一种全闭环伺服控制方法、装置及系统
技术领域
本申请涉及自动控制技术领域,更具体地说,涉及一种全闭环伺服控制方法、装置及系统。
背景技术
随着伺服控制系统所驱动的负载转矩不同,所需要的执行机构也会有所区别。
现有全闭环伺服控制系统中,反馈器件均安装在负载上,即反馈的输入量来自系统最终的控制对象,因此当系统依靠PID进行调节时,由于绝对位置传感器的控制目标达到控制精度要求时,负载自身的惯量会导致负载还继续运动,进而超出控制精度,产生回调,需经多次震荡回调才能稳定到目标位置,控制效率较低。
发明内容
有鉴于此,本申请提供一种闭环伺服系统控制方法、装置及系统,以避免闭环伺服系统出现多次震荡回调过程,获得较高的控制效率。
为了实现上述目的,现提出的方案如下:
一种全闭环伺服系统的控制方法,应用于一种全闭环伺服控制系统,包括:
计算第一坐标系中负载的当前位置Sjt与目标位置ST之间的距离,并将其作为第一距离S;所述第一坐标系为所述目标位置所在的坐标系;
根据所述第一距离S计算为使负载到达所述目标位置ST,执行机构需要移动的距离,并将其作为第二距离Sc;
计算负载减速至停止所需的最大减速距离S1;
对所述第二距离Sc与所述最大减速距离S1大小进行比较;
当Sc≤S1时,获取执行机构在所述第一坐标系中的当前位置并将其作为所述全闭环控制系统的反馈输入,并在Sc小于系统要求的控制精度时,停止对执行机构的反馈控制;当Sc>S1时,获取负载在其自身坐标系中的当前位置将其作为所述全闭环控制系统的反馈输入。
优选的,所述计算第一坐标系中负载的当前位置Sjt与目标位置ST之间的距离,并将其作为第一距离S,包括:
获取负载在第二坐标系中的当前位置Sjp;所述第二坐标系为所述负载自身的坐标系;
获取所述第二坐标系中,与所述第一坐标系中的零点位置对应的初始位置SE;
根据公式Sjt=Sjp-SE得到负载在所述第一坐标系中的当前位置Sjt;
根据公式S=ST-Sjt得到所述第一距离S。
优选的,所述根据所述第一距离S计算为使负载到达所述目标位置ST,所述执行机构需要移动的距离,并将其作为第二距离Sc,包括:
获取执行机构在所述第一坐标系中的初始位置Sx;
根据公式Sc=S0-Sx得到所述第二距离Sc;其中,所述S0为所述第一距离S在上电初始时刻对应的值。
优选的,所述计算负载减速至停止所需的最大减速距离S1包括:
根据加速度公式S1=0.5at2得到所述最大减速距离S1;
其中a为所述全闭环伺服系统的最大加速度,t为系统以最大性能减速至停止所需要的时间。
一种全闭环伺服控制装置,应用于一种全闭环伺服控制系统,包括:
第一计算模块,用于计算第一坐标系中负载的当前位置Sjt与目标位置ST之间的距离,并将其作为第一距离S;所述第一坐标系为所述目标位置所在的坐标系;
第二计算模块,用于根据所述第一距离S计算为使负载到达所述目标位置ST,执行机构需要移动的距离,并将其作为第二距离Sc;
第三计算模块,用于计算负载减速至停止所需的最大减速距离S1;
比较确定模块,用于对第二距离Sc与最大减速距离S1的大小进行比较,当Sc≤S1时,获取执行机构在所述第一坐标系中的当前位置并将其作为反馈输入,并在Sc小于系统要求的控制精度时,停止对执行机构的反馈控制;当Sc>S1时,获取负载在其自身坐标系中的当前位置将其作为反馈输入。
优选的,所述第一计算模块包括:
负载位置获取单元,用于获取负载在第二坐标系中的当前位置Sjp;所述第二坐标系为所述负载自身的坐标系;
初始位置获取单元,用于获取所述第二坐标系中,与所述第一坐标系中的零点位置对应的初始位置SE;
分别与所述负载位置获取单元、所述初始位置获取单元相连接的第一计算单元,用于根据公式Sjt=Sjp-SE和S=ST-Sjt计算得到所述第一距离S。
优选的,所述第二计算模块包括:
执行机构位置获取单元,用于获取执行机构在所述第一坐标系中的当前位置Sx;
与所述执行机构位置获取单元相连接的第二计算单元,用于根据公式Sc=S0-Sx计算得到所述第二距离Sc;其中,所述S0为所述第一距离S在上电初始时刻对应的值。
优选的,所述比较确定模块包括:
比较单元,用于对Sc与S1的大小进行比较,当Sc小于S1时,发出第一输出命令,当Sc大于S1时,发出第二输出命令;
与所述比较单元相连接的输出单元,用于当接收到所述第一输出命令时,将所述执行机构的当前位置Sx作为反馈输入,并在Sc小于系统要求的控制精度时,停止对执行机构的反馈控制;当接收到所述第二输出命令时,将所述负载在其自身坐标系中的当前位置Sjp作为反馈输入。
一种全闭环伺服控制系统,包括执行机构、传动机构、啮合齿轮、负载,以及上述任一种全闭环伺服控制装置。
从上述的技术方案可以看出,本申请公开的全闭环伺服控制方法、装置及系统,通过首先获取负载在第一坐标系中的当前位置Sjt与目标位置ST的距离S,然后获取执行机构的当前位置与目标位置的距离Sc,最后将Sc与负载的最大减速距离S1比较,当Sc大于S1时,将负载在其自身坐标系中的当前位置作为反馈输入,此时可以获得较好的控制精度;当Sc小于S1时,将执行机构在所述第一坐标系中的当前位置作为反馈输入,此时由于缓冲距离短,受控对象转为执行机构,在执行机构的当前位置逐渐接近其目标位置的过程中,系统逐渐进行减速,且Sc不断减小,当Sc小于系统的控制精度后,系统不再给执行机构发送驱动指令,执行机构就不再运动,进而负载也会停止,因此系统不会因为负载的惯性而超出控制精度,也就不会出现反复回调的过程,相应控制效率也较高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一个实施例公开的一种全闭环伺服控制方法的流程图;
图2为本申请另一个实施例公开的一种全闭环伺服控制方法的流程图;
图3为本申请又一个实施例公开的一种全闭环伺服控制装置的结构图;
图4为本申请又一个实施例公开的一种全闭环伺服控制装置的结构图;
图5为本申请又一个实施例公开的一种全闭环伺服控制系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
实施例一
图1为本申请一个实施例公开的一种全闭环伺服控制方法的流程图。
如图1所示,本实施例公开的全闭环伺服控制方法包括:
S101:计算第一坐标系中负载的当前位置Sjt与目标位置ST的距离,并将该距离作为第一距离S;
其中第一坐标系为目标位置所在的坐标系。
S102:根据所述第一距离S计算为使负载到达所述目标位置ST,执行机构需要移动的距离,并将该距离作为第二距离Sc;
S103:获取负载减速至停止所需的最大减速距离S1;
S104:对Sc与S1大小进行比较,当Sc≤S1时,获取执行机构在所述第一坐标系中的当前位置并将其作为全闭环控制系统的反馈输入,并在Sc小于系统要求的控制精度时,停止对执行机构的反馈控制;当Sc>S1时,获取负载在其自身坐标系中的当前位置将其作为所述全闭环伺服控制系统的反馈输入。
从以上方法步骤可以看出,本申请实施例通过首先计算得到负载在第一坐标系中的当前位置Sjt与目标位置ST的距离S,然后计算得到执行机构的当前位置与目标位置的距离Sc,随之将Sc与最大减速距离S1比较,当Sc大于S1时,将负载在其自身坐标系中的当前位置作为反馈输入,此时可以获得较好的负载跟踪精度;当Sc小于或等于S1时,将执行机构在所述第一坐标系中的当前位置作为反馈输入,此时由于缓冲距离短,受控对象转为执行机构,在执行机构的当前位置逐渐接近其目标位置的过程中,系统逐渐进行减速,Sc也不断减小;当Sc小于系统要求的控制精度后,停止对执行机构的反馈控制,即系统不再给执行机构发送驱动指令,执行机构不再运动,此时由于负载运动速度很小,其惯性也很小,故即使负载在较小的惯性下运动至停止,也不会超出系统的控制精度,也就不会出现多次震荡回调的过程,相应控制效率也较高。
