一种基于变频器的定位控制方法及系统与流程

本申请涉及定位控制技术领域，尤其涉及一种基于变频器的定位控制方法及系统。

背景技术：

定位控制是指当控制器按照控制要求发出控制指令，将被控对象的位置按指定速度完成指定方向上的指定位移，即在一定时间内稳定停止在预定的目标点处。定位控制系统即实现定位控制的系统。主要可分为开环位置伺服系统、位置半闭环控制系统、全闭环位置控制系统、混合闭环位置伺服系统。不管是在民用工业，还是在国民经济建设中都有着极其广泛的应用前景。

现有技术中无论是“机器人控制器+伺服电机”、“驱动器+编码器+plc（可编程逻辑控制器）/工业计算机”还是“频率传感器+数据处理芯片+温度传感器+数据交换机”的定位控制都集中在直线上小范围中，能够实现精准的定位控制且价格合理，例如常见的智能机床控制系统等等。

随着未来伺服驱动逐步向大功率和大范围定位控制领域过渡，在工业常常需要应用。应用于大范围和中大功率，即100米以上的距离且11～160kw功率的应用中，以上提及的现有常见的技术方法都有着精度不足的缺点，并且价格昂贵，难以大规模应用。精度上的问题，例如在红外线装置在长距离发射会受到雾气的干扰或者过长的装置会导致运行中出现角度的偏差等情况；价格上的问题，例如需要在大范围安装传感器。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的定位控制系统和方法对大范围，控制精度较低，且普适性较差；大面积应用时对硬件数量的要求较多的问题，造成价格昂贵的问题。本发明通过基于变频器能够读取脉冲数据并传输给工业计算机处理并保存为广义位置坐标，以此实现定位控制。

在本发明的第一方面，公开一种基于变频器的定位控制方法，包括：

s10，在待定位的一维直线范围内建立坐标系；

s20，设置一个分布式位置开关作为参考点将待定位的直线平均分为若干直线段，在每一个端点处设置一个分布式位置开关作为参考点；

s30，随机选取两个参考点，一个作为参考点起点，另一个作为参考点终点，并且获取参考点起点坐标和参考点终点坐标，同时随机选取一个从参考点的运动状态数据设定值；定位控制对象以参考点起点坐标、参考点终点坐标和参考点的运动状态数据设定值作为参数运行；

s40，工业计算机根据变频器实时接收编码器的脉冲值和参考点起点坐标，获取从参考点起点坐标运行至参考点终点坐标的运动状态数据、参考点理论位移和参考点理论终点坐标；

s50，根据参考点终点坐标和参考点理论终点坐标的偏差限定值要求，工业计算机筛选出参考点合格的运动状态数据，并将参考点合格的运动状态数据与参考点的运行数据包建立起映射；所述运行数据包，包括：起点坐标、终点坐标和位移；

s60，工业计算机保存各参考点合格的运动状态数据和参考点的运行数据包映射，保存至合格数据库；

s70，重复进行多次多次上述s30-s60直到得到所述合格数据库中参考点合格的运动状态数据和参考点的运行数据包的数量满足参考点预设值的数量；

s80，输入定位控制对象的待定位位置的起点、待定位位置的终点坐标和速度；

s90，工业计算机根据合格数据库，计算出对应的运动状态数据并传输给变频器，变频器控制异步变频电机运作，异步变频电机驱动定位控制对象以所述速度到达待定位位置坐标。

优选的，在s80之前还包括：

s71，将s20中每一个直线段平均设置若干个分割点；

s72，随机选取一个直线段中一个分割点作为任意点起点，再随机选取另一个直线段中的一个分割点作为任意点终点，并且获取任意点起点坐标和任意点终点坐标，同时随机选取一个从任意点的运动状态数据设定值；定位控制对象以任意点起点坐标、任意点终点坐标和任意点的运动状态数据设定值作为参数运行；

s73，工业计算机根据变频器实时接收编码器的脉冲值和任意点起点坐标，获取任意点的运动状态数据，任意点理论位移和任意点理论终点坐标；

s74，若任意点理论终点坐标在任意点终点所在的直线段内被视为合格，工业计算机筛选出任意点合格的运动状态数据，并将任意点合格的运动状态数据与任意点运行数据包建立起映射；

