CN102664585B - 一种电机加减速精确控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机加减速精确控制装置，所述控制装置包括：信息输入单元，用于输入加减速控制信息；目标速度判断单元，用于提前判断用户所给定脉冲是否能使电机按照规定曲线加速到规定的目标速度；目标速度确定单元，用于根据目标速度判断单元判断结果确定目标速度；脉冲分配单元，用于根据目标速度确定单元确定的目标速度按照规定的曲线进行脉冲分配；信息输出单元，用于将脉冲分配单元分配的脉冲输出给电机。本发明具备运算量减小，解决了部分曲线加减速由于每个周期计算量过大不能实现的问题；在不能达到目标速度的加减速中，也能够规划出完整的相应曲线，解决了之前不能到达最大速度时产生的冲击问题的优点。

Description

一种电机加减速精确控制装置

技术领域

本发明涉及一种电机控制装置，尤其是一种电机加减速精确控制装置。

背景技术

加、减速的控制是运动控制的必要组成部分，随着加工精度和加工效率需求的提高。要求我们设计各种复杂曲线进行加、减的控制。对于复杂曲线的加减速规划目前主要采用：

1、对于加减速没有进行预先规划，直接按照用户给定的参数进行相应的加减速设计，当脉冲数达到但还未加速到目标速度时直接减速停止。这样的缺点是对于脉冲不足加速时冲击过大。而且脉冲能满足加速要求时，需要计算减速的脉冲，对于一些非对称曲线计算量较大，可能无法在减速前完成计算。

2、根据用户给定的参数进行相应的加减速设计，同时在加速的过程中计算减速脉冲。在达到减速脉冲时减速停止。这种方法缺点是每个周期的计算量很大，对于一些曲线也可能在一个周期内无法计算完成。而且脉冲不能满足加速到最大速度时，所走的曲线只是整体曲线的部分，可能会存在较大的冲击。

发明内容：

为解决以上问题，本发明提供一种曲线加减速的规划方法，本发明的具体技术方案为：

一种电机的高精度控制方法，包括：

A、提前判断用户所给定脉冲是否能使电机按照规定曲线加速到目标速度；

B、如果给定脉冲能使电机按照规定曲线加速到目标速度，则根据用户指定的参数进行脉冲分配；

C、如果给定的脉冲不能使电机按照规定的曲线加速到目标速度，则计算出新的目标速度；

D、根据计算出的新的目标速度按照设定的曲线规划出理想的轨迹进行脉冲分配；

E、将分配好的脉冲输出驱动电机；

进一步的步骤A中所述判断为将用户给定脉冲全部设定为进行加减速的所需脉冲，计算按照设定曲线所能达到的最大速度，如果该最大速度超过目标速度则执行步骤B；如果最大速度小于目标速度则顺序执行步骤C、D；

其中，对于S曲线，由其对称性知，其加、减速期间需要的脉冲总量和相应加减速时间内的经过加速曲线两端点和经过减速曲线两端点的直线的脉冲总量相等。由此可计算出用户给定的脉冲全部用于加、减速可到达的最大速度。进而可判断出是否能加速到目标速度；

其中，对于对称指数曲线，由其对称性知，其加、减速期间需要的脉冲总量和相应加减速时间内的经过加速曲线两端点和经过减速曲线两端点的直线的脉冲总量相等。由此可计算出用户给定的脉冲数全部用于加、减速可到达的最大速度。进而可判断出是否能加速到目标速度；

进一步的所述曲线为指数曲线、S曲线、抛物线；

进一步的步骤A中所述判断为基于运动控制卡或者运动控制器或者DSP或者FPGA或者MCU完成；

进一步的所述电机高精度控制方法用于伺服电机或者步进电机或者直线电机控制。

本发明还提供一种电机加减速精确控制装置，所述控制装置包括：

信息输入单元，用于输入加减速控制信息，所述控制信息包括：给定脉冲数，加减速时间，加减速曲线类型，目标速度；

目标速度判断单元，用于提前判断用户所给定脉冲是否能使电机按照规定曲线加速到规定的目标速度；

目标速度确定单元，用于根据目标速度判断单元判断结果确定目标速度，如果目标速度判断单元判断结果为电机可以按照规定曲线加速到规定的目标速度，则确定目标速度为规定的目标速度；如果目标速度判断单元判断结果为电机不能按照规定曲线加速到规定的目标速度，则计算确定新的目标速度；

