伺服壓力機無壓力傳感器控制裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種伺服壓力機的無壓力傳感器控制裝置，包括伺服電機3、壓力機機械機構4和控制裝置；所述伺服電機3上設置有速度傳感器6，壓力機機械機構4上設置有位移傳感器7；所述控制裝置包括計算機數(shù)控系統(tǒng)1和速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2；所述速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2上設置有負載觀測器；所述速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2與伺服電機3之間通過電源線相互連接，所述電源線上設置有電流傳感器5；所述計算機數(shù)控系統(tǒng)1與速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2信號連接，電流傳感器5和速度傳感器6分別與負載觀測器信號連接，負載觀測器與計算機數(shù)控系統(tǒng)1信號連接，伺服電機3與壓力機機械機構4相互連接，位移傳感器7與計算機數(shù)控系統(tǒng)1信號連接。
【專利說明】伺服壓力機無壓力傳感器控制裝置及方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及鍛壓機械機電一體化技術，尤其涉及一種用于由伺服電機驅(qū)動的機械壓力機無壓力傳感器控制裝置及位置伺服控制方法，即本發(fā)明的伺服壓力機無壓力傳感器控制裝置及方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著汽車、電子等行業(yè)的發(fā)展，沖壓加工成形產(chǎn)品改型越來越頻繁，形狀亦趨于復雜化，傳統(tǒng)曲柄式機械壓力機單一的加工模式已不適應現(xiàn)代及時化生產(chǎn)的特點。基于發(fā)展的需要，開發(fā)高性能、智能化和柔性化壓力機己顯得越來越重要。要實現(xiàn)壓力機的智能化和柔性化以適應不同材料的加工工藝要求，關鍵是能實現(xiàn)滑塊運動特性可變，速度和力可控。這就要求驅(qū)動用電機具有良好的控制特性、寬的調(diào)速范圍、優(yōu)越的伺服跟綜性能以及高的力能指標和可靠性。而伺服電機與專用控制系統(tǒng)相配合，可使滑塊在運行過程中隨時加速、減速或停止，動作靈活自由，壓力機械的柔性和適應性更好(簡稱伺服壓力機)，如專利文獻I (專利號為200710000410.6)和專利文獻2 (專利號為US5587633)所示。
[0003]而伺服壓力機傳統(tǒng)的控制裝置，如專利文獻3 (專利號為200580030727.3)和專利文獻4 (專利號為US7434505B2)所述，計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC)只進行滑塊位置的閉環(huán)控制，或加入速度前饋、或加入加速度前饋，由于不能控制壓力機壓力，該控制系統(tǒng)難于實現(xiàn)伺服壓力機高精度的加工。此外，即使在設定轉矩極限值來限制壓力機壓力的上限值，并通過位置、速度、電流的閉環(huán)控制來進行沖壓加工，由于實際上對工件施加的壓力不清楚，也不能進行更高精度的加工。顯然應用傳統(tǒng)的位置伺服控制技術已無法滿足伺服壓力機高精度加工的驅(qū)動要求，必須尋求一種新的位置伺服控制方法。目前由于國外技術的壟斷，國內(nèi)在這方面還是空白。因此，在采用伺服電機驅(qū)動的基礎上，根據(jù)壓力機加工特點，研究相匹配的精度更高、性能更好的專用控制系統(tǒng)及其驅(qū)動技術是目前伺服壓力機研究的重點。其核心的技術問題是如何滿足伺服壓力機控制系統(tǒng)的驅(qū)動特性與沖壓負載特性相適應這一客觀要求，進而根據(jù)工作環(huán)境的變化，實時、準確地調(diào)整系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)加工過程的負載自適應與優(yōu)化控制。
[0004]專利文獻5 (專利號為200510079787.6)和專利文獻6 (專利號為US7049775B2)提出了一種適合于鍛壓機床的伺服電機控制裝置，采用位置和壓力復合控制的方法，將由位置反饋控制的速度指令和壓力反饋控制得到的速度指令的較小值作為比較器的輸出，根據(jù)輸出的指令進行速度的反饋控制，驅(qū)動伺服電機，該方法可利用檢測到的壓力信號對壓力機參數(shù)進行實時、準確得控制與調(diào)整，對負載具有一定的自適應能力，較適合伺服壓力機場合應用。但在位置和壓力控制切換處容易出現(xiàn)滑塊壓力的過沖現(xiàn)象。另外，為了得到壓力信號，國外研制的一些伺服壓力機控制系統(tǒng)配備了高精度的壓力檢測系統(tǒng)，通過安裝的機械式壓力傳感器檢測壓力機整個加工過程的壓力參數(shù)，為操作人員實時監(jiān)測和識別沖壓狀態(tài)、合理調(diào)整加工工藝參數(shù)等提供重要的信息。然而機械壓力傳感器很難實現(xiàn)壓力的瞬時檢測，且壓力轉換成電信號的魯棒性不高，容易受到干擾，會導致控制系統(tǒng)性能變壞，且高性能的機械壓力傳感器價格昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種能夠以一臺壓力機靈活進行高生產(chǎn)和高精度加工的伺服壓力機無壓力傳感器控制裝置及方法。