s75，工业计算机保存各任意点合格的运动状态数据和任意点运行数据包映射，保存至合格数据库；

s76，重复进行多次多次上述s72-s75直到得到所述合格数据库中任意点合格的运动状态数据和任意点运行数据包的数量满足任意点预设值的数量。

在本发明的第二方面，公开一种基于变频器的定位控制系统，包括：工业计算机、变频器、异步变频电机、定位控制对象和若干个分布式位置开关；

所述异步变频电机包括编码器；

所述工业计算机与变频器电连接，所述变频器与所述异步变频电机电连接，所述异步变频电机与所述定位控制对象电连接；

所述工业计算机用于接收所述分布式位置开关的状态信号，同时接收和传送所述变频器的数据；

所述变频器用于读取编码器的脉冲值，也用于控制所述异步变频电机；

所述异步变频电机驱动所述定位控制对象运动。

优选的，所述编码器为增量式编码器或者绝对值编码器。

优选的，一种基于变频器的定位控制系统，包括以太网转接口模块；所述以太网转接口模块接收分布式位置开关的状态信号，传送给所述工业计算机。

通过该方案，避免传统定位控制中在范围应用比较大的空间，易受各种干扰，需要条件苛刻导致精度不高，硬件要求数量多，造成价格昂贵的缺点。本申请具有很强的实用性，结构简单，应用成本不高，且适应性强，精度也很高。在100米以上的距离并且11～160kw中、大功率定位系统中具备“伺服定位系统”的精准及“变频调速系统”的价格优势。工业计算机替代传统plc，能够将算法赋予定位系统实现自动化向智能化升级转型。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种基于变频器的定位控制系统的示意图；

图2为本发明实施例公开的一种基于变频器的定位控制方法的流程图；

图3为本发明实施例公开的一种基于变频器的定位控制方法中任意点定位训练流程图；

图4为本发明实施例公开的一个翅片管冷却系统的侧面示意图；

图5为本发明实施例公开的一个翅片管冷却系统的正面示意图；

图6为本发明实施例公开的一个翅片管冷却系统应用的控制方法流程图。

具体实施方式

为了解决现有技术中，定位控制应用在范围比较大的空间，易受各种干扰，需要条件苛刻导致精度不高，硬件要求数量多，造成价格昂贵的缺点。本发明通过以下实施例公开一种基于变频器2的定位控制方法及系统。电气系统硬件上以变频器2替代传统伺服驱动器，且无需位置传感器用作外环反馈装置。系统硬件较简单，在11～160kw中、大功率定位系统中性价比极高，同时具备“伺服定位系统”的精准及“变频调速系统”的价格优势。上位系统以工业计算机1替代传统plc，能够将算法赋予定位系统实现自动化向智能化升级转型。

图1是依据本发明的一实施例的基于变频器2的定位控制系统的示意图。包括工业计算机1、变频器2、异步变频电机4、定位控制对象5和若干个分布式位置开关6；所述异步变频电机4包括编码器3；所述工业计算机1与变频器2电连接，所述变频器2与所述异步变频电机4电连接，所述异步变频电机4与所述定位控制对象5电连接；所述工业计算机1用于接收所述分布式位置开关6的状态信号，同时接收和传送所述变频器2的数据；所述变频器2用于读取编码器3的脉冲值，也用于控制所述异步变频电机4；所述异步变频电机4驱动所述定位控制对象5运动。

变频器2是本申请的核心定位部件。工业计算机1将一维测试条件程序化并通过通讯总线设置给变频器2，并通过变频器2实时读取编码器3的脉冲值，由于变频器2能够保存的脉冲量程很有限，所以需要在工业计算机1中设置足够的存储空间来搜集并计算这些脉冲数据，为半闭位置环控制做准备。

为了结构的简单化，本申请中省去了plc，由工业控制计算机对变频器2直接进行控制。编码器3是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器3位于异步变频电机4中。进一步地，编码器3可以选用增量式编码器3或者绝对值编码器3。为了控制成本，增量式编码器3可被视为较绝对值编码器3更加优选的编码器3。

分布式位置开关6，是一种常用的小电流主令电器，利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。为了节约成本，分布式位置开关6能够替代传统的传感器，在大范围使用时，大幅降低成本。

