1.一种伺服电机的转子角度监测修正方法,所述伺服电机包括壳体和转子,所述转子伸出所述壳体的部分套设有光栅,所述壳体上固定设置有支架,所述支架上设置有分别位于所述光栅两侧的悬臂,一个所述悬臂上设置有发光器,另一个所述悬臂上设置有接收器,所述发光器与接收器沿平行于转子轴向的方向对齐,所述光栅包括内轮毂,所述内轮毂呈环形且与转子过盈配合并能够随转子同步旋转,所述内轮毂的外侧壁均布有若干辐条,各所述辐条沿所述转子的径向设置,各所述辐条的外侧设置有环形的外轮毂,所述外轮毂和内轮毂均与所述转子共对称中心线,各所述辐条的内端与内轮毂的外侧壁连接,外端与外轮毂的内侧壁连接,其特征在于包括以下步骤:A、将与接收器中心位于同一旋转半径的辐条上的设定部位作为研究对象,获取该设定部位在辐条发生弯曲时的位移;
B、获取该设定部位通过步骤A所获取的位移所需的时间;
C、根据转子加速或减速的情况,在接收器实际输出电压波动信号的时刻的基础上,减去或加上步骤B所获取的时间,从而得到接收器在无辐条弯曲的理想状态下输出电压波动信号的时刻;
步骤A的内容具体为:
对一个辐条进行分析,该辐条的内端与内轮毂相连接,内轮毂与转子连接,内轮毂属于驱动部件,辐条的外端与外轮毂连接,外轮毂属于从动部件,当转子加速时,辐条内端跟随内轮毂绕转子中心旋转,其切向加速度为a,该加速度既是内端相对于转子中心的加速度,也是内端相对于外端的加速度,则外端相对于内端的加速度为‑a,负号代表该加速度的方向与内端的加速度a相反,当转子减速时,对同一个辐条进行分析,此时内端相对于外端的加速度仍然是a,与转子加速时相反,同理,外端相对于内端的加速度仍然是‑a,其方向也与转子加速时相反;
外轮毂通过多个辐条支撑在内轮毂上,若外轮毂的质量为M,辐条个数为J,则设定每个辐条上支撑的质量m,其计算方法如公式(1)所示: (1)
即相当于每个辐条外端连接的质量是m;
当转子加速或减速时,之所以会出现辐条弯曲变形,是因为每个辐条外端相对于内端具有加速度‑a,并且每个辐条外端具有连接的质量m,在光栅旋转时,不考虑辐条自身质量、空气阻力和重力的影响,每个辐条外端连接的质量与加速度相配合,会在外端产生一个作用力F,其计算方法如公式(2)所示: (2)
将公式(1)代入公式(2)得到
(3)
该作用力F就是辐条在转子加、减速过程中产生弯曲变形的原因;
上述辐条弯曲变形的情况符合材料力学中的梁挠曲变形原理,即梁的左端与固定物连接,左端为固定端,梁的右端为自由端,在右端上施加力F,利用梁的挠曲线方程来计算梁上设定部位在弯曲变形后的位移,材料力学中梁的挠曲线方程为: (4)
公式(4)中,x为设定部位与梁固定端的距离,y为设定部位在梁弯曲变形后的位移,L为梁的总长度,F为在梁自由端施加的作用力,EI为采用设定材料的梁的抗弯刚度;
将上述过程中的梁替换为辐条,将与接收器中心位于同一旋转半径的辐条上的设定部位作为研究对象,L为辐条的总长度,当辐条弯曲变形后,该设定部位的位移是y,内轮毂的外侧壁相对转子中心的半径为 ,接收器中心位置相对转子中心的半径为 ,则设定部位与该辐条内端之间的距离x的计算公式为: (5)
辐条内端与内轮毂外侧壁连接并随外侧壁同步圆周运动,则辐条内端的加速度a为: (6)
公式(6)中,v为内轮毂外侧壁的切向速度,ω为内轮毂的角速度,t为时间变量,由于,n为内轮毂的转速,则公式(6)转变为公式(7): (7)