[0006]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種伺服壓力機的無壓力傳感器控制裝置，包括伺服電機、壓力機機械機構和控制裝置；所述伺服電機上設置有速度傳感器，壓力機機械機構上設置有位移傳感器；其特征是:所述控制裝置包括計算機數(shù)控系統(tǒng)和速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)；所述速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)上設置有負載觀測器；所述速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)與伺服電機之間通過電源線相互連接，所述電源線上設置有電流傳感器；所述計算機數(shù)控系統(tǒng)與速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)信號連接，電流傳感器和速度傳感器分別與負載觀測器信號連接，負載觀測器與計算機數(shù)控系統(tǒng)信號連接，伺服電機與壓力機機械機構相互連接，位移傳感器與計算機數(shù)控系統(tǒng)信號連接。
[0007]作為對一種伺服壓力機的無壓力傳感器控制裝置的改進:計算機數(shù)控系統(tǒng)包括第一加法器、第二加法器、第三加法器、位置控制器、壓力控制器、壓力/位置切換控制器和速度給定限幅模塊；第一加法器分別與位置控制器和第三加法器信號連接，位置控制器與第三加法器信號連接；第二加法器與壓力控制器信號連接；第三加法器和壓力控制器分別與壓力/位置切換控制器信號連接，壓力/位置切換控制器與速度給定限幅模塊信號連接。
[0008]作為對一種伺服壓力機的無壓力傳感器控制裝置的進一步改進:計算機數(shù)控系統(tǒng)包括第一加法器、第二加法器、第三加法器、位置控制器、壓力控制器、速度給定限幅模塊和位置控制輸出限幅模塊；第一加法器與位置控制器信號連接，位置控制器與第三加法器信號連接；第三加法器與位置控制輸出限幅模塊信號連接，位置控制輸出限幅模塊與第二加法器信號連接，第二加法器與壓力控制器信號連接；壓力控制器與速度給定限幅模塊信號連接。
[0009]作為對一種伺服壓力機的無壓力傳感器控制裝置的進一步改進:計算機數(shù)控系統(tǒng)包括第一加法器、第二加法器、第三加法器、位置控制器、壓力控制器、壓力/位置切換控制器、速度給定限幅模塊、位置控制輸出限幅模塊和壓力設定值模塊；第一加法器與位置控制器和第三加法器信號連接，位置控制器與第三加法器信號連接；第三加法器分別與位置控制輸出限幅模塊和壓力設定值模塊信號連接，位置控制輸出限幅模塊和壓力設定值模塊分別與壓力/位置切換控制器信號連接；壓力/位置切換控制器與第二加法器信號連接，第二加法器與壓力控制器信號連接；壓力控制器與與速度給定限幅模塊信號連接。
[0010]一種伺服壓力機的無壓力傳感器控制裝置的控制方法:A、位移傳感器獲得壓力機機械機構中滑塊的實際位置信號；B、電流傳感器獲得電流信號，速度傳感器獲得速度信號；
C、電流傳感器和速度傳感器分別將電流信號和速度信號輸入到負載觀測器中進行相應的計算，計算后得出壓力機機械機構中滑塊的實際壓力信號；D、通過計算機數(shù)控系統(tǒng)得出最終的控制信號，并把最終的控制信號出入到速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)，由速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)輸出到伺服電機，由伺服電機實現(xiàn)最終的控制信號的運行。
[0011]作為對一種伺服壓力機的無壓力傳感器控制方法的改進:壓力/位置切換控制器內(nèi)設置轉換點設定值，所述轉換點設定值包括沖壓開始設定值和沖壓結束設定值，通過將伺服電機的角位移與轉換點設定值進行比較，根據(jù)比較的結果，有位置控制器控制伺服電機和壓力控制器控制伺服電機兩種情況:A、位置控制器控制伺服電機空程向下變速運行；
B、位移傳感器實時檢測壓力機機械機構中滑塊的實際位置信號，并將檢測到的實際位置信號輸入到壓力/位置切換控制器內(nèi)；C、當壓力機機械機構的滑塊運動到?jīng)_壓開始設定值時，通過壓力/位置切換控制器切換為壓力控制器控制，即通過壓力控制器控制伺服電機運行；D、當壓力機機械機構的滑塊運動到?jīng)_壓結束設定值時，通過壓力/位置切換控制器切換為位置控制器控制，壓力機機械機構的滑塊空程返回。