实施例二
图2为本申请另一实施例公开的一种全闭环伺服控制方法的流程图。
如图2所示,本实施例包括如下步骤:
S201:获取负载在第二坐标系中的当前位置Sjp;
Sjp可由与负载连接的绝对位置传感器检测得到,该值在上电初始时刻对应的初始值Sjp0是固定的,其后随着负载位置的变化而变化;所述第二坐标系即负载自身的坐标系,也即绝对位置传感器自身的坐标系。
S202:获取第二坐标系中与第一坐标系的零点位置相对应的初始位置SE;
SE相当于同一位置在第一坐标系中的坐标值Y1与其在第二坐标系中的坐标值Y2的差值,该值可作为系统的固有参数,在系统装配完成后即固定,即Y2=Y1-SE,用于实现两个坐标系之间的坐标变换。
S203:然后根据公式Sjt=Sjp-SE和S=ST-Sjt计算得到负载在第一坐标系中的当前位置Sjt与其在第一坐标系中的目标位置ST之间的第一距离S;
即S=ST-(Sjp-SE)。
S204:获取执行机构在第一坐标系中的当前位置Sx;
Sx可由与执行机构连接的增量编码器检测得到,其在初始上电时刻对应的初始值为0,其后随着执行机构的位置变化而变化,表示从上电初始时刻至当前时刻,执行机构移动的距离。
S205:根据公式Sc=S0-Sx得到为使负载到达所述目标位置ST,执行机构需要移动的距离Sc;
实际上,Sc=Sc0-Sx,其中,Sc0为上电初始时刻执行机构的当前位置与目标位置的距离;由于负载随执行机构的移动而移动,故上电初始时刻,为使负载到达目标位置,执行机构需要移动的距离Sc0与负载的目标位置与其当前位置之间的距离S0相等,即Sc0=S0,其中,S0也即第一距离在上电初始时刻对应的值,S0=ST-(Sjp0-SE)。
S206:获取负载减速至停止所需的最大减速距离S1;
负载减速至停止所需的最大减速距离S1即负载能以系统最大性能减速至停止所需要的距离;所谓系统最大性能,即为系统所能够提供的最大加速度a,根据加速度的相关公式S1=0.5at2可以得到最大减速距离S1,其中t为系统要求的换向时间的一半。
上述换向时间,是指负载超过系统要求的控制精度范围,又再次返回至上述控制精度范围内的时间;所述控制精度表示系统允许的误差范围,通常表示为角度范围,相应的,本申请实施例所涉及的各种距离均以角度表示。
例如系统要求的控制精度为0.2°,负载在±60°的范围内运转(即),根据控制精度要求,负载的运动不得超过60.2°;但实际负载会超出,那么由超过60.2°的时刻到负载再次回到60.2°的时刻之间的时间间隔即为换向时间。该值在系统设计时确定,故视为已知量。
S207:对Sc与S1的大小进行比较;
S208:当Sc≤S1时,将在第一坐标系中所述执行机构的当前位置Sx作为全闭环伺服控制系统的反馈输入,并在Sc小于系统要求的控制精度时,停止对执行机构的反馈控制;
当Sc小于S1的时候,由于缓冲距离短,受控对象转为执行机构,在执行机构的当前位置逐渐接近其目标位置的过程中,系统逐渐进行减速,且Sc不断减小;当Sc小于系统要求的控制精度后,停止对执行机构的反馈控制,即系统不再给执行机构发送驱动指令,执行机构就不再运动,此时由于负载运动速度很小,其惯性也很小,故即使负载在较小的惯性下运动至停止,也不会超出系统的控制精度。
S209:当Sc>S1时,将负载在第二坐标系中的当前位置Sjp作为全闭环伺服控制系统的反馈输入。
当Sc大于S1的时候,表明负载的当前位置与目标位置仍存在足够的缓冲距离,因此采用绝对位置传感器输出的信息Sjp作为反馈输入,由于反馈输入直接反应最终控制对象,因此在跟踪过程中,不断调整跟踪位置,能有效避免由于齿隙等机械因素带来的影响,因此跟踪精度较高。