脉冲分配单元，用于根据目标速度确定单元确定的目标速度按照规定的曲线进行脉冲分配；

信息输出单元，用于将脉冲分配单元分配的脉冲输出给电机；

进一步的目标速度判断单元所述提前判断为电机加减速之前；

进一步的所述信息输入单元为键盘输入或者触摸屏输入；

进一步的所述目标速度判断单元，目标速度确定单元，脉冲分配单元可以为一体式，也可以为分体式；

其中，目标速度判断单元，目标速度确定单元，脉冲分配单元为MCU或者DSP或者FPGA；

进一步的所述输出单元为脉冲插补输出或者总线插补输出；

进一步的所述控制装置应用于伺服电机或者步进电机控制；

进一步的所述控制装置应用于运动控制卡或者运动控制器上。

有益效果：

1、运算量减小，解决了部分曲线加减速由于每个周期计算量过大不能实现的问题

2、在不能达到目标速度的加减速中，也能够规划出完整的相应曲线，解决了之前不能到达最大速度时产生的冲击问题。

附图说明

图1为电机高精度控制方法流程图；

图2为电机高精度控制装置示意图；

图3为S曲线加减速算法示意图；

图4为指数曲线加减速算法示意图；

图5为非对称曲线加减速验证输出示意图；

图6为重新规划目标速度后的非对称曲线加减速验证输出示意图；

具体实施方式

一种电机的高精度控制方法，包括：

A、提前判断用户所给定脉冲是否能使电机按照规定曲线加速到目标速度；

B、如果给定脉冲能使电机按照规定曲线加速到目标速度，则根据用户指定的参数进行脉冲分配；

C、如果给定的脉冲不能使电机按照规定的曲线加速到目标速度，则计算出新的目标速度；

D、根据计算出的新的目标速度规划出理想的轨迹进行脉冲分配；

E、将分配好的脉冲输出驱动电机；

进一步的步骤A中所述判断为将用户给定脉冲全部设定为进行加减速的所需脉冲，计算按照规定曲线所能达到的最大速度，如果该最大速度超过目标速度则执行步骤B；如果最大速度小于目标速度则顺序执行步骤C、D；

其中，对于S曲线，由其对称性知，其加、减速期间需要的脉冲总量和相应加减速时间内的经过加速曲线两端点和经过减速曲线两端点的直线的脉冲总量相等。由此可计算出用户给定的脉冲全部用于加、减速可到达的最大速度。进而可判断出是否能加速到目标速度；

其中，对于对称指数曲线，由其特性知，其加、减速期间需要的脉冲总量和相应加减速时间内的经过加速曲线两端点和经过减速曲线两端点的直线的脉冲总量相等。由此可计算出用户给定的脉冲数全部用于加、减速可到达的最大速度。进而可判断出是否能加速到目标速度；

进一步的所述曲线为指数曲线、S曲线、抛物线；

进一步的步骤A中所述判断为基于运动控制卡或者运动控制器或者DSP或者FPGA或者MCU完成；

进一步的所述电机为伺服电机或者步进电机；

本发明还提供一种电机加减速精确控制装置，所述控制装置包括：

信息输入单元，用于输入加减速控制信息；

目标速度判断单元，用于提前判断用户所给定脉冲是否能使电机按照规定曲线加速到规定的目标速度；

目标速度确定单元，用于根据目标速度判断单元判断结果确定目标速度，如果目标速度判断单元判断结果为电机可以按照规定曲线加速规定的目标速度，则确定目标速度为规定的目标速度；如果目标速度判断单元判断结果为电机不能按照规定曲线加速到规定的目标速度，则计算确定新的目标速度；

