CN103064339B

CN103064339B - 高速智能花样机多维动态协同运动控制方法

Info

Publication number: CN103064339B
Application number: CN201210558936.7A
Authority: CN
Inventors: 奚雪峰; 付保川; 班建民; 陆卫忠
Original assignee: Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: Suzhou University of Science and Technology
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: CN103064339A

Abstract

本发明涉及高速智能花样机多维动态协同运动控制方法，根据前时Z轴伺服电机运动速度，即由Z轴伺服电机运动速度测算出当前XY轴可用的运动时间即时间维度，以及X轴、Y轴下一针运动的送布距离，即空间域，在整个加减速过程中，采用可变的加减速度参数，避免速度提升与平稳性能之间的冲突。对XY轴步进电机采用动态变加速曲线，升速过程中的速度高于常用固定加速度曲线，减速过程也具有和加速过程相同特点；动态变加速曲线在满足电机驱动力矩方程的前提下，驱动频率光滑变化，力矩裕量平稳，相比固定加速度曲线没有拐点，电机失步的可能性减小，稳定性提高。针对系统使用电机自身矩频特点、机械系统特性计算得到动态变加速曲线，使整体性能最优。

Description

高速智能花样机多维动态协同运动控制方法

技术领域

本发明涉及一种高速智能花样机多维动态协同运动控制方法，属于花样机控制技术领域。

背景技术

电子花样机是一种结合嵌入式系统、伺服控制、步进电机驱动和精密机械制造技术为一体的数控精密高端新型缝制设备，其主要用于复杂图案的缝制和加工，在服装、鞋类、箱包及各种需要特殊缝制的行业都有用武之地。

目前，国内中低速的电子花样机产品比较成熟，已经在市场上大量应用；但具有自主知识产权的高速智能花样机还较为少见。相比国外，如日本、德国等国家的同类产品，我国的电子花样机产品在速度及运行稳定性方面还存在一定差距。

高速智能电子花样机要同时具有高速缝制速度和运行平稳性两个关键性能指标。由于其正常的工作过程中，常规采用步进电机控制的二维平面，即工作台，在满足Z轴运动限制条件下，要求频繁的瞬间加速和瞬间停止，其启动至停止的时间在10ms～30ms，并且每次运动距离在0～12.7mm跳变；机械平台在短距离如此频繁的启停，又要同时满足高进给量和瞬间启停的平稳性需求，这对花样机的机械性能、步进电机驱动及三轴协同运动控制技术都提出了较为苛刻的要求。

专利公开号为CN 1794561 A的专利中公开了一种电子花样机电机运动控制方法，虽然实现了主轴电机的连续运行，但是由于花样机的主轴速度随着针迹的不同都在变化，所以很难实现电子花样机的高速平稳运行，同时也会因速度的变化带来机器的抖动等不良现象。另外，在步距小于0.33m时的缝制速度可达到3000针/分的技术指标没有实用意义。

2006年中国科技杂志《武汉科技学院学报》的《富怡牌电脑绣花机工作原理》中讲述了一种半互斥的三轴协调控制方法。同样采用类似的方法，在保持主轴伺服电机匀速运行的情况下，检测其主轴电机的角度，进一步控制绣框电机X轴和Y轴的运动。但是是一体式的控制方法，没有将运算处理和控制相分离，使得控制系统不能实现运算和控制的并序运行，从而减缓了系统的速度，也降低了机器的性能。同时，800针/分的缝制速度，也不能很好地适应高速电子花样机运动的需求。

专利公开号为CN 101519831A 的专利公开了一种电脑花样缝纫机运动控制方法，虽然能够实现电子花样机的运动控制，也弥补了之前专利中所讲的不能高速平稳运行的不足，但是在连贯性的处理上，依然没有解决，过冲等现象会时有发生。