从以上方法步骤可以看出,本申请实施例通过首先计算得到负载在第一坐标系中的当前位置Sjt与目标位置ST的距离S,然后计算得到执行机构的当前位置与目标位置的距离Sc,随之将Sc与最大减速距离S1比较,当Sc大于S1时,将负载在其自身坐标系中的当前位置作为反馈输入,此时可以获得较好的负载跟踪精度;当Sc小于等于S1时,将执行机构在所述第一坐标系中的当前位置作为反馈输入,此时由于缓冲距离短,受控对象转为执行机构,在执行机构的当前位置逐渐接近其目标位置的过程中,系统逐渐进行减速,且Sc不断减小;当Sc小于系统要求的控制精度后,停止对执行机构的反馈控制,即系统不再给执行机构发送驱动指令,执行机构不再运动,此时由于负载运动速度很小,其惯性也很小,故即使负载也会停止,因此本实施例中的伺服系统不会因为负载的惯性而超出控制精度,也就不会出现多次震荡回调的过程,相应控制效率也较高。
实施例三
图3为本申请又一个实施例公开的一种全闭环伺服控制装置的结构图。
如图3所示,本实施例公开的全闭环伺服控制装置包括第一计算模块40、第二计算模块50、第三计算模块60和比较确定模块70,其中:比较确定模块70分别与第一计算模块40、第二计算模块50、第三计算模块60相连接。
第一计算模块40用于计算第一坐标系中负载的当前位置Sjt与目标位置ST之间的距离,并将其作为第一距离S。
第二计算模块50用于根据所述第一距离S计算为使负载到达所述目标位置ST,执行机构需要移动的距离,并将其作为第二距离Sc。
第三计算模块60用于计算负载减速至停止所需的最大减速距离S1。
比较确定模块70用于对第二距离Sc与最大减速距离S1的大小进行比较,当Sc≤S1时,将执行机构在其自身的坐标系中的当前位置作为反馈输入,并在Sc小于系统要求的控制精度时,停止对执行机构的反馈控制;当Sc>S1时,将负载在第二坐标系中的当前位置Sjp作为反馈输入。
从以上结构及功能可以看出,本申请实施例通过首先计算得到负载在第一坐标系中的当前位置Sjt与目标位置ST的距离S,然后计算得到执行机构的当前位置与目标位置的距离Sc,随之将Sc与最大减速距离S1比较,当Sc大于S1时,将负载在其自身坐标系中的当前位置作为反馈输入,此时可以获得较好的负载跟踪精度;当Sc小于或等于S1时,将执行机构在所述第一坐标系中的当前位置作为反馈输入,此时由于缓冲距离短,受控对象转为执行机构,在执行机构的当前位置逐渐接近其目标位置的过程中,系统逐渐进行减速,且执行机构的当前位置与其目标位置的距离Sc逐渐减小,当Sc小于系统的控制精度后,停止对执行机构的反馈控制,即系统不再给执行机构发送驱动指令,执行机构就不再运动,进而负载也会停止,因此本实施例中的伺服系统不会因为负载的惯性而超出稳态精度,也就不会出现多次震荡回调的过程,相应控制效率也较高。
实施例四
图4本申请又一个实施例公开的一种全闭环伺服控制装置的结构图。
本实施例公开的闭环伺服控制装置包括第一计算模块40、第二计算模块50、第三计算模块60和比较确定模块70。其中,第一计算模块40包括:负载位置获取单元41、初始位置获取单元42、第一计算单元43;第二计算模块50包括:执行机构位置获取单元51、第二计算单元52;比较确定模块70包括:比较单元71和输出单元72。
负载位置获取单元41用于获取负载在第二坐标系中的当前位置Sjp;在实际应用中,可以通过与负载连接的绝对位置传感器来实现。
初始位置获取单元42用于获取所述第二坐标系中,与所述第一坐标系中的零点位置对应的初始位置SE;
第一计算单元43分别与负载位置获取单元41、初始位置获取单元42相连接,用于根据公式Sjt=Sjp-SE和S=ST-Sjt计算得到所述第一距离S。
执行机构位置获取单元51用于获取执行机构在第一坐标系中的当前位置Sx;在实际应用中,可以通过与执行机构系相连接的增量编码器来实现。