脉冲分配单元，用于根据目标速度确定单元确定的目标速度按照规定的曲线进行脉冲分配；

信息输出单元，用于将脉冲分配单元分配的脉冲输出给电机；

进一步的所述信息输入单元为键盘输入或者触摸屏输入；

进一步的所述目标速度判断单元，目标速度确定单元，脉冲分配单元可以为一体式，也可以为分体式；

其中，目标速度判断单元，目标速度确定单元，脉冲分配单元为MCU或者DSP或者FPGA；

进一步的所述输出单元为脉冲插补输出或者总线插补输出；

进一步的所述控制装置应用于伺服电机或者步进电机控制；

进一步的所述控制装置应用于运动控制卡或者运动控制器上。

下面以运动控制中常见的s曲线加减速和指数加减速进行说明：

如图3、图4所示

对称S曲线加减速：

对于对称S曲线加减速，假设用户需要的加速到最大速度Vmax的时间为T、总脉冲数P、和目标速度V。由于S曲线加减速特性可以知道，加减速期间需要的脉冲总量与相应加减速时间内的经过加速曲线两端点和经过减速曲线两端点的直线的脉冲总量之和相等。假设总脉冲数P完全用于S曲线加减速所可达到的速度为Vp，加速阶段总脉冲为P1，减速阶段总脉冲为P2：

(1)起始结束速度为零，由对称特性知加、减速阶段所需的脉冲量是相等，即P1＝P2＝P/2，则加、减速阶段公式可列为：2×a×P1＝Vp×Vp

由此

a＝Vmax/T；

Vp×Vp＝a×P；

则 $\mathrm{Vp}=\sqrt{P\×V\max /T}$

(2)起始结束速度不为零，设起始速度为Vs，结束速度为Ve，加速段的时间为T1，减速段的时间为T2，加速脉冲为P1，减速脉冲为P2，按照直线加减速：

P1＝Vs×T1+1/2×a×T1×T1；

P2＝Ve×T2+1/2×a×T2×T2；

P＝P1+P2；

Vp＝Vs+a×T1；

Ve＝Vp-a×T2；

a＝Vmax/T；

由以上可得

$\mathrm{Vp}=\sqrt{(2\×P\×V\max /T+\mathrm{Vs}\×\mathrm{Vs}+\mathrm{Ve}\×\mathrm{Ve})/2}$

如果Vp＞＝V，说明脉冲总数能够满足最大速度的加减速脉冲，此时按照s曲线每个周期进行脉冲分配，当达到最大速度后按照匀速运动。由于S曲线特性可知，减速脉冲与直线的加速脉冲相等。当剩余脉冲小于或等于加速脉冲时按照S曲线减速停止。

如果Vp＜V，说明此时不能够加速到目标速度，此时以Vp为目标速度对s曲线进行规划。只需将原来的函数中的目标速度改为新的目标速度Vp即可产生新的S曲线。这时根据新的曲线按照周期对脉冲进行分配，当速度达到Vp时减速到停止。

非对称S曲线加减速：

对于非对称S曲线，采用同样的方法即可，只是此时会有加速时间和减速时间，此时Vp的计算需要通过加速和减速所需要的脉冲之和计算。减速脉冲通过直线的减速总脉冲来规划。此时只需将原来的函数中的目标速度改为新的目标速度即可产生新的S曲线。

对称指数加减速：

对于对称指数曲线加减速，由于指数曲线加减速特性可以知道，对称的指数加减速所需的总脉冲数与相应时间的直线加减速的脉冲总量相等。当运动到达规划后的目标速度时可以记录加速脉冲，此时减速脉冲为直线加减速的总脉冲减去指数加速完成后记录的脉冲。其它和S曲线类似。

