CN101776861A - 运动控制伺服回路装置 - Google Patents

Abstract

一种运动控制伺服回路装置，其包含一前馈控制模块、一比例-积分-微分控制回路及一补偿项加法器，该前馈控制模块可产生一前馈补偿项；该比例-积分-微分控制回路包括一比例控制模块、一积分控制模块及一微分控制模块，该比例控制模块可产生一比例补偿项，该微分控制模块可产生一微分补偿项；该积分控制模块采用数字差分分析演算法则，在每次积分抽样时间对位置误差量在每一数字差分分析脉冲产生的时刻累加误差量，逐次进行积分动作并输出一误差积分累加量，再处理该误差积分累加量产生一积分补偿项；再由该补偿项加法器接收该前馈补偿项、比例补偿项、积分补偿项及微分补偿项，并计算出驱动器运动位置误差补偿量。

Description

运动控制伺服回路装置

技术领域

本发明有关于一种运动控制伺服回路装置，尤指一种在比例-积分-微分(PID，Proportional-Integral-Derivative)控制回路采用数字差分分析(DDA，Digital Differential Analyzer)演算法则的积分控制模块，可有效提升响应速度、降低稳态误差、改善暂态响应及补偿受控系统延迟现象的运动控制伺服回路装置。

背景技术

运动控制技术是各式各样机械控制器的共同性基础技术，其目的在于调控使用在各式机械上的马达的速度、位置及扭力，用以带动刀具或夹头在三维空间里，在预期的时间点，以预期的速度，沿着预期的轨迹进行切削、加工、装配、取放等自动化工作。而公知运动控制伺服回路有二种，一为开回路控制，一为可内含比例-积分-微分(PID，Proportional-Integral-Derivative)控制法则的闭回路控制。

前述开回路控制由控制器内部脉冲发生器直接输出位置命令进行控制，并无反馈信号可供系统比较和计算误差，无法对系统响应速度、稳态误差等控制性能进行修正，仅适合精度较低的控制场合。

而比例-积分-微分控制回路具有比例、积分、微分及可搭配前馈控制器结构，其比例控制器为一固定增益控制器，借反馈信号对误差的修正，以提升系统响应速度，通过微分控制器可将误差量对时间进行微分，具改善暂态响应能力，而积分控制器则可对误差量进行积分累加运算，当系统趋于稳态时，将随时间增长放大积分项的影响力，消除稳态误差，然而，积分控制回路虽可消除稳态误差，却会减缓响应速度，无法对系统瞬时变化即时反应，若积分项增益与积分时间参数设定过大，容易因为误差累积量陡升而造成系统受控体发生振荡而处于不稳定状态，且高速控制下伺服落后较大，产生响应延迟现象，影响控制系统的追踪准确性与轨迹精度，不利高精度的控制。

据此可知，为实现高等运动控制器所需的高速高精度要求，即需要改良现有的运动控制伺服回路结构，增进其控制性能，并克服前述积分控制器所需兼顾精确与稳定性的问题。

发明内容

有鉴于公知技术的缺失，本发明提出一种运动控制伺服回路装置，在比例-积分-微分(PID，Proportional-Integral-Derivative)控制回路采用数字差分分析(DDA，Digital Differential Analyzer)演算法则的积分控制模块，可有效提升响应速度、降低稳态误差、改善暂态响应及补偿受控系统延迟现象。

为实现上述目的，本发明提出一种运动控制伺服回路装置，其包含一前馈控制模块、一比例-积分-微分控制回路及一补偿项加法器，该前馈控制模块可产生一前馈补偿项；该比例-积分-微分控制回路包括一比例控制模块、一积分控制模块及一微分控制模块，该比例控制模块可产生一比例补偿项，该微分控制模块可产生一微分补偿项；该积分控制模块采用数字差分分析演算法则，在每次积分抽样时间对位置误差于每一数字差分分析脉冲产生的时刻累加误差量，逐次进行积分动作并输出一误差积分累加量，再处理该误差积分累加量产生一积分补偿项；再由该补偿项加法器接收该前馈补偿项、比例补偿项、积分补偿项及微分补偿项，并计算出驱动器运动位置误差补偿量。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明该积分控制模块的数字差分分析法进行误差积分累加的时序实施例示意图；