进一步地，所述以太网转接口模块接收分布式位置开关6的状态信号，传送给所述工业计算机1。工业计算机1通过io口与分布式位置开关6相连接，但在范围比较大时，需要更多io口。设计以太网转接口模块的目的是为了补偿工业计算机1的io口的不足，以太网转接口模块设置有多个io口，用于连接分布式位置开关6，以太网转接口模块再通过网络将数据连接给工业计算机1。

需要说明的是，以太网转接口模块和工业计算机1均放在电控柜中，两者通过rj45以太网线连接，此线缆不超过3m，模块输出连接至台架的n+2个位置开关，线缆要求100m以上。

如图2，本申请提供的一种基于变频器2的定位控制方法，包括以下步骤：

s10，在待定位的一维直线范围内建立坐标系。

待定范围是一维直线，工业计算机1建立绝对值坐标系。本申请主要是应用在大范围的使用场景，例如大于100米的直线范围，可以更好使用。尤其是在野外作业，普通的机床定位系统在相关的场景中会产生一些问题，，如在雾气或者雨水的环境，常见的激光反馈装置无法应用。

s20，将待定位的直线平均分为若干直线段，在每一个端点处设置一个分布式位置开关6作为参考点。

在诸如清洗架等大型运动平台时，设平台有效移动长度为l，指原点位置至极限点位置的距离。原点、极限点位置开关和l的分割点位置设置分布式位置开关6，分布式位置开关6一共有(n+1)个，将l分为n等份，则每小份长度为l=l/n。

工业计算机1能够实时获取分布式位置开关6的开关状态，判断定位控制对象5是否到达。分布式位置开关6的设计是为了代替传统的传感器，相比起传感器的价格，分布式位置开关6具有很大优势，尤其是对于范围比较大时候。需要说明的是，参考点的分布式位置开关6绝对坐标通过仪器预先校验好。

s30，随机选取两个参考点，一个作为参考点起点，另一个作为参考点终点，并且获取参考点起点坐标和参考点终点坐标，同时随机选取一个从参考点的运动状态数据设定值；定位控制对象以参考点起点坐标、参考点终点坐标和参考点的运动状态数据设定值作为参数运行。

从s20到s70是在参考点定位训练过程，是在实现应用之前的针对不同场景的训练，让系统适用场景的参数和背景。本申请的系统利用工业计算机1、变频器2、编码器3及分布式位置开关6的结合作为全闭环定位，前期通过引入机器学习思想，让系统习得足够的“经验”从而达到定位指标。需要说明的是，运动状态数据设定值是一个速度值，因为变频器2的变频范围有限，所以速度范围也有限，而且一般都取整数的速度而训练，所以速度只有若干个。

s40，工业计算机1根据变频器2实时接收编码器3的脉冲值和参考点起点坐标，获取从参考点起点坐标运行至参考点终点坐标的运动状态数据、参考点理论位移和参考点理论终点坐标。

此步骤中，工业计算机1根据参考点起点坐标和参考点终点坐标，先将运行数据传入变频器2，变频器2通过调速来控制异步变频电机4，异步变频电机4再驱动异步变频电机4运动。运行期间，通过变频器2同时实时读取编码器3的脉冲值，由于变频器2能够保存的脉冲量程很有限，所以需要在工业计算机1中设置足够的存储空间来收集并计算这些实时的脉冲值。因此，变频器是本申请的核心部件，一方面根据工业计算机1的数据控制异步变频电机4；另一方面实时读取编码器3的脉冲值传输给工业计算机1。工业计算机1不断处理并保存各测试条件下的脉冲值，同时开启变频器2实时时钟功能，这样获得的脉冲值是具有时间属性的，在复杂环境下，运动测试数据所对应的实际瞬时速度将被获取，和单纯依靠增量编码器3所获得的速度不同，结合了多维测试数据的瞬时速度可以为实际速度及位置的偏差的在线诊断打下基础。需要说明的是，运动状态是指定位控制对象5的瞬时速度，方向和时间的数据总和。