非对称指数加减速：

对于非对称的指数加减速，由于加减速脉冲总量和直线加减速的总量并不相等。假设总脉冲数P完全用于指数加减速所能达到的目标速度为Vp，加速脉冲为P1，减速脉冲为P2，T1和T2是机械常数，t1，t2分别为加速和减速的时间域。

下面以起始和结束速度为零为例计算，对于初始和结束速度不为零的情况方法在此基础上参照s曲线的情况，由指数曲线的定义可得：

$P1=\underset{0}{\overset{t1}{\∫}}\mathrm{Vp}\×(1-e^{-t1/T1})\mathrm{dt}1=\mathrm{Vp}\×t1+\mathrm{Vp}\×t1\×e^{-t1/T1}-\mathrm{Vp}\×T1$

$P2=\underset{0}{\overset{t2}{\∫}}\mathrm{Vp}\×e^{-t2/T2}\mathrm{dt}2=\mathrm{Vp}\×T2-\mathrm{Vp}\×T2\×e^{-t2/T2}$

由P＝P1+P2；

Vp＝P/(t1+t1×e^-t1/T1-T1+T2-T2×e^-t2/T2)

由上式可以计算出Vp。

如果Vp＞＝V，说明脉冲总数能够满足最大速度的加减速脉冲，此时按照指数曲线每个周期进行脉冲分配，当达到最大速度后按照匀速运动。此时可以提前按照根据积分计算出减速脉冲。当剩余脉冲小于或等于减速脉冲时按照指数曲线减速停止。

如果Vp＜V，说明此时不能够加速到目标速度，此时以Vp为目标速度对规划指数曲线进行加减速的规划。这时根据新的曲线按照周期对脉冲进行分配，当速度达到Vp时按照规划后的指数曲线减速到停止。

验证结果附图说明

下面是非对称指数加减速的验证结果：

图5为脉冲可以满足加减速的情况，在图中可以看到加速结束和减速结束时有一个很小的台阶，这个主要是指数加减速时间趋于无穷大时才能达到目标速度的特性所决定的，所以在计算中我们通过对偏差的控制，计算出到达一定偏差后就可以跳变到目标速度。

图6中，加速度和减速度是指文中提到的Vmax/T1和Vmax/T2，为了用户方便封装的，当然也可以如文中提到的以时间作为参数。脉冲计数显示的是整个过程中发送的总脉冲数。

图6为在图5参数曲线的基础上修改目标位置规划出新的曲线。可以看出在不能加速到目标速度时也是平稳的。

尽管已经参考实施例及附图，对本发明的一种电机高精度控制方法进行了说明，但是上述公开的内容仅是为了更好的了解本发明，而不是以任何方式限制权利要求的范围，故凡依本发明专利申请范围所述的结构、特征及原理所作的等化或修饰，均包括于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电机加减速精确控制装置，所述控制装置包括：

信息输入单元，用于输入加减速控制信息，所述控制信息包括：给定脉冲数，加减速时间，加减速曲线类型，目标速度；

目标速度判断单元，用于提前判断用户所给定脉冲是否能使电机按照规定曲线加速到规定的目标速度；

分如下几种情况计算：

对于对称S曲线加减速，假设用户需要的加速到最大速度Vmax的时间为T、总脉冲数P、和目标速度V，由于S曲线加减速特性可以知道，加减速期间需要的脉冲总量与相应加减速时间内的经过加速曲线两端点和经过减速曲线两端点的直线的脉冲总量之和相等，假设总脉冲数P完全用于S曲线加减速所可达到的速度为Vp，加速阶段总脉冲为P1，减速阶段总脉冲为P2：