第二计算单元52与执行机构位置获取单元51相连接,用于根据公式Sc=S0-Sx计算为使负载到达所述目标位置ST,执行机构需要移动的距离Sc。其中,所述S0为所述第一距离S在上电初始时刻对应的值。
第三计算模块60用于计算得到负载减速至停止所需的最大减速距离S1,负载减速至停止所需的最大减速距离S1即负载能以系统最大性能减速至停止所需要的距离;所谓系统最大性能,即为系统所能够提供的最大加速度a,根据加速度的相关公式S1=0.5at2可以得到最大减速距离S1,其中t为系统要求的换向时间的一半。
比较单元71用于对第二距离Sc与最大减速距离S1的大小进行比较,当Sc≤S1时,发出第一输出命令;当Sc>S1时,发出第二输出命令。
输出单元72用于当接收到所述第一输出命令时,将执行机构位置获取单元51获取的所述执行机构的当前位置Sx作为反馈输入,并在Sc小于系统要求的控制精度时,停止对执行机构的反馈控制;当接收到所述第二输出命令时,将负载位置获取单元41获取的所述负载的当前位置Sjp作为反馈输入。
从以上结构及功能可以看出,本申请实施例通过首先计算得到负载在第一坐标系中的当前位置Sjt与目标位置ST的距离S,然后计算得到执行机构的当前位置与目标位置的距离Sc,随之将Sc与最大减速距离S1比较,当Sc大于S1时,将负载在其自身坐标系中的当前位置作为反馈输入,此时可以获得较好的控制精度;当Sc小于等于S1时,将执行机构在所述第一坐标系中的当前位置作为反馈输入,此时由于缓冲距离短,受控对象转为执行机构,在执行机构的当前位置逐渐接近其目标位置的过程中,系统逐渐进行减速,且Sc也逐渐减小,当Sc小于系统的控制精度后,停止对执行机构的反馈控制,即系统不再给执行机构发送驱动指令,执行机构不再运动,此时由于负载运动速度很小,其惯性也很小,故即使负载在较小的惯性下运动至停止,也不会超出系统的控制精度,也就不会出现多次震荡回调的过程,相应控制效率也较高。
实施例五
图5为本申请又一个实施例公开的一种全闭环伺服控制系统的结构图。
如图5所示,本实施例包括驱动控制单元10、驱动执行机构20、负载30、传动机构33、啮合齿轮32和以上任一实施例公开的全闭环伺服控制装置。
由驱动控制单元10发送相应的驱动信号,驱动执行机构20进行运转,进而带动与执行机构带动传动机构33,传动机构33多采用大模数的齿轮进行多级减速,传动机构33带动负载30的啮合齿轮32转动,进而带动负载30运转,同时负载30上安装的绝对位置传感器411用于获取负载在第二坐标系中的当前位置Sjp;执行机构20上设置有增量编码器511,用于获取执行机构20在第一坐标系中的当前位置Sx。
从以上技术方案可以看出,本申请实施例提供的全闭环伺服控制系统通过上述全闭环伺服控制装置确定系统的反馈输入,即首先计算得到负载在第一坐标系中的当前位置Sjt与目标位置ST的距离S,然后计算得到执行机构的当前位置与目标位置的距离Sc,随之将Sc与负载减速至停止所需的最大减速距离S1比较,当Sc大于S1时,将负载在其自身坐标系中的当前位置作为反馈输入,此时可以获得较好的控制精度;当Sc小于或等于S1时,将执行机构在所述第一坐标系中的当前位置作为反馈输入,此时由于缓冲距离短,受控对象转为执行机构,在执行机构的当前位置逐渐接近其目标位置的过程中,系统逐渐进行减速,Sc也不断减小;当Sc小于系统要求的控制精度后,停止对执行机构的反馈控制,即系统不再给执行机构发送驱动指令,执行机构不再运动,此时由于负载运动速度很小,其惯性也很小,故即使负载在较小的惯性下运动至停止,也不会超出系统的控制精度,也就不会出现多次震荡回调的过程,相应控制效率也较高。
最后,还需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。