专利公开号为CN102605573A的专利公开了一种电脑花样缝纫机运动控制方法，将花样信息处理与控制分开，利用ARM9的良好高速运算性能，通过五步加速和四步减速法使得主轴速度平稳过渡，防止过冲等现象。但是影响花样机高速平稳运动的瓶颈在于XY轴步进电机驱动的工作平台运动情况，与伺服电机控制的主轴关联不大。主轴运动完全能够满足控制要求，对主轴的控制没有实际意义。此外，对XY轴步进电机采用“升速—匀速—降速”的三步驱动，在实际中，受限于高速性能要求，以及花样机步进运动的距离(0.1mm~12.7mm)，步进电机很可能还未及加速到匀速阶段，就面临降速要求，而此时所示控制曲线还处于匀速状态，则无法满足运动系统的降速要求，故可能会产生抖动震荡，影响系统整体平稳性能。

上述方法都能实现三维协同运动，但是也忽略了一点关键的事实：那就是，花样机高速性能得以实现的瓶颈主要集中在XY轴平面的运动，XY轴平面的运动速度和平稳性能是决定整体速度和性能的关键。

电子花样机系统是一种典型的三维运动系统，其Z轴采用伺服电机驱动机针机构作垂直运动，X轴和Y轴采用步进电机驱动送布机构完成平面移动，移动的距离为缝制一针的距离，简称针距。[参考文献4：王博伟，张凯龙，梁克，杨志义，周兴社，智能缝制设备三维协同运动建模与控制方法[J].计算机工程与应用，2007,43(2):231-234.]定义的三轴时空配合过程如图1所示。其中：质点N代表针尖末端；平面α代表送布机构；A为质点N（针尖）向下运动时与平面α的交点；B为质点N（针尖）向上回复运动时与平面α的交点；H为质点N（针尖）向上运动的最高点；L则为质点N（针尖）向下运动的最低点。

定义1. [参考文献4]将电子花样机运动系统定义为一个六元组，其中：

1)是系统的元素集合；

2) S表示位置区间集合；

其中，。

3) S₀是初始状态集，为保证Z轴伺服电机有足够的加速路径，达到最佳运动性能，一般可以定义

4) I为输入集合，其中每个元素又可以表示为一个三元组，R代表动作类型集合{ nml表示正常缝制，cut表示剪线，jmp表示跳线，stp表示停止 }；T表示是否扫线；D表示距离信息；一般可以定义I元素集合为：

I={(nml,no,d),(cut,yes,d),(jmp,no,d),(stp,no,d)}

5) f为模型规则集，是S×I→O的映射，与具体的控制方法有关；

6) O为模型输出集合，其每一个元素也可表示为一个五元组（X输出控制信息，Y输出控制信息，Z输出控制信息，剪线控制信息，扫线控制信息），XYZ的输出控制信息∈{stop（停止），start（启动），acce（加速），dece（减速），velo（匀速）}。

此外，为保证运动过程的正确性和可靠性，还需要同时满足以下两个约束条件[参考文献4]。

定义2. 互斥约束条件R1

当N点处于子集{[A,A],(A,A-δ],(A-δ,L],(L,B-δ],(B-δ,B),[B,B]}中的任一位置状态时，平面α不能运动；

定义3. 协同约束条件R2

当N点处于{(B,B+δ],(B+δ,H],(H,A+δ],(A+δ,A)}状态子集中时，平面α可以移动，但必须在状态[A,A]之前结束运动。

因此，整个缝制过程的运动可描述为：在特定约束条件下，N点沿Z轴起始位置开始运动，经过L点后返回到B+δ点，此时平面α静止不动；N点自B+δ点开始向上运动经过H点到达A+δ点，此时平面α相对0点沿水平X、Y方向同步做平面移动；重复上述运动直到缝制结束。

可以首先以Z轴的运动模型来分析花样机运动规律。图1时空模型非常清晰地将花样机的Z轴运动过程分为由A-L->B阶段和B-H->A两个运动阶段，在A-L->B阶段，花样机针尖N从A+δ位置向下运动到最底点L后向上返回到B+δ位置，这段距离相对较短，辅助装置完成拨线、切线等动作；XY轴平面不运动。在另一个阶段，花样机针尖N从B+δ位置向上运动至最Z轴最高点H，之后向下回复运动到A+δ位置，这段距离相对较长，此时，XY轴平面同时运动，完成送布动作。显然，真正的三维协同运动的过程是在B-H->A运动阶段。在这个运动过程中，系统需要满足第二条件，即协同约束条件R2：当N点处于{(B,B+δ],(B+δ,H],(H,A+δ],(A+δ,A)}状态子集中时，平面α可以移动，但必须在状态[A,A]之前结束运动。