[0012]作為對一種伺服壓力機的無壓力傳感器控制方法的進一步改進:位置控制器外環(huán)、壓力控制器內(nèi)環(huán)組合，在壓力控制器內(nèi)設壓力定值，位置控制器內(nèi)設位置定值；壓力控制器的壓力定值通過改變位置控制輸出限幅模塊內(nèi)位置控制輸出限幅的大小來改變，控制過程的轉換通過位置控制器內(nèi)的位置定值來強制執(zhí)行；控制過程如下:先在位置控制器內(nèi)設定一個位置定值，同時，設置位置控制輸出限幅模塊內(nèi)的位置控制輸出限幅處于最大值，使系統(tǒng)快速運行到指定位置；然后改變位置控制輸出限幅模塊內(nèi)的位置控制輸出限幅值為系統(tǒng)所需的壓力設定值，再在位置控制器內(nèi)設定一較大的位移量，系統(tǒng)就轉換為壓力控制器控制。
[0013]作為對一種伺服壓力機的無壓力傳感器控制方法的進一步改進:位置控制器的輸出端并聯(lián)兩個限幅器，所述壓力設定值模塊用作壓力的設定值，位置控制輸出限幅模塊作為位置控制器輸出的飽和限；壓力/位置切換控制器內(nèi)設置轉換點設定值；壓力/位置切換控制器通過比較實際位置信號與轉換點設定值實現(xiàn)自動切換，轉換點設定值包括沖壓開始設定值和沖壓結束設定值沖壓開始設定值為180-士，沖壓結束設定值為180 ;A、壓力機機械機構內(nèi)的滑塊先采用位置控制器控制，實現(xiàn)向下運動，保證滑塊運動的精度；B、當滑塊的實際位置達到?jīng)_壓開始設定值時，系統(tǒng)就由位置控制器控制自動轉換為壓力控制器控制；C、當滑塊的出力與壓力設定值模塊內(nèi)的壓力設定值出現(xiàn)誤差時，伺服電機的轉速發(fā)生變化，滑塊位移也相應發(fā)生變化；有如下兩種情況:情況一、當轉速變大時，滑塊位移超調(diào)，誤差會變負，壓力設定值模塊內(nèi)的壓力設定值為負，滑塊反向運行到設定值；情況二、當轉速變小時，滑塊位移出現(xiàn)跟蹤誤差，壓力設定值模塊內(nèi)的壓力設定值為正，滑塊又會運行到設定值；同時滑塊的出力得到保證；D、當滑塊的實際位置達到?jīng)_壓結束設定值時，系統(tǒng)就由壓力控制器控制自動轉換為位置控制器控制，滑塊就會以位移控制方式自動退回。
[0014]本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明伺服壓力機無壓力傳感器控制系統(tǒng)及其控制方法，由于采用軟件算法的負載觀測器取代傳統(tǒng)的機械式壓力傳感器對負載力矩進行辨識，控制系統(tǒng)具有維護簡單，成本低，且抗干擾能力強的特點。計算機數(shù)控系統(tǒng)的位置、壓力復合控制方法對負載具有自適應的能力，既保證了滑塊位置運動控制的精度，又提高了滑塊加工壓力控制的精度，適合于高精度、高力能指標的重型機械場合應用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細說明。
[0016]圖1為一種伺服壓力機的無壓力傳感器控制裝置原理框圖；
[0017]圖2為一種位置和壓力并聯(lián)控制的無壓力機傳感器位置伺服控制方法原理框圖；
[0018]圖3為一種位置和壓力串聯(lián)控制的無壓力機傳感器位置伺服控制方法原理框圖；[0019]圖4為一種位置和壓力串并聯(lián)混合控制的無壓力機傳感器位置伺服控制方法原理框圖。
【具體實施方式】
[0020]實施例1、圖1給出了一種伺服壓力機的無壓力傳感器控制裝置，包括計算機數(shù)控系統(tǒng)I (基于位置、壓力復合控制)、速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2 (基于負載力矩辨識)、伺服電機3、壓力機機械機構4、電流傳感器5、速度傳感器6和位移傳感器7。
[0021]壓力機機械機構4可以是曲柄連桿式、滾珠絲杠式或者以上機械機構的組合(現(xiàn)有的公知技術)。
[0022]伺服電機3上設置速度傳感器6，壓力機機械機構4上設置位移傳感器7，速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2上設置有負載觀測器。
[0023]速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2與伺服電機3之間通過電源線相互連接，電源線上設置有電流傳感器5 ;計算機數(shù)控系統(tǒng)I與速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2信號連接，電流傳感器5和速度傳感器6分別與負載觀測器信號連接，負載觀測器與計算機數(shù)控系統(tǒng)I信號連接，伺服電機3與壓力機機械機構4相互連接，位移傳感器7與計算機數(shù)控系統(tǒng)I信號連接。
[0024]本發(fā)明的裝置在運行的時候，通過供電電網(wǎng)進行供電。
[0025]在本發(fā)明的系統(tǒng)實際使用的時候，步驟如下:
[0026]1、位移傳感器7獲得壓力機機械機構4中滑塊的實際位置信號；電流傳感器5獲得電流信號，速度傳感器6獲得位置和速度信號；電流傳感器5和速度傳感器6分別將電流信號和位置/速度信號輸入到負載觀測器中進行相應的計算，計算后得出壓力機機械機構4中滑塊的實際負載力矩(實際壓力信號)。
[0027]2、將以上得出的實際位置信號和實際壓力信號分別反饋到計算機數(shù)控系統(tǒng)I進行位置、壓力的復合控制。
[0028]3、通過計算機數(shù)控系統(tǒng)I得出最終的控制信號，并把最終的控制信號出入到速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2，由速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2輸出到伺服電機3，由伺服電機3實現(xiàn)最終的控制信號的運行。
[0029]本發(fā)明中，壓力機機械機構4中滑塊的實際位置信號由位移傳感器7獲得，而壓力機機械機構4中滑塊的實際壓力信號由速度伺服系統(tǒng)2中的負載觀測器實時辨識(通過電流信號和速度信號)得到，采用軟件算法代替了機械式壓力傳感器進行檢測。
[0030]本發(fā)明的是伺服壓力機的無壓力傳感器控制裝置通過計算機數(shù)控系統(tǒng)I將位置控制和壓力控制相互結合；基于計算機數(shù)控系統(tǒng)I有位置和壓力串聯(lián)、并聯(lián)以及串并聯(lián)混合控制三種方法。三種方法的實際運行步驟如下:
[0031]第一種:
[0032]位置和壓力并聯(lián)控制的無壓力機傳感器位置伺服控制方法，此時的計算機數(shù)控系統(tǒng)I包括第一加法器14、第二加法器15、第三加法器16、位置控制器13、壓力控制器8、壓力/位置切換控制器9和速度給定限幅模塊10。第一加法器14分別與位置控制器13和第三加法器16信號連接，位置控制器13與第三加法器16信號連接；第二加法器15與壓力控制器8信號連接；第三加法器16和壓力控制器8分別與壓力/位置切換控制器9信號連接，壓力/位置切換控制器9與速度給定限幅模塊10信號連接。[0033]在實際使用的時候，壓力/位置切換控制器9內(nèi)設置轉換點設定值(轉換點設定值包括沖壓開始設定值和沖壓結束設定值)，通過將伺服電機3 (電動機軸)的角位移與轉換點設定值進行比較，根據(jù)比較的結果，有位置控制器13控制伺服電機3和壓力控制器8控制伺服電機3兩種情況，具體的實現(xiàn)步驟如下:
[0034]1、位置控制器13控制伺服電機3空程向下變速運行；
[0035]2、位移傳感器7實時檢測壓力機機械機構4中滑塊的實際位置信號，并將檢測到的實際位置信號輸入到壓力/位置切換控制器9內(nèi)；
[0036]3、當壓力機機械機構4的滑塊運動到?jīng)_壓開始設定值時，通過壓力/位置切換控制器9切換為壓力控制器8控制，即通過壓力控制器8控制伺服電機3運行；
[0037]通過以上的3個步驟，可以避免壓力機機械機構4的滑塊發(fā)生過沖，使得本裝置具有輸出力保護功能；因為壓力機機械機構4的壓力是靠外負載建立起來的，所以在壓力機機械機構4的滑塊接觸到材料之前，壓力機機械機構4的滑塊只受慣性力和摩擦阻力作用，而在壓力機機械機構4的滑塊接觸到材料之后，為了保證加工性能，必須實時控制壓力機機械機構4的滑塊的輸出力，所以在壓力機機械機構4的滑塊接觸到材料之后，開始通過壓力控制器8控制伺服電機3的運行；
[0038]4、當壓力機機械機構4的滑塊運動到?jīng)_壓結束設定值時，通過壓力/位置切換控制器9切換為位置控制器13控制，壓力機機械機構4的滑塊空程返回。
[0039]位置控制器13采用比例和位置前饋控制相結合的方法，壓力控制器8采用比例控制器。壓力/位置切換控制器9通過比較位置反饋信號(位移傳感器7實時檢測到的壓力機機械機構4中滑塊的實際位置信號)與轉換點給定位置(轉換點設定值)坐標關系，實現(xiàn)自
動切換，轉換點設定值如下:沖壓開始設定值為180-4 (4為壓力機公稱壓力角度)，沖壓
結束設定值為180，即實際位置信號在沖壓開始設定值和沖壓結束設定值的區(qū)間內(nèi)的時候，判斷使用壓力控制器8控制；實際位置信號在沖壓開始設定值和沖壓結束設定值的區(qū)間外的時候，判斷使用位置控制器13控制。
[0040]由于伺服壓力加工對象不同，沖壓行程開始位置不同時，只要改變轉換點設定值，系統(tǒng)就能在位置控制器13控制和壓力控制器8控制之間自動切換。
[0041]以上所述的比例和位置前饋控制的方法均為現(xiàn)有的公知技術。
[0042]結合圖2，給定具體的信號關系:
[0043]位移傳感器7檢測到壓力機機械機構4的滑塊的實際位置信號谷,并將實際位置信號6反饋到計算機數(shù)控系統(tǒng)I (基于位置、壓力復合控制)；而速度傳感器6將伺服電機3 (電動機軸)的速度信號反饋到速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2的負載觀測器中，電流傳感器5將電流信號反饋到負載觀測器中，負載觀測器結合速度信號和電流信號后得出負載力矩信號，即實際壓力信號f,，并將實際壓力信號力反饋給計算機數(shù)控系統(tǒng)I (基于位置、壓力復合控制);
