CN104678301B - 一种基于脉冲反馈检测电机运动学参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲反馈检测电机运动学参数的方法。通过连续采集信号读取时刻前的N个时刻的脉冲数，将采集的N个脉冲数及其对应的时刻线性拟合成N‑1次函数，得到电机位置与时间的关系函数，对电机位置与时间的关系函数求一阶导数，得到电机速度与时间的关系函数，对电机速度与时间的关系函数求一阶导数，得到电机加速度与时间的关系函数；根据信号读取时刻是否与脉冲计数时刻同步，并代入相应的约束条件，得到电机位置、速度和加速度的检测结果。本发明能同时计算出信号读取时刻的电机位置、速度和加速度，扩展测速的速度范围，提高电机位置、速度和加速度计算的准确性和实时性。

Description

一种基于脉冲反馈检测电机运动学参数的方法

技术领域

本发明属于电机运动学参数检测技术领域，更具体地，涉及一种基于脉冲反馈检测电机运动学参数的方法。

背景技术

连续脉冲信号作为反馈信号测量电机运动学参数，例如直线电机运动或者旋转运动时的位移、速度和加速度等，越来越多地运用在各种控制场合。随着精密制造技术、微电子技术等先进制造技术的发展，运动控制系统对运动对象的测速精度要求以及实时性要求越来越高，这就对速度计算算法提出了更高的要求。而一般的运动算法由于自身所存在的一些缺点，很难达到这样的要求。

常用的测速计算方法包括M值法、T值法、M/T值法等。M值法通过测量一段固定的时间间隔内的编码器脉冲数来计算速度，适用于高速场合。T值法以固定的计数脉冲所包含的系统时钟数测量时间来计算速度，适用于低速场合。M/T值法则结合了上述两种方法的优点，在运动对象的速度跨度较大时，作为测量位移速度的主要算法。但是无论上述哪种算法，由于用一段时间内的平均速度值取代瞬时速度值，均无法获取信号读取时刻的瞬时值，而只能获得近似的位置值和速度值。而且，有时信号测量时刻与信号读取时刻不同步，会导致位置检测不准确，进而导致计算出的速度也存在较大误差。此外，如果要测量电机运动时刻的加速度，还需要加入其它硬件或者其它复杂的计算算法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于脉冲反馈检测电机运动学参数的方法，能同时计算出信号读取时刻的电机位置、速度和加速度，扩展测速的速度范围，提高电机位置、速度和加速度计算的准确性和实时性，从而解决运动平台在全速范围运行时运动对象状态量的计算问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于脉冲反馈检测电机运动学参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)连续采集信号读取时刻t_N+1前的N个时刻t₁～t_N的电机位置反馈的脉冲数p₁～p_N，其中，N为大于3的整数；

(2)将采集的N个脉冲数p₁～p_N及其对应的时刻t₁～t_N线性拟合成N-1次函数，得到电机位置与时间的关系函数f(t)；

(3)对电机位置与时间的关系函数f(t)求一阶导数，得到电机速度与时间的关系函数v(t)；

(4)对电机速度与时间的关系函数v(t)求一阶导数，得到电机加速度与时间的关系函数a(t)；

(5)判断信号读取时刻t_N+1与脉冲计数时刻是否同步，是则顺序执行如下步骤(A1)和(A2)，得到信号读取时刻t_N+1的电机位置、电机速度和电机加速度；否则顺序执行如下步骤(B1)和(B2)，得到信号读取时刻t_N+1的电机位置、电机速度和电机加速度；

步骤(A1)和(A2)分别为：

(A1)将t_N分别代入电机位置与时间的关系函数f(t)、电机速度与时间的关系函数v(t)和电机加速度与时间的关系函数a(t)，得到信号读取时刻t_N+1的电机位置f(t_N)、电机理论速度v(t_N)和电机理论加速度a(t_N)；

(A2)分别判断电机理论速度v(t_N)和电机理论加速度a(t_N)是否满足如下条件：

和若电机理论速度v(t_N)满足条件，则将电机理论速度v(t_N)作为电机速度，否则对电机理论速度v(t_N)进行修正，得到电机速度；若电机理论加速度a(t_N)满足条件，则将电机理论加速度a(t_N)作为电机加速度，否则对电机理论加速度a(t_N)进行修正，得到电机加速度；

步骤(B1)和(B2)分别为：

(B1)将t_N+1分别代入电机位置与时间的关系函数f(t)、电机速度与时间的关系函数v(t)和电机加速度与时间的关系函数a(t)，得到信号读取时刻t_N+1的电机理论位置f(t_N+1)、电机理论速度v(t_N+1)和电机理论加速度a(t_N+1)；