将公式(3)、公式(5)及公式(7)代入公式(4)得到公式(8): (8)
公式(8)中, 为内轮毂的转速变化率k,即 ;
公式(8)既适用于电机转子加速状态,也适用于电机转子减速状态,若转子加速,内轮毂的转速快于外轮毂时得出的y为正值,若转子减速,内轮毂的转速慢于外轮毂时得出的y为负值。
2.根据权利要求1所述的一种伺服电机的转子角度监测修正方法,其特征在于:在步骤B内容具体为:由于位移量y的存在,当变形后的辐条旋转至接收器正前方时,相比辐条未变形时,所述设定部位需要多移动一段距离 ,由于辐条变形导致的距离 极小,因此将其与弧长进行等效,该弧长的移动过程所需的时间为T;
内轮毂与辐条的转速都为n,其每圈所需时间Q为 ,则上述设定部位旋转一周的弧长为 ,则该设定部位转过弧长 所需的时间T为: (9)
将公式(8)代入(9)得到公式(10):
(10)
公式(10)中,内轮毂的转速n与转子的转速相等,以电机调速前编码器最近一次采集的转子转速代入公式(10)计算,内轮毂的转速变化率k的计算公式是: (11)
其中, 是电机调速后的转子设定转速, 是电机调速前编码器最近一次采集的转子转速, 是电机调速时,前、后转速切换过程所需的平均时间,将公式(11)及相关参数代入公式(10)得出公式(12)如下: (12)
当转子加速时,内轮毂快于外轮毂,则上述时间T为所述设定部位到达接收器7正前方的延迟时间,当转子减速时,内轮毂慢于外轮毂,则上述时间T为所述设定部位到达接收器正前方的提前时间。
3.根据权利要求2所述的一种伺服电机的转子角度监测修正方法,其特征在于:步骤C的内容具体为:根据所述延迟或提前时间,对接收器根据辐条接收到的断续激光信号得出的实际电压波动信号进行修正,其方法如下:在辐条加、减速时不发生弯曲变形的理想情况下,控制器发出的控制电压波动信号,其电压谷值为 ,峰值为 ,当时间t到达 时,方波的频率增大,其目的在于调高电机的转速,接收器根据接收到的激光信号转化成的电压波动信号,其电压谷值为 ,峰值为 ,伺服电机的特点是:控制器每发出一个电压方波,则电机转子转过固定的角度,若转子每转过该固定角度,接收器恰好输出一个电压方波,则控制器发出的方波和接收器输出的方波一一对应,由于控制器发出控制信号到接收器输出对应信号之间存在时间延迟,所以当时间t到达 时,接收器才输出对应的方波并且其频率也同步增大,其中 ;时间延迟受电机温度、湿度和线束电阻、磁场等因素影响,并非恒定值;
电机加速时,控制器发出的电压波动信号,当时间t到达 时,方波的频率增大,用于增大电机的转速,此时转子加速,内轮毂快于外轮毂,接收器输出的电压波动信号本应在 时刻出现的方波延迟到 时刻才出现,其中 ,中间出现了时间差 ,该时间差如前所述即为变量T,因此根据公式(12)计算得出的时间差T,通过公式 得到 ,即得到接收器在无辐条弯曲的理想状态下输出电压波动信号的时刻;
同理,电机减速时,控制器发出的电压波动信号,当时间t到达 时,方波的频率减小,用于降低电机的转速,此时转子减速,内轮毂慢于外轮毂,接收器输出的电压波动信号本应在 时刻出现的方波提前在 时刻就已出现,其中 ,中间出现了时间差,该时间差如前所述即为变量T,因此根据公式(12)计算得出的时间差T,通过公式得到 ,即得到接收器在无辐条弯曲的理想状态下输出电压波动信号的时刻。