[0044]在計算機數(shù)控系統(tǒng)I (基于位置、壓力復合控制)內(nèi)，進行如下的步驟:
[0045]1、實際位置信號6輸入第一加法器14內(nèi)；同時,在第一加法器14內(nèi)輸入給定位
置信號0第一加法器14將實際位置信號4和給定位置信號 <進行計算，并將得出的信號(實際位置信號4和給定位置信號 < 的差值)輸入到位置控制器13中計算；
[0046]2、位置控制器13將計算結果輸入到第三加法器16中，同時，將給定位置信號<進行前饋運算，并將前饋運算后的給定位置信號C輸入到第三加法器16中；第三加法器16將兩個信號進行相加后得出位置運算的轉速輸出給定信號私，并將位置運算的轉速輸出給定信號％輸入到壓力/位置切換控制器9內(nèi)；
[0047]3、實際壓力信號$輸入到第二加法器15中，同時，輸入給定壓力信號T到第二加法器15中；第二加法器15將實際壓力信號纟和給定壓力信號I；進行計算后，將計算的結果輸入到壓力控制器8內(nèi)，通過壓力控制器8的計算后得出壓力運算的轉速輸出給定各，并將壓力運算的轉速輸出給定各輸入到壓力/位置切換控制器9內(nèi)；[0048]4、實際位置信號g輸入壓力/位置切換控制器9內(nèi)；
[0049]5、壓力/位置切換控制器9內(nèi)設定轉換點設定值，轉換點設定值如下:沖壓開始設定值為IM-A，沖壓結束設定值為180 ;通過轉換點設定值和實際位置信號^進行比較，就可以得出相應的最終轉速給定信號夂。
[0050]6、壓力/位置切換控制器9將最終轉速給定信號〃輸入到速度給定限幅模塊10內(nèi)，通過速度給定限幅模塊10對最終轉速給定信號夂和速度給定限值進行對比，取小的值
輸出到速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2，再由速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2輸出到伺服電機3。
[0051]第二種:
[0052]位置和壓力串聯(lián)控制的無壓力機傳感器位置伺服控制方法；此時的計算機數(shù)控系統(tǒng)I包括第一加法器14、第二加法器15、第三加法器16、位置控制器13、壓力控制器8、速度給定限幅模塊10和位置控制輸出限幅模塊11。第一加法器14與位置控制器13信號連接，位置控制器13與第三加法器16信號連接；第三加法器16與位置控制輸出限幅模塊11信號連接，位置控制輸出限幅模塊11與第二加法器15信號連接，第二加法器15與壓力控制器8信號連接；壓力控制器8與速度給定限幅模塊10信號連接。
[0053]位置控制器13外環(huán)、壓力控制器8內(nèi)環(huán)組合，壓力和位置都是閉環(huán)控制。在壓力控制器8內(nèi)設壓力定值，位置控制器13內(nèi)設位置定值；壓力控制器8的壓力定值通過改變位置控制輸出限幅模塊11內(nèi)位置控制輸出限幅的大小來改變，控制過程的轉換通過位置控制器13內(nèi)的位置定值來強制執(zhí)行。
[0054]控制過程如下:
[0055]先在位置控制器13內(nèi)設定一個位置定值，同時，設置位置控制輸出限幅模塊11內(nèi)的位置控制輸出限幅處于最大值，使系統(tǒng)快速運行到指定位置；然后改變位置控制輸出限幅模塊11內(nèi)的位置控制輸出限幅值為系統(tǒng)所需的壓力設定值，再在位置控制器13內(nèi)設定一較大的位移量，系統(tǒng)就轉換為壓力控制器8控制。
[0056]該控制方法可以限制執(zhí)行器輸出的最大壓力值，位置設定信號超限也不至于引起安全事故。
[0057]結合圖3，給定具體的信號關系:[0058]位移傳感器I檢測到壓力機機械機構4的滑塊的實際位置信號4，并將實際位置信號4反饋到計算機數(shù)控系統(tǒng)I (基于位置、壓力復合控制)；而速度傳感器6將伺服電機3 (電動機軸)的速度信號反饋到速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2的負載觀測器中，電流傳感器5將電流信號反饋到負載觀測器中，負載觀測器結合速度信號和電流信號后得出負載力矩信號，即實際壓力信號$，并將實際壓力信號$反饋給計算機數(shù)控系統(tǒng)I (基于位置、壓力復合控制);
[0059]在計算機數(shù)控系統(tǒng)I (基于位置、壓力復合控制)內(nèi)，進行如下的步驟:
[0060]1、實際位置信號6輸入第一加法器14內(nèi)；同時,在第一加法器14內(nèi)輸入給定位置信號C，第一加法器14將實際位置信號4和給定位置信號<進行計算，并將得出的信號(實際位置信號j和給定位置信號< 的差值)輸入到位置控制器13中計算；
[0061]2、位置控制器13將計算結果輸入到第三加法器16中，同時，將給定位置信號<進行前饋運算，并將前饋運算后的給定位置信號€輸入到第三加法器16中；第三加法器16將兩個信號進行相加后得出位置運算的轉速輸出給定信號屯，并將位置運算的轉速輸出給定信號外輸入到位置控制輸出限幅模塊11內(nèi)；
