°。

本发明的控制原理如下：控制器根据上位机(用户的设备)的位置需求计算出本次驱动的步进电机驱动脉冲数及光栅编码器的反馈信号中的脉冲数，比如要求滑块向前驱动的距离为x(上位机向控制器发送的数据)，假设滚珠丝杆的螺纹距离为b(相邻两个螺纹的间距，该距离的意思是丝杆转动一周滑块移动的距离)，步进电机步距为θ，那么步进电机驱动脉冲数＝(x*360)/(b*θ)，光栅编码器的反馈信号中的脉冲数＝(x*360*m)/b，其中，公式中的m为光栅编码器的信号处理芯片内部插值系数(插值系数为1表示1个光栅刻线最终输出1个反馈信号；插值系数16表示1个光栅刻线最终输出16个反馈信号，16为本系统最大插值系数，反馈式光栅编码器由信号处理芯片决定)。假设步进电机步距为1.8°，也就是控制器发出一个脉冲，步进电机转动1.8°。当电机转动1.8°的时候，反射式码盘也转动1.8°，本系统码盘为360刻线，所以1个光栅刻线对应1°。所以1.8°对应1.8个光栅刻线，当编码器的插值系数为16时，1.8个光栅刻线代表了1.8*16＝28.8个脉冲。这就是说控制器每输出1个脉冲来驱动步进电机，从编码器反馈回来的是28.8个脉冲信号。所以精度提高了28.8倍。

在一个具体实施例中，假设x＝10cm，b＝2mm，那么本次驱动的步进电机驱动脉冲数为10000个脉冲，编码器反馈信号中的脉冲数为288000个脉冲(插值系数m等于16)。此时控制器驱动步进电机转动，步进电机又带动丝杆一起转动，固定在丝杆上的滑块则根据丝杆每转动一周前进一个螺纹距离，在驱动的过程中控制器不断读取编码器的反馈信号并对反馈信号中的脉冲计数(而不是计数步进电机的驱动脉冲是否发送完毕)，当接收到288000个脉冲的时候表示本次驱动完成，控制器停止驱动。如果接收的脉冲数一直停留在少于288000的某个值，即当前的驱动还未完成(编码器的反馈信号脉冲计数低于目标值(本次需要得到的编码器反馈信号脉冲计数))，但是编码器确没有信号反馈，那么表示步进电机当前正处于丢步(步进电机通电却没有转动)的状态，此时控制器可以通过报警器发出警报提示工作人员已经产生了错误。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。