从物理长度来看，这段过程的Z轴方向运动路径远远大于另一阶段。因此，提高这段过程的运动速度，是实现全程高速的关键。而提高这一阶段运动速度需要满足协同约束条件R2，即要充分协调好由伺服电机控制的Z轴运动和由步进电机控制的XY轴运动。实际情况来看，伺服电机性能完全能够满足Z轴运动需要，而步进电机控制的XY轴运动相对而言属于“弱者”。原因如前所述，短距离短时间内、频繁的瞬间加速和瞬间停止，是造成XY轴运动速度和平稳性能产生冲突，难以同步提高的关键因素。

由“短板决定木桶盛水量”的“木桶原理”可知，协同整体的性能取决于弱者性能。因此，XY轴平面的运动速度和平稳性能是决定整体速度和性能的关键。显然，在保证Z轴运动不失一般性的前提下，提高XY轴的性能，可以进一步提高花样机整体性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速智能花样机多维动态协同运动控制方法，针对不同针距和速度要求，在保证Z轴运动不失一般性的前提下，采用分时分域的动态加（减）速曲线，提高XY轴的性能，最大限度地提高花样机整体性能。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

高速智能花样机多维动态协同运动控制方法，在Z轴伺服电机匀速运转的同时，通过检测前时Z轴伺服电机的速度和XY轴下一针的距离控制XY轴的送料运动；花样机一个工作周期内，在XY平面上夹放布料的工作台移动一个针距长度后停止，Z轴缝制针头穿过布料经跳线后移出布料，完成一针缝制；在这个周期内，步进电机驱动的工作台快速启动加速，然后运动完成一个针距后立即减速停止；特点是：根据前时Z轴伺服电机运动速度，即由Z轴伺服电机运动速度测算出当前XY轴可用的运动时间即时间维度，以及X轴、Y轴下一步运动的送布距离，即空间域，在整个加减速过程中，采用可变的加减速度参数，避免速度提升与平稳性能之间的冲突；多维动态协同运动控制的步骤为：

1）初始化设定：在满足电机驱动力矩方程的前提下，计算生成动态变加速曲线，继而通过采样方式得到曲线离散值，转换为脉冲频率，以二维数据表方式事先保存在程序存储单元中；同时读取花样轨迹及所需要的针数n保存至程序存储单元；设定花样针序数值为0；Z轴针尖移动到原始启动位置H点；其中，H—针尖运动最高点；

2）Z轴伺服电机按输入速度运行，带动针尖运动经过A点，到达L点，此时，花样机完成拨线辅助动作；Z轴保持匀速返回至B+δ位置；其中，A—针尖向下运动时与工作平面α的交点，L—针尖向下运动最低点，δ—随机定义的长度变量，δà0；B—针尖向上回复运动时与工作平面α的交点；

3）在机针由B+δ经H点至A+δ运动时，控制系统首先获取下一针轨迹点的X/Y步距并转换成步进电机转角；之后，根据当时Z轴伺服电机的速度和步进电机送布距离判断是否要对Z轴伺服电机进行调速，如果此时步进电机性能能满足要求，则Z轴伺服电机匀速运动，如果此时步进电机不能满足要求，则降低Z轴伺服电机速度，以适应步进电机；

4）根据X轴、Y轴的步距，分别查表选择合理的动态变加减速曲线采样脉冲频率值，调整X轴、Y轴步进电机速度；控制X/Y轴电机转动，完成运动过程；花样针序数加1；

5）比较花样针序数与初始设定针数n值的大小，如大于，则缝制工作结束；否则，重复步骤2）～4）。

进一步地，上述的高速智能花样机多维动态协同运动控制方法，利用离散采样方法，通过选择采样频率，得到与曲线比较一致的离散点。

更进一步地，上述的高速智能花样机多维动态协同运动控制方法，所述电机驱动力矩方程属于一类典型的二阶微分方程：

(1)