编码器3脉冲数可通过变频器2读出，脉冲反映了编码器3匹配异步变频电机4的旋转角度，进而可以换算出行走的距离，例如2500脉冲对应1圈，那么c个脉冲对应c*360/2500度，实际异步变频电机4配有减速器，则实际异步变频电机4真实角度为c*360/2500/k，其中k为减速比，则实际行走距离d=nπr/180，其中n=c*360/2500/k为实际异步变频电机4真实角度。工业计算机1计算出d后，至于方向，还需要从变频器2中读取，以便得出坐标的增减方向。工业计算机1引入时间的参数，根据行走的距离，可以实时记录脉冲值的获取的速度，对应的得到定位控制对象5行走的速度。所以工业计算机1可以得到运行的数据包括，运行的时间，速度和方向，还有真实的位移情况。

需要说明的是，工业计算机1通过变频器2收集到连续的脉冲值，可以计算出定位控制对象5的参考点理论位移。由于参考点起点坐标并没有移动，所以参考点起点坐标等于参考点理论起点坐标。通过参考点理论位移加上参考点起点坐标得到参考点理论终点坐标。位移等于终点坐标与起点坐标的差，是矢量。

s50，根据参考点终点坐标和参考点理论终点坐标的偏差限定值要求，工业计算机1筛选出参考点合格的运动状态数据，并将参考点合格的运动状态数据与参考点的运行数据包建立起映射；所述运行数据包，包括：起点坐标、终点坐标和位移。

s50的目的是筛选合格数据，将运动状态数据与运行数据包建立关系。映射，这个过程是工业计算机1的机器学习的步骤，是找到为了一个有效的计算方式。以便后续在实际应用中，根据定位位置和速度计算出运动状态数据并传输给变频器2，变频器2控制异步变频电机4运作，异步变频电机4驱动定位控制对象5以所述速度到达待定位位置坐标。偏差限定值要求根据具体的实际情况而定。偏差是指实际理论的运行与设定值的偏差，是由于各个因素的累积误差造成的。

s60，工业计算机1保存各参考点合格的运动状态数据和参考点的运行数据包映射，保存至合格数据库。

s70，重复进行多次上述s30-s60直到得到所述合格数据库中参考点合格的运动状态数据和参考点的运行数据包的数量满足参考点预设值的数量。

s20-s70是本申请的参考点定位训练，本申请将工业计算机1、变频器2、编码器3及分布式位置开关6作为全闭环定位的作为结合，前期通过引入机器学习思想，让系统习得足够的经验从而达到定位指标。工业计算机1不断处理并保存各测试条件下的脉冲值，同时开启变频器2实时时钟功能，这样获得的脉冲值是具有时间属性的，在复杂环境下，运动测试数据所对应的实际瞬时速度将被获取，和单纯依靠增量编码器3所获得的速度不同，结合了多维测试数据的瞬时速度可以为实际速度及位置的偏差的在线诊断打下基础。需要说明的是，参考点预设值的数量根据实际情况而定，随着精密度要求的变化而变化。变频器2调速是通过频率调节，频率调节的最大范围理论为5-100hz，而50-100hz为恒功率模式，5-50hz才能做到恒转矩输出。由于自重及机械负载，工程上需要调速在恒定转矩条件，也就是频率调节只允许5-50hz。因此，训练的速度也是有范围的，而且一般都取整数的速度而训练，所以速度只有若干个。参考点训练由于参考点的数量和速度有限，可以将所有的情况都训练出来。如图3，本申请为了更好保证定位训练的精确度，增加了任意点定位训练，即s71-s76。

s71，将s20中每一个直线段平均设置若干个分割点。

s71，是为了将在每一个直线段区间内找到为更多坐标点，以便适应实际的定位坐标需求，任意点训练相当于是一种更加复杂和升级的参考点训练。

s72，随机选取一个直线段中一个分割点作为任意点起点，再随机选取另一个直线段中的一个分割点作为任意点终点，并且获取任意点起点坐标和任意点终点坐标，同时随机选取一个从任意点的运动状态数据设定值；定位控制对象以任意点起点坐标、任意点终点坐标和任意点的运动状态数据设定值作为参数运行。

在两个不同的直线段中分别选取一个分割点，此过程是随机的，由工业计算机1完成。

s73，工业计算机1根据变频器2实时接收编码器3的脉冲值和任意点起点坐标，获取任意点的运动状态数据，任意点理论位移和任意点理论终点坐标。

s74，若任意点理论终点坐标在任意点终点所在的直线段内被视为合格，工业计算机1筛选出任意点合格的运动状态数据，并将任意点合格的运动状态数据与任意点运行数据包建立起映射。