[0062]3、通過位置控制輸出限幅模塊11 (位置控制輸出限幅處于最大值)判定(位置運算的轉速輸出給定信號屯與位置控制輸出限幅的最大值對比，取小的數(shù)值信號)后得出給定壓力信號?r;
[0063]4、實際壓力信號$輸入到第二加法器15中，同時，輸入給定壓力信號2；到第二加法器15中；第二加法器15將實際壓力信號^和給定壓力信號I；進行計算后，將計算的結果輸入到壓力控制器8內(nèi)，通過壓力控制器8的計算后得出壓力運算的轉速輸出給定屯，并將壓力運算的轉速輸出給定務輸入到速度給定限幅模塊10內(nèi)，通過速度給定限幅模塊10對壓力運算的轉速輸出給定務和速度給定限值進行對比，取小的值(即最終轉速給定信號屯
)輸出到速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2，再由速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2輸出到伺服電機3。
[0064]第三種:
[0065]位置和壓力串并聯(lián)混合控制的無壓力機傳感器位置伺服控制方法，此時的計算機數(shù)控系統(tǒng)I包括第一加法器14、第二加法器15、第三加法器16、位置控制器13、壓力控制器
8、壓力/位置切換控制器9、速度給定限幅模塊10、位置控制輸出限幅模塊11和壓力設定值模塊12。第一加法器14與位置控制器13和第三加法器16信號連接，位置控制器13與第三加法器16信號連接；第三加法器16分別與位置控制輸出限幅模塊11和壓力設定值模塊12信號連接，位置控制輸出限幅模塊11和壓力設定值模塊12分別與壓力/位置切換控制器9信號連接；壓力/位置切換控制器9與第二加法器15信號連接，第二加法器15與壓力控制器8信號連接；壓力控制器8與速度給定限幅模塊10信號連接。
[0066]位置控制器13的輸出端并聯(lián)兩個限幅器(分別為位置控制輸出限幅模塊11和壓力設定值模塊12)，其中，壓力設定值模塊12用作壓力的設定值，位置控制輸出限幅模塊11作為位置控制器13輸出的飽和限。
[0067]壓力/位置切換控制器9內(nèi)設置轉換點設定值(轉換點設定值包括沖壓開始設定值和沖壓結束設定值)；壓力/位置切換控制器9通過比較實際位置信號與轉換點設定值實現(xiàn)自動切換，轉換點設定值包括沖壓開始設定值和沖壓結束設定值沖壓開始設定值為ISO-<，沖壓結束設定值為180。
[0068]1、壓力機機械機構4內(nèi)的滑塊先采用位置控制器13控制，實現(xiàn)向下運動，保證滑塊運動的精度；
[0069]2、當滑塊的實際位置(實際位置信號由位移傳感器7實時反饋)達到?jīng)_壓開始設定值時，系統(tǒng)就由位置控制器13控制自動轉換為壓力控制器8控制；
[0070]3、當滑塊的出力(速度伺服系統(tǒng)2中的負載觀測器實時反饋)與壓力設定值模塊12內(nèi)的壓力設定值出現(xiàn)誤差時，伺服電機3的轉速發(fā)生變化，滑塊位移也相應發(fā)生變化；
[0071]有如下兩種情況:
[0072]情況一、當轉速變大時，滑塊位移超調(diào)，誤差會變負，壓力設定值模塊12內(nèi)的壓力設定值為負，滑塊反向運行到設定值(壓力設定值模塊12內(nèi)的壓力設定值)；
[0073]情況二、當轉速變小時，滑塊位移出現(xiàn)跟蹤誤差，壓力設定值模塊12內(nèi)的壓力設定值為正，滑塊又會運行到設定值(壓力設定值模塊12內(nèi)的壓力設定值);同時滑塊的出力得到保證；
[0074]4、當滑塊的實際位置達到?jīng)_壓結束設定值時，系統(tǒng)就由壓力控制器8控制自動轉換為位置控制器13控制，滑塊就會以位移控制方式自動退回。
[0075]結合圖4，給定具體的信號關系:
[0076]位移傳感器7檢測到壓力機`機械機構4的滑塊的實際位置信號§ ’并將實際位置信號4反饋到計算機數(shù)控系統(tǒng)I (基于位置、壓力復合控制)；而速度傳感器6將伺服電機3 (電動機軸)的速度信號反饋到速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2的負載觀測器中，電流傳感器5將電流信號反饋到負載觀測器中，負載觀測器結合速度信號和電流信號后得出負載力矩信號，即實際壓力信號力，并將實際壓力信號T反饋給計算機數(shù)控系統(tǒng)I (基于位置、壓力復合控制);
[0077]在計算機數(shù)控系統(tǒng)I (基于位置、壓力復合控制)內(nèi)，進行如下的步驟:
[0078]1、實際位置信號4輸入第一加法器14內(nèi)；同時,在第一加法器14內(nèi)輸入給定位置信號(;第一加法器14將實際位置信號§和給定位置信號進行計算，并將得出的信號(實際位置信號S和給定位置信號< 的差值)輸入到位置控制器13中計算；
[0079]2、位置控制器13將計算結果輸入到第三加法器16中，同時，將給定位置信號^進行前饋運算，并將前饋運算后的給定位置信號C輸入到第三加法器16中；第三加法器16將兩個信號進行相加后得出位置運算的轉速輸出給定信號^，并將位置運算的轉速輸出給定信號屯分別輸入到位置控制輸出限幅模塊11和壓力設定值模塊12中；通過位置控制輸出限幅模塊11內(nèi)的位置控制輸出限幅計算得出位置控制輸出尤，通過壓力設定值模塊12計算得出壓力設定值:t;