式(1)中，J为系统总的转动惯量，包括电机自身惯量与负载惯量之和；θ为转子转角；β为系统阻尼系数；K为与θ有关的比例因子；T_Z为系统中不随转角和转速变化的阻力矩之和；T_d为步进电机提供的输出力矩;

由式(1)，在驱动脉冲的频率较低时，步进电机的转矩比较大；随着频率的上升，转矩近似于线性下降；由式 (1)，系统的惯性扭矩Jε为

(2)

式中:J_ε为惯性扭矩；ε为角加速度；

惯性扭矩Jε小于最大电磁扭矩Ts；在升速阶段，角加速度ε应尽可能大些，以提高系统的快速性。

由于驱动脉冲的频率与转子的速度成正比关系，故在步进电机不失步的前提下，转子的角加速度ε正比于驱动频率f对时间t的微分；对于角加速度曲线，其方程都是一次方程：

(3)

式中，A和B是待定的常数；假定变速是从某频率f0开始向f1变化，那么对式(3)进行拉氏变换后得到：

(4)

即：

(5)

通过反变换，整理后：

(6)

(7)

式(7)中：，τ为时间常数，τ=1/B；

由式(7)得出符合步进电机矩频特性的动态变加速曲线，τ决定加速曲线的快慢，减速曲线为加速曲线的反置。

更进一步地，上述的高速智能花样机多维动态协同运动控制方法，步骤4）中，采用动态变加减速曲线调整X轴、Y轴步进电机速度。

再进一步地，上述的高速智能花样机多维动态协同运动控制方法，采用分时分域的动态可变加减速算法：分时是指区分XY轴可用的运动时间；分域是指区分XY轴下一步的送布距离，即空间域；动态加减速是指步进电机的加速或减速的加速度值，伴随不同时间和空间域的组合情况可变化，变化规律满足电机驱动力矩方程；在此前提下，计算出速度变化曲线，采样离散后得到的脉冲频率用于驱动步进电机运动，对速度曲线求导后得到的结果即为加速度值，该值可变非恒定，将曲线命名为动态变加减速曲线。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

对XY轴步进电机采用动态变加速曲线，升速过程中的速度高于常用固定加速度曲线，减速过程也具有和加速过程相同的特点；此外，动态变加速曲线在满足电机驱动力矩方程的前提下，驱动频率光滑变化，力矩裕量平稳，相比固定加速度曲线没有拐点，电机失步的可能性减小，稳定性提高。针对系统使用电机自身的矩频特点、机械系统特性计算动态变加速曲线，通过离散拟合逼近动态变加速曲线，充分发挥了步进电机的性能，使整体性能达到最优。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：花样机运动时空模型示意图；

图2：本发明动态协同运动控制流程示意图；

图3：本发明所示三轴动态协同运动轨迹示意图。

图4：专利公开号为CN1794561A中所示运动轨迹示意图；

图5：两种系统控制方法X轴加减速曲线叠加对比图；

图6：本发明所示步进电机动态加速曲线图。

具体实施方式

花样机高速运转下的抖动问题主要与步进电机控制的二维平面运动即工作台有关。

受缝制功能要求，花样机一个工作周期内，在XY平面上夹放布料的工作台移动一个针距长度后停止，Z轴缝制针头穿过布料经跳线（拨线、切线等）后移出布料，完成一针缝制；在这个周期内，步进电机驱动的工作台快速启动加速，然后运动完成一个针距后立即减速停止；运动时空模型如图1所示，质点N—针尖末端；平面α—送布机构；A—质点N（针尖）向下运动时与平面α的交点；B—质点N（针尖）向上回复运动时与平面α的交点；H—质点N（针尖）向上运动的最高点；L—质点N（针尖）向下运动的最低点。