图3为本发明与公知积分控制的误差累积项差异比较示意图。

1-运动控制服务回路装置

10-前馈控制模块

11-暂存器

12-减法器

13-乘法器

14-前馈增益系数

20-比例-积分-微分(PID，Proportional-Integral-Derivative)控制回路

21-比例控制模块

211-误差计数器

212-乘法器

213-比例增益

22-积分控制模块

221-误差命令暂存器

222-加法器

223-余数暂存器

224-误差积分累加器

225-乘法器

226-积分增益

23-微分控制模块

231-暂存器

232-减法器

233-乘法器

234-微分增益

30-补偿项加法器

L1、L2-积分累加量曲线

具体实施方式

以下将参照随附附图来描述本发明为实现技术目的所使用的技术手段与效果，所述附图所列举的实施例仅为辅助说明，但本发明的技术手段并不限于所列举的附图。

请参阅图1所示，本发明所提供的运动控制服务回路装置的结构示意图，该运动控制服务回路装置主要包括一前馈控制模块10、一比例-积分-微分(PID，Proportional-Integral-Derivative)控制回路20及一补偿项加法器30。

该前馈控制模块10通过一暂存器11及一减法器12对一位置命令进行微分运算，并产生一位置命令微分量，再将该位置命令微分量通过一乘法器13与一前馈增益系数14相乘后，产生一前馈补偿项，再将该前馈补偿项输入该补偿项加法器30。通过该前馈控制模块10对位置命令进行微分处理，在目标信号输入马达驱动器(图中未示出)之前，先经过前馈控制器的修正，使输入该补偿项加法器30的信号，较原先设定的目标命令更为超前，以补偿受控系统的延迟或过冲现象，以减少因命令变化所引起的追随误差，可增加控制系统的追踪准确性。

该比例-积分-微分(PID，Proportional-Integral-Derivative)控制回路20包括一比例控制模块21、一积分控制模块22及一微分控制模块23。

该比例控制模块21通过一误差计数器211接收位置命令以及由马达编码器(图中未示出)所产生的反馈命令，将该位置命令对反馈命令相减后得出一位置误差量，再将该位置误差量通过一乘法器212与一比例增益213相乘后，产生一比例补偿项，再将该比例补偿项输入该补偿项加法器30，该比例补偿项的作用在于加速系统响应时间。

该积分控制模块22包括一误差命令暂存器221、一加法器222、一误差积分累加器224以及一余数暂存器223，其积分抽样频率为每单一次完整积分计算时间周期的倒数，将位置误差量输入该误差命令暂存器221，由该加法器222采用数字差分分析(DDA，Digital Differential Analyzer)演算法则，使该误差积分累加器224在每次积分抽样时间内，对位置误差量在每一数字差分分析脉冲(DDA Pulse)产生的时刻累加误差量，并将该误差命令暂存器221及余数暂存器223的值的总和与积分时间内总时钟脉冲数进行比较，若发生溢位，则输出溢位信号触发该误差积分累加器224进行位置误差量累加，逐次进行积分累加动作，再将比较结果的余数反馈存入该余数暂存器223，最后输出一误差积分累加量。该误差积分累加量再通过一乘法器225与一积分增益226相乘后，产生一积分补偿项，再将该积分补偿项输入该补偿项加法器30。

该补偿项加法器30即可根据所接收的前馈补偿项、比例补偿项、积分补偿项及微分补偿项，计算出驱动器运动位置误差补偿量。

关于上述该积分控制模块22的运算步骤，请参阅图2实施例说明如下：

-假设若某单一积分时间内的时钟脉冲(clock)总数为8，触发次数为k，位置误差量为p，输出溢位信号为ΔZ，该余数暂存器223的初始值q(0)＝0；

-当每次时钟脉冲触发发生时，进行q(k-1)+p动作(位置误差量p与余数暂存器之值相加)；

-若q(k-1)+p＞8，即溢位发生，则ΔZ(k)＝1，q(k)＝q(k-1)+p-8(输出溢位信号ΔZ进行位置误差量累加，余数回存入该余数暂存器223)；

-否则ΔZ(k)＝0，q(k)＝q(k-1)+p(无溢位信号发生，余数回存入该余数暂存器223)。

-重复上述步骤，当完成整个积分时间内的8次运算后，必将有p次溢位信号发生，输出p个脉冲(即位置误差积分所需的累加量)，该积分控制模块22即在每一数字差分分析脉冲(DDA Pulse)发生时对位置误差量累加一，逐次完成单一积分时间内所需的积分累加动作，通过不断累积的误差量推动输出增大，从而消除稳态误差，达到高精度的运动控制要求，此外，利用数字差分分析(DDA，Digital Differential Analyzer)演算法则可均匀送出脉冲、平滑化加速曲线的概念，可将数字集成电路硬件电路的离散行为逼近实际的连续系统，强化积分运算的连续性，避免单一积分时间内所累加的误差量瞬间陡升，并在系统过冲超调(overshoot)时具备饱和保护功能，改善一般积分控制回路可能因增益参数与抽样周期调整不当而造成系统受控体发生振荡或发散现象等不稳定状态。