(1)起始结束速度为零，由对称特性知加、减速阶段所需的脉冲量是相等，即p1＝P2＝P/2，则加、减速阶段公式可列为：2×a×P1＝Vp×Vp

由此

a＝Vmax/T；

Vp×Vp＝a×P；

则 $\mathrm{Vp}=\sqrt{P\×V\max /T}$

(2)起始结束速度不为零，设起始速度为Vs，结束速度为Ve，加速段的时间为T1，减速段的时间为T2，加速脉冲为P1，减速脉冲为P2，按照直线加减速：

P1＝Vs×T1+1/2×a×T1×T1；

P2＝Ve×T2+1/2×a×T2×T2；

P＝P1+P2；

Vp＝Vs+a×T1；

Ve＝Vp-a×T2；

a＝Vmax/T；

由以上可得

$\mathrm{Vp}=\sqrt{(2\×P\×V\max /T+\mathrm{Vs}\×\mathrm{Vs}+\mathrm{Ve}\×\mathrm{Ve})/2}$

对于非对称S曲线加减速，采用与S曲线加减速相同计算方法，只是此时会有加速时间和减速时间，此时Vp的计算需要通过加速和减速所需要的脉冲之和计算；

对于对称指数曲线加减速，由于指数曲线加减速特性，对称的指数加减速所需的总脉冲数与相应时间的直线加减速的脉冲总量相等，可以计算Vp；

对于非对称的指数加减速，由于加减速脉冲总量和直线加减速的总量并不相等，假设总脉冲数P完全用于指数加减速所能达到的目标速度为Vp，加速脉冲为P1，减速脉冲为p2，T1和T2是机械常数，t1，t2分别为加速和减速的时间域；

以起始和结束速度为零计算如下，对于初始和结束速度不为零的情况方法在此基础上参照s曲线的情况，由指数曲线的定义可得：

$P1=\underset{0}{\overset{t1}{\∫}}\mathrm{Vp}\×(1-e^{-t1/T1})\mathrm{dt}1=\mathrm{Vp}\×t1+\mathrm{Vp}\×t1\×e^{-t1/T1}-\mathrm{Vp}\×T1$

$P2=\underset{0}{\overset{t2}{\∫}}\mathrm{Vp}\×e^{-t2/T2}\mathrm{dt}2=\mathrm{Vp}\×T2-\mathrm{Vp}\×T2\×e^{-t2/T2}$

由P＝P1+P2；

Vp＝P/(t1+t1×e-t1/T1-T1+T2-T2×e-t2/T2)

所述判断为根据以上计算进行如下判断：

如果Vp＞＝V，说明脉冲总数能够满足最大速度的加减速脉冲；如果Vp＜V，说明此时不能够加速到目标速度；

目标速度确定单元，用于根据目标速度判断单元判断结果确定目标速度，如果目标速度判断单元判断结果为电机可以按照规定曲线加速到规定的目标速度，则确定目标速度为规定的目标速度；如果目标速度判断单元判断结果为电机不能按照规定曲线加速到规定的目标速度，则计算确定新的目标速度；

脉冲分配单元，用于根据目标速度确定单元确定的目标速度按照规定的曲线进行脉冲分配；

信息输出单元，用于将脉冲分配单元分配的脉冲输出给电机。

2.如权利要求1所述电机加减速精确控制装置，其特征在于，所述目标速度判断单元所述提前判断为电机加减速之前。

3.如权利要求1所述电机加减速精确控制装置，其特征在于，所述信息输入单元为键盘输入或者触摸屏输入。

4.如权利要求1所述电机加减速精确控制装置，其特征在于，所述目标速度判断单元，目标速度确定单元，脉冲分配单元可以为一体式，也可以为分体式。

5.如权利要求4所述电机加减速精确控制装置，其特征在于，所述目标速度判断单元，目标速度确定单元，脉冲分配单元为MCU或者DSP或者FPGA。

6.如权利要求1所述电机加减速精确控制装置，其特征在于，所述信息输出单元为脉冲插补输出或者总线插补输出。

7.如权利要求1所述电机加减速精确控制装置，其特征在于，所述控制装置应用于伺服电机或者步进电机控制。

8.如权利要求1所述电机加减速精确控制装置，其特征在于，所述控制装置应用于运动控制卡或者运动控制器上。