而目前常用的协同运动控制算法仅考虑了Z轴伺服电机的运动情况，没有充分考虑XY轴平面的运动特点。但花样机高速性能得以实现的瓶颈主要集中在XY轴平面的运动，XY轴平面的运动速度和平稳性能是决定整体速度和性能的关键。本发明针对不同针距和速度要求，在保证Z轴运动不失一般性的前提下，提高XY轴的性能，以最大限度地提高花样机整体性能。

考虑XY轴平面的运动情况，对步进电机运动提出一种分时分域的动态加减速算法，根据前时Z轴伺服电机运动速度，即由Z轴伺服电机运动速度测算出当前XY轴可用的运动时间即时间维度，以及X轴、Y轴下一步运动的送布距离，即空间域，在整个加减速过程中，采用可变的加减速度参数，避免速度提升与平稳性能之间的冲突；步进电机运动采用分时分域的动态加减速算法，如图2所示，包括以下步骤：

其中，采用离散采样方法，通过选择采样频率，得到与曲线比较一致的离散点。

电机驱动力矩方程属于一类典型的二阶微分方程：

(1)

式(1)中，J为系统总的转动惯量，包括电机自身惯量与负载惯量之和；θ为转子转角；β为系统阻尼（包括机械阻尼和电磁阻尼）系数；K为与θ有关的比例因子；T_Z为系统中不随转角和转速变化的阻力矩之和；T_d为步进电机提供的输出力矩;

由式(1)，在驱动脉冲的频率较低时，步进电机的转矩比较大；随着频率的上升，转矩近似于线性下降[参考文献5：徐煜明，步进电机速度控制的研究与实现[J].工矿自动化，2007.04(2):82-85.] ；由式 (1)，系统的惯性扭矩Jε为

(2)

式中:Jε为惯性扭矩；ε为角加速度；

惯性扭矩Jε小于最大电磁扭矩Ts；在升速阶段，角加速度ε应尽可能大，以提高系统的快速性；

(3)

(4)

即：

(5)

通过反变换，整理后：

(6)

(7)

式(7)中：，τ为时间常数，τ=1/B；

由式(7)得出符合步进电机矩频特性的动态变加速曲线，如图6所示，τ决定加速曲线的快慢，减速曲线为加速曲线的反置。

采用动态变加减速曲线调整X轴、Y轴步进电机速度。采用分时分域的动态可变加减速算法：分时是指区分XY轴可用的运动时间；分域是指区分XY轴下一步的送布距离，即空间域；动态加减速是指步进电机的加速或减速的加速度值，伴随不同时间和空间域的组合情况可变化，变化规律满足电机驱动力矩方程；在此前提下，计算出速度变化曲线，采样离散后得到的脉冲频率用于驱动步进电机运动，对速度曲线求导后得到的结果即为加速度值，该值可变非恒定，将曲线命名为动态变加减速曲线。

其运动轨迹如图3所示，V_Mmax分别代表M轴的最大速度，M可取X、Y、Z。

将本发明所示控制方法与公开号为CN1794561A中控制方法作对比分析说明。截取图3和图4中某一个相等周期的X轴加减速曲线叠加对比如图5所示。Y轴情况相同。图4中所涉及的符号意义[参考文献3：专利公开号CN1794561A 电子花样机电机运动控制方法]如下①DM,TM,AM,VMmax分别代表M轴的距离、加减速时间、加减速度和最大速度，M可取X、Y、Z。②DAB,TAB,DBA,TBA分别代表N运动完A→B与B→A之间的距离与时间。

定义4. 对于图5所示X轴加减速曲线，与横坐标围成的区域面积就表示该轴的运动距离，速度的符号表示该轴的运动方向。

固定加速曲线起步时加速度恒定，角速度w匀速上升，但是此过程所需要的力矩并非合理，换句话说，电机输出的力矩没有充分利用[参考文献5]。因此，如果能够充分利用这一点，则速度还有提升空间。

本发明所示动态加速曲线正是充分利用了电机在各个频率的输出特性，在满足起步时足够力矩的前提下，自行设置起步频率，从而保证了角加速度初始最大化。

推论1：在同等时间下，动态加速曲线比固定加速曲线运动距离更长。

证明如下：

动态加速曲线可以保证角加速度初始最大化，从而使得加速曲线与横坐标围成的区域面积最大化。结合前述电机动力学模型，可以得到理想的起步频率，使得围成的区域面积大于固定加速曲线，如图5所示。由定义4可知，推论1成立。