若任意点理论终点坐标在任意点终点所在的直线段内被视为合格,可以通过每个直线段的端点上设置的分布式位置开关6作为参考，是否通过正确的直线段的端点来验证合格。例如任意点训练从第一直线段区间到达第五直线段区间，则要通过从第一直线段区间到达第五直线段区间的四个端点，且不能超过四个端点，如果超过四个端点说明运动已经超过第五直线段区间。此步骤利用了在端点上分布式位置开关6的状态作为对任意点理论终点坐标的验证依据。

此过程并没有精确而到点，而是精确到一段区间即为合格，是为可以大量快速收集数据，丰富合格数据库。

s75，工业计算机1保存各任意点合格的运动状态数据和任意点运行数据包映射，保存至合格数据库。

s76，重复进行多次上述s72-s75直到得到所述合格数据库中任意点的运动状态数据和任意点运行数据包的数量满足任意点预设值的数量。

s71至s76是本申请的任意点定位训练，是为了适用使用时的更多变化。参考点训练和任意点训练是训练难度递进的过程，是为了丰富工业计算机1的合格数据库，以达到精确实用的目前。需要说明的是，参考点定位训练和任意点定位训练都是定位训练，都在具体正式定位控制使用前完成。任意点训练的数量取决于对精度要求，可以根据实际情况而定每一个直线段训练中作为任意点起点和任意点终点必须同时达到一个数量即可停止，例如每个直线段内的分割点作为任意点起点十次，同时作为任意点终点十次，当所有直线段内都达到标准就可视为完成。由于速度只设为几个选项，所以任意点训练的数量并不会特别多，具有实用性。

s80，输入定位控制对象的待定位位置的起点、待定位位置的终点坐标和速度。

具体地，根据使用者的需求，输入待定位位置的起点、待定位位置的终点坐标和速度要求。

s90，工业计算机1根据合格数据库，计算出对应的运动状态数据并传输给变频器2，变频器2控制异步变频电机4运作，异步变频电机4驱动定位控制对象5以所述速度到达待定位位置坐标。

s80和s90是在使用定位控制时的具体步骤，工业计算机1会根据输入的定位位置和速度，在工业计算机1的合格数据库中计算出变频器2所应运行的数据。异步变频电机4会根据变频器2输出的电压和频率运作，已达到所需要的定位位置。需要说明的是，s100并不需要编码器3的参与。一般情况，输入的待定位位置坐标和速度的参数不可能完全和训练过程中的位置和速度的参数一样，但合格数据库中存在相近映射关系，可以指导整个系统工作。

一个具体的实施例为，如图4和图5所示，一个翅片管8冷却系统，其中水平上行电机41驱动上行走机构51、水平下行电机42驱动下行走机构52、上行走机构51和下行走机构52中间设置清洗喷头9为了清洗翅片管8。上行走机构51和下行走机构52行走的路线上安装多个分布式位置开关6。为了保证上行走机构51和下行走机构52同步定位控制精度均在±5%，此系统长为200m，功率在10kw以上。上行走机构51和下行走机构52的控制定位均为一维线性。

传统的开环定位系统下会使上、下累积定位偏差导致不同步，导致无法保证精度要求，系统不满足偏差要求产生安全风险而停止。翅片管8冷却会产生大量水雾，无法使用激光测距传感器进行全闭环位置控制；行走距离较长且环境温度影响较大，故不能安装光栅尺等进行绝对位置测量。普遍在工厂内的定位系统并不适应此环境。

首先，利用安装的多个分布式位置开关6执行定位训练，即参考点训练和任意点训练，工业计算机1利用保持的数据建立运行的数据库。然后，用户在客户端只需输入若干位置点及各区间运行速度，系统自动转换成频率v=60*f/p，其中v为速度，f为变频器2运行频率，p为异步电机极对数。工业计算机1会自动推算出接下来的控制参数，从而变频器2控制水平上行电机41驱动上行走机构51和水平下行电机42驱动下行走机构52同步到达输入的定位位置。如图6中控制字、状态字等是目前业界中通用的变频器2通讯控制参数。为便于用户查看过程数据，仅在各位置分布式位置开关6反馈上、下行电机的绝对位置及相对位置偏差。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。