[0080]3、位置控制輸出限幅模塊11和壓力設定值模塊12分別將位置控制輸出T和壓力設定值輸入到壓力/位置切換控制器9中；
[0081]4、實際位置信號4輸入壓力/位置切換控制器9內(nèi)；
[0082]5、壓力/位置切換控制器9內(nèi)設定轉換點設定值，轉換點設定值如下:沖壓開始設定值為180-4，沖壓結束設定值為180 ;通過轉換點設定值和實際位置信號g進行比較，就可以得出相應的給定壓力信號
[0083]6、實際壓力信號r輸入到第二加法器15中，同時，壓力/位置切換控制器9將給定壓力信號T輸入第二加法器15中，經(jīng)過第二加法器15的計算后，得出最終轉速給定信號
[0084]7、第二加法器15將最終轉速給定信號出輸入到速度給定限幅模塊10內(nèi)，通過速度給定限幅模塊10對最終轉速給定信號^和速度給定限值進行對比，取小的值輸出到速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2，再由速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)2輸出到伺服電機3。
[0085]最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的一個具體實施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導出或聯(lián)想到的 所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.伺服壓力機的無壓力傳感器控制裝置，包括伺服電機(3)、壓力機機械機構(4)和控制裝置；所述伺服電機(3)上設置有速度傳感器(6)，壓力機機械機構(4)上設置有位移傳感器(7 );其特征是:所述控制裝置包括計算機數(shù)控系統(tǒng)(I)和速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)(2 );所述速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)(2)上設置有負載觀測器； 所述速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)(2)與伺服電機(3)之間通過電源線相互連接，所述電源線上設置有電流傳感器(5); 所述計算機數(shù)控系統(tǒng)(I)與速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)(2 )信號連接，電流傳感器(5 )和速度傳感器(6)分別與負載觀測器信號連接，負載觀測器與計算機數(shù)控系統(tǒng)(I)信號連接，伺服電機(3 )與壓力機機械機構(4)相互連接，位移傳感器(7 )與計算機數(shù)控系統(tǒng)(I)信號連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的伺服壓力機的無壓力傳感器控制裝置，其特征是:計算機數(shù)控系統(tǒng)(I)包括第一加法器(14)、第二加法器(15)、第三加法器(16)、位置控制器(13)、壓力控制器(8)、壓力/位置切換控制器(9)和速度給定限幅模塊(10)； 第一加法器(14)分別與位置控制器(13)和第三加法器(16)信號連接，位置控制器(13)與第三加法器(16)信號連接；第二加法器(15)與壓力控制器(8)信號連接；第三加法器(16)和壓力控制器(8)分別與壓力/位置切換控制器(9)信號連接，壓力/位置切換控制器(9)與速度給定限幅模塊(10)信號連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的伺服壓力機的無壓力傳感器控制裝置，其特征是:計算機數(shù)控系統(tǒng)(I)包括第一加法器(14)、第二加法器(15)、第三加法器(16)、位置控制器(13)、壓力控制器(8)、速度給 定限幅模塊(10)和位置控制輸出限幅模塊(11); 第一加法器(14)與位置控制器(13)信號連接，位置控制器(13)與第三加法器(16)信號連接；第三加法器(16)與位置控制輸出限幅模塊(11)信號連接，位置控制輸出限幅模塊(11)與第二加法器(15)信號連接，第二加法器(15)與壓力控制器(8)信號連接；壓力控制器(8)與速度給定限幅模塊(10)信號連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的伺服壓力機的無壓力傳感器控制裝置，其特征是:計算機數(shù)控系統(tǒng)(I)包括第一加法器(14)、第二加法器(15)、第三加法器(16)、位置控制器(13)、壓力控制器(8)、壓力/位置切換控制器(9)、速度給定限幅模塊(10)、位置控制輸出限幅模塊(11)和壓力設定值模塊(12)； 第一加法器(14)與位置控制器(13)和第三加法器(16)信號連接，位置控制器(13)與第三加法器(16)信號連接；第三加法器(16)分別與位置控制輸出限幅模塊(11)和壓力設定值模塊(12)信號連接，位置控制輸出限幅模塊(11)和壓力設定值模塊(12)分別與壓力/位置切換控制器(9)信號連接；壓力/位置切換控制器(9)與第二加法器(15)信號連接，第二加法器(15)與壓力控制器(8)信號連接；壓力控制器(8)與與速度給定限幅模塊(10)信號連接。