(B2)分别判断电机理论位置f(t_N+1)、电机理论速度v(t_N+1)和电机理论加速度a(t_N+1)是否满足如下条件：

f(t_N)-(t_N+1-t_N)·v_max≤f(t_N+1)≤f(t_N)+(t_N+1-t_N)·v_max、和若电机理论位置f(t_N+1)满足条件，则将电机理论位置f(t_N+1)作为电机位置，否则对电机理论位置f(t_N+1)进行修正，得到电机位置；若电机理论速度v(t_N+1)满足条件，则将电机理论速度v(t_N+1)作为电机速度，否则对电机理论速度v(t_N+1)进行修正，得到电机速度；若电机理论加速度a(t_N+1)满足条件，则将电机理论加速度a(t_N+1)作为电机加速度，否则对电机理论加速度a(t_N+1)进行修正，得到电机加速度；

所述步骤(A2)和(B2)中，是t_N-1时刻到t_N时刻内的任一时刻的速度，是t_N-2时刻到t_N-1时刻内的任一时刻的速度，是时刻到时刻内任一时刻的加速度，v_max、a_max和ac_max分别是最大电机速度、最大电机加速度和最大电机加速度变化率。

优选地，所述步骤(A2)中，分别通过如下步骤(C1)和(C2)对电机理论速度v(t_N)和电机理论加速度a(t_N)进行修正；

(C1)令若v(t_N)＜V₁，则将V₁作为电机速度；令若v(t_N)＞V₂，则将V₂作为电机速度；

(C2)令若a(t_N)＜A₁，则将A₁作为电机加速度；令若a(t_N)＞A₂，则将A₂作为电机加速度。

优选地，所述步骤(B2)中，分别通过如下步骤(D1)、(D2)和(D3)对电机理论位置f(t_N+1)、电机理论速度v(t_N+1)和电机理论加速度a(t_N+1)进行修正；

(D1)令F₁＝f(t_N)-(t_N+1-t_N)·v_max，若f(t_N+1)＜F₁，则将F₁作为电机位置；令F₂＝f(t_N)+(t_N+1-t_N)·v_max，若f(t_N+1)＞F₂，则将F₂作为电机位置；

(D2)令若v(t_N)＜V₁，则将V₁作为电机速度；令若v(t_N)＞V₂，则将V₂作为电机速度；

(D3)令若a(t_N)＜A₁，则将A₁作为电机加速度；令若a(t_N)＞A₂，则将A₂作为电机加速度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，基于如下基本原理：运动对象在极小的位移和极短的时间内由于惯性的存在速度不发生突变，即速度曲线可导，通过连续采集信号读取时刻前的N个时刻的脉冲数，将采集的N个脉冲数及其对应的时刻线性拟合成N-1次函数，得到电机位置与时间的关系函数，对电机位置与时间的关系函数求一阶导数，得到电机速度与时间的关系函数，对电机速度与时间的关系函数求一阶导数，得到电机加速度与时间的关系函数；最后根据信号读取时刻是否与脉冲计数时刻同步，得到电机位置、速度和加速度的理论值，并将其代入相应的约束条件，得到电机位置、速度和加速度的检测结果。

本发明具有以下有益效果：

(1)能同时计算出信号读取时刻的电机位置、速度和加速度，大大减小了估算时的相位滞后，提高了系统的实时性。

(2)无论外部读取信号与内部脉冲计数时刻是否同步，方法均有效，适用范围广，实用性高。

(3)能根据不同的信号读取周期和读取时刻，补偿由信号读取时刻与脉冲计数时刻不同步引入的位置误差；从而降低了位置、速度和加速度计算误差。

(4)算法对输入信号要求低，只需计算脉冲数和脉冲触发时间，计算量小，实时性强。

(5)根据提出的约束条件对算法得出电机位置、速度和加速度进行分析优化，提高了电机估测的位置、速度和加速度值的精度和有效性。

附图说明

图1是本发明实施例的基于脉冲反馈检测电机运动学参数的方法流程图；

图2是脉冲数采样的原理示意图；

图3是电机位置与时间的关系曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例的基于脉冲反馈检测电机运动学参数的方法中，电机运动学参数包括电机位置、电机速度和电机加速度。如图1所示，该方法包括如下步骤：

(1)连续采集信号读取时刻t_N+1前的N个时刻t₁～t_N的电机位置反馈的脉冲数p₁～p_N，其中，N为大于3的整数。

其中，通过脉冲信号获取电机的实时位置，脉冲来源于脉冲式编码器或者反馈脉冲信号的光栅尺等能获取实时位置脉冲信号的测量设备。t₁时刻的电机位置反馈的脉冲数为p₁，t₂时刻的电机位置反馈的脉冲数为p₂，依此类推，t_N时刻的电机位置反馈的脉冲数为p_N。N个时刻都在读取信号周期内采集。