该微分控制模块23通过一暂存器231与一减法器232，在每一抽样时间内，通过位置误差减去误差量的延迟而完成微分运算，并产生一误差微分量，该误差微分量再经一乘法器233与一微分增益234相乘后，产生一微分补偿项，再将该微分补偿项输入该补偿项加法器30，该微分补偿项的作用在于改善暂态响应。

上述该积分抽样时间与微分抽样时间可通过设定一时钟脉冲控制器(图中未示出)而产生，此外，该前馈控制模块10、比例控制模块21、积分控制模块22及微分控制模块23可通过硬件描述语言设计数字电路的方式制成。

请参阅图3，其为本发明与公知积分控制的误差累积项差异比较示意图。假设某单一积分时间内所需的误差积分累加量为6，公知的未采用数字差分分析演算法的积分器在单一积分时钟脉冲上升瞬间即将所需误差量6一次累加完毕，如图3曲线L1所示；而本发明采用数字差分分析方式实现的积分控制模块，对位置命令与反馈命令的位置误差量以数字差分分析计算法则，在每一数字差分分析脉冲产生时刻累加误差量，每次皆对其位置误差累加一，逐次且均匀地完成六次积分累加动作，如图3虚线曲线L2所示，避免单一积分时间内因所累加的误差量瞬间陡升，而可能造成误差修正时来回超出过量，产生振荡或发散现象的不稳定状态，并推动控制器的输出增大而使稳态误差进一步减小，直到等于零。如前所述，本发明积分抽样时间与微分抽样时间可通过设定时钟脉冲控制器而产生，以图3实施例为例，若其控制回路内的误差计数器211(显示于图1图1)采用16比特时，其积分时间最小周期为2的15次方减1(32767)个系统时钟脉冲周期。

综上所述，本发明提供的运动控制服务回路装置，在比例-积分-微分控制回路采用利用数字差分分析(DDA，Digital Differential Analyzer)演算法则的积分控制模块并结合前馈控制模块，可通过比例、积分、微分以及前馈控制项分别对受控系统的响应速度、稳态误差、暂态响应、系统响应延迟落后等控制性能指标进行误差修正，可有效提升响应速度、降低稳态误差、改善暂态响应及补偿受控系统延迟现象。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种运动控制服务回路装置，其用以补偿驱动器运动位置误差，其特征在于，该运动控制服务回路装置包含有：

一前馈控制模块，用以产生一前馈补偿项；

一比例-积分-微分控制回路，其更包含有：

一比例控制模块，用以产生一位置误差量，并处理该位置误差量以产生一比例补偿项输入；

一积分控制模块，用以接收该位置误差量，并采用数字差分分析演算法则，在每次积分抽样时间内，在每一数字差分分析脉冲产生的时刻对位置误差累加误差量，逐次进行积分动作，并输出一误差积分累加量，再处理该误差积分累加量以产生一积分补偿项；

一微分控制模块，用以接收位置误差量，在每次微分抽样时间内，产生一微分补偿项；以及

一补偿项加法器，用以接收该前馈补偿项、比例补偿项、积分补偿项及微分补偿项，并计算出驱动器运动位置误差补偿量。

2.根据权利要求1所述的运动控制服务回路装置，其特征在于，该积分控制模块包含有：

一误差命令暂存器，用以接收位置误差量；

一加法器，用以对位置误差量与反馈余数相加，执行数字差分分析运算，并输出溢位信号；

一误差积分累加器，用以对位置误差量进行累加积分，并产生一误差积分累加量；以及

一余数暂存器，用以存放该加法器所产生的余数，并将余数送入该加法器进行数字差分分析运算。

3.根据权利要求1所述的运动控制服务回路装置，其特征在于，该积分控制模块积分抽样频率为每一次完整积分计算时间周期的倒数。

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