5.伺服壓力機的無壓力傳感器控制裝置的控制方法，其特征是:A、位移傳感器(7)獲得壓力機機械機構(4)中滑塊的實際位置信號； B、電流傳感器(5)獲得電流信號，速度傳感器(6)獲得速度信號； C、電流傳感器(5)和速度傳感器(6)分別將電流信號和速度信號輸入到負載觀測器中進行相應的計算，計算后得出壓力機機械機構(4)中滑塊的實際壓力信號； D、通過計算機數(shù)控系統(tǒng)(I)得出最終的控制信號，并把最終的控制信號出入到速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)(2)，由速度伺服驅(qū)動系統(tǒng)(2)輸出到伺服電機(3)，由伺服電機(3)實現(xiàn)最終的控制信號的運行。
6.根據(jù)權利要求5所述的伺服壓力機的無壓力傳感器控制方法，其特征是:壓力/位置切換控制器(9)內(nèi)設置轉換點設定值，所述轉換點設定值包括沖壓開始設定值和沖壓結束設定值，通過將伺服電機(3)的角位移與轉換點設定值進行比較，根據(jù)比較的結果，有位置控制器(13 )控制伺服電機(3 )和壓力控制器(8 )控制伺服電機(3 )兩種情況: A、位置控制器(13)控制伺服電機(3)空程向下變速運行； B、位移傳感器(7)實時檢測壓力機機械機構(4)中滑塊的實際位置信號，并將檢測到的實際位置信號輸入到壓力/位置切換控制器(9)內(nèi)； C、當壓力機機械機構(4)的滑塊運動到?jīng)_壓開始設定值時，通過壓力/位置切換控制器(9)切換為壓力控制器(8)控制，即通過壓力控制器(8)控制伺服電機(3)運行； D、當壓力機機械機構(4)的滑塊運動到?jīng)_壓結束設定值時，通過壓力/位置切換控制器(9)切換為位置控制器(13)控制，壓力機機械機構(4)的滑塊空程返回。
7.根據(jù)權利要求5所述的伺服壓力機的無壓力傳感器控制方法，其特征是:位置控制器(13)外環(huán)、壓力控制器(8)內(nèi)環(huán)組合，在壓力控制器(8)內(nèi)設壓力定值，位置控制器(13)內(nèi)設位置定值；壓力控制器(8)的壓力定值通過改變位置控制輸出限幅模塊(11)內(nèi)位置控制輸出限幅的大小來改變 ，控制過程的轉換通過位置控制器(13)內(nèi)的位置定值來強制執(zhí)行； 控制過程如下: 先在位置控制器(13)內(nèi)設定一個位置定值，同時，設置位置控制輸出限幅模塊(11)內(nèi)的位置控制輸出限幅處于最大值，使系統(tǒng)快速運行到指定位置；然后改變位置控制輸出限幅模塊(11)內(nèi)的位置控制輸出限幅值為系統(tǒng)所需的壓力設定值，再在位置控制器(13)內(nèi)設定一較大的位移量，系統(tǒng)就轉換為壓力控制器(8)控制。
8.根據(jù)權利要求5所述的伺服壓力機的無壓力傳感器控制方法，其特征是:位置控制器(13)的輸出端并聯(lián)兩個限幅器，所述壓力設定值模塊(12)用作壓力的設定值，位置控制輸出限幅模塊(11)作為位置控制器(13)輸出的飽和限； 壓力/位置切換控制器(9)內(nèi)設置轉換點設定值；壓力/位置切換控制器(9)通過比較實際位置信號與轉換點設定值實現(xiàn)自動切換，轉換點設定值包括沖壓開始設定值和沖壓結束設定值沖壓開始設定值為IA，沖壓結束設定值為180 ； A、壓力機機械機構(4)內(nèi)的滑塊先采用位置控制器(13)控制，實現(xiàn)向下運動，保證滑塊運動的精度； B、當滑塊的實際位置達到?jīng)_壓開始設定值時，系統(tǒng)就由位置控制器(13)控制自動轉換為壓力控制器(8)控制； C、當滑塊的出力與壓力設定值模塊(12)內(nèi)的壓力設定值出現(xiàn)誤差時，伺服電機(3)的轉速發(fā)生變化，滑塊位移也相應發(fā)生變化； 有如下兩種情況: 情況一、當轉速變大時，滑塊位移超調(diào)，誤差會變負，壓力設定值模塊(12)內(nèi)的壓力設定值為負，滑塊反向運行到設定值； 情況二、當轉速變小時，滑塊位移出現(xiàn)跟蹤誤差，壓力設定值模塊(12)內(nèi)的壓力設定值為正，滑塊又會運行到設定值；同時滑塊的出力得到保證； D、當滑塊的實際位置達到?jīng)_壓結束設定值時，系統(tǒng)就由壓力控制器(8)控制自動轉換為位置控制器(1 3)控制，滑 塊就會以位移控制方式自動退回。
【文檔編號】B21J9/20GK103611861SQ201310632004
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權日:2013年11月29日
【發(fā)明者】魯文其, 胡旭東, 史偉民, 胡東軒 申請人:浙江理工大學