推论2：在相同运动距离下，动态加速曲线比固定加速曲线用时更短，即速度更快。

由推论1可知，推论2显然成立。

实验同时也验证了这一理论推导。

在电机矩频特性范围内，自行设置起步频率。经测试，整个过程运行平稳。设定缝制相同轨迹的一条线段，针距同为3mm，共有100步长，即总长为3mm×100=300mm。实验测得固定加减速曲线耗时B=2.96秒，可得一次运动周期为B/100秒；动态加减速曲线耗时A=2.70秒，可得一次运动周期为A/100秒，在速度上领先固定加减速曲线为：

综上所述，本发明对XY轴步进电机采用动态变加速曲线，升速过程中的速度高于常用固定加速度曲线，减速过程也具有和加速过程相同的特点；此外，动态变加速曲线在满足电机驱动力矩方程的前提下，驱动频率光滑变化，力矩裕量平稳，相比固定加速度曲线没有拐点，电机失步的可能性减小，稳定性提高。针对系统使用电机自身的矩频特点、机械系统特性计算得到的动态变加速曲线，充分发挥了步进电机的性能，使整体性能达到最优。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.高速智能花样机多维动态协同运动控制方法，在Z轴伺服电机匀速运转的同时，通过检测前时Z轴伺服电机的速度和XY轴下一针的距离控制XY轴的送料运动，花样机一个工作周期内，在XY平面上夹放布料的工作台移动一个针距长度后停止，Z轴缝制针头穿过布料经跳线后移出布料，完成一针缝制；在这个周期内，步进电机驱动的工作台快速启动加速，然后运动完成一个针距后立即减速停止；其特征在于：根据前时Z轴伺服电机运动速度，即由Z轴伺服电机运动速度测算出当前XY轴可用的运动时间即时间维度，以及X轴、Y轴下一步运动的送布距离，即空间域，在整个加减速过程中，采用可变的加减速度参数，避免速度提升与平稳性能之间的冲突；多维动态协同运动控制的步骤为：

2）Z轴伺服电机按输入速度运行，带动针尖运动经过A点，到达L点，此时，花样机完成拨线辅助动作；Z轴保持匀速返回至B+δ位置；其中，A—针尖向下运动时与工作平面α的交点，L—针尖向下运动最低点，δ—随机定义的长度变量，δ→0；B—针尖向上回复运动时与工作平面α的交点；

4）根据X轴、Y轴的步距，分别查表选择合理的动态变加速曲线采样脉冲频率值，调整X轴、Y轴步进电机速度；控制X/Y轴电机转动，完成运动过程；花样针序数加1；

5）比较花样针序数与初始设定针数n值的大小，如大于，则缝制工作结束；否则，重复步骤2）～4）;

所述电机驱动力矩方程属于一类典型的二阶微分方程：

(1)

(2)

式中：Jε为惯性扭矩；ε为角加速度；

惯性扭矩Jε小于最大电磁扭矩Ts；

(3)

(4)

即：

(5)

通过反变换，整理后：

(6)

(7)

式(7)中：，τ为时间常数，τ=1/B；

2.根据权利要求1所述的高速智能花样机多维动态协同运动控制方法，其特征在于：步骤4）中，采用动态变加减速曲线调整X轴、Y轴步进电机速度。

3.根据权利要求2所述的高速智能花样机多维动态协同运动控制方法，其特征在于：采用分时分域的动态可变加减速算法：分时是指区分XY轴可用的运动时间；分域是指区分XY轴下一步的送布距离，即空间域；动态加减速是指步进电机的加速或减速的加速度值，伴随不同时间和空间域的组合情况可变化，变化规律满足电机驱动力矩方程；在此前提下，计算出速度变化曲线，采样离散后得到的脉冲频率用于驱动步进电机运动，对速度曲线求导后得到的结果即为加速度值，值可变非恒定，曲线命名为动态变加减速曲线。