N越大，系统在一个控制周期内所需要的脉冲数越多，拟合而成的运动曲线更加接近实际值，检测得到的电机位置、速度和加速度的精度更高。但电机转速低时，可能无法得到需要的脉冲个数，导致实时性下降；N越小，无论转速低或者高时，都可以得到需要的脉冲个数，估计得出的信号实时性有所提高，但在编码器线数一定时，一个控制周期内所采集的脉冲数有限，根据拟合而成的运动曲线得到的电机位置、电机速度和电机加速度的精度会受到限制。因此，应综合考虑电机的实际运行状况及检测精度和实时性选取N的值。

(2)将采集的N个脉冲数p₁～p_N及其对应的时刻t₁～t_N线性拟合成N-1次函数，得到电机位置与时间的关系函数f(t)。

令电机位置与时间t的关系函数为：

f(t)＝x₁t^N-1+x₂t^N-2+···+x_N-1t+x_N (1)

将N个脉冲数p₁～p_N及其对应的时刻t₁～t_N代入式(1)，得到：

求解式(2)，得到：

(3)对电机位置与时间的关系函数f(t)求一阶导数，得到电机速度与时间的关系函数v(t)。

其中，电机速度与时间的关系函数为：

v(t)＝(N-1)x₁t^N-2+(N-2)x₂t^N-3+···+2x_N-2t+x_N-1 (4)

(4)对电机速度与时间的关系函数v(t)求一阶导数，得到电机加速度与时间的关系函数a(t)。

其中，电机加速度与时间的关系函数为：

a(t)＝(N²-3N+2)x₁t^N-3+(N²-5N+6)x₂t^N-4+···+6x_N-3t+2x_N-2 (5)

(5)判断信号读取时刻t_N+1与脉冲计数时刻是否同步，是则顺序执行如下步骤(A1)和(A2)，得到信号读取时刻t_N+1的电机位置、电机速度和电机加速度；否则顺序执行如下步骤(B1)和(B2)，得到信号读取时刻t_N+1的电机位置、电机速度和电机加速度。

步骤(A1)和(A2)分别为：

(A1)将t_N分别代入电机位置与时间的关系函数f(t)、电机速度与时间的关系函数v(t)和电机加速度与时间的关系函数a(t)，得到信号读取时刻t_N+1的电机位置f(t_N)、电机理论速度v(t_N)和电机理论加速度a(t_N)。

(A2)分别判断电机理论速度v(t_N)和电机理论加速度a(t_N)是否满足如下条件：

和若电机理论速度v(t_N)满足条件，则将电机理论速度v(t_N)作为电机速度，否则通过步骤(C1)对电机理论速度v(t_N)进行修正，得到电机速度；若电机理论加速度a(t_N)满足条件，则将电机理论加速度a(t_N)作为电机加速度，否则通过步骤(C2)对电机理论加速度a(t_N)进行修正，得到电机加速度。

步骤(B1)和(B2)分别为：

(B1)将t_N+1分别代入电机位置与时间的关系函数f(t)、电机速度与时间的关系函数v(t)和电机加速度与时间的关系函数a(t)，得到信号读取时刻t_N+1的电机理论位置f(t_N+1)、电机理论速度v(t_N+1)和电机理论加速度a(t_N+1)。

(B2)分别判断电机理论位置f(t_N+1)、电机理论速度v(t_N+1)和电机理论加速度a(t_N+1)是否满足如下条件：

f(t_N)-(t_N+1-t_N)·v_max≤f(t_N+1)≤f(t_N)+(t_N+1-t_N)·v_max、和若电机理论位置f(t_N+1)满足条件，则将电机理论位置f(t_N+1)作为电机位置，否则通过步骤(D1)对电机理论位置f(t_N+1)进行修正，得到电机位置；若电机理论速度v(t_N+1)满足条件，则将电机理论速度v(t_N+1)作为电机速度，否则通过步骤(D2)对电机理论速度v(t_N+1)进行修正，得到电机速度；若电机理论加速度a(t_N+1)满足条件，则将电机理论加速度a(t_N+1)作为电机加速度，否则通过步骤(D3)对电机理论加速度a(t_N+1)进行修正，得到电机加速度。

其中，是t_N-1时刻到t_N时刻内的任一时刻的速度，是t_N-2时刻到t_N-1时刻内的任一时刻的速度，是时刻到时刻内任一时刻的加速度，v_max、a_max和ac_max分别是最大电机速度、最大电机加速度和最大电机加速度变化率。

步骤(C1)具体为：令若v(t_N)＜V₁，则将V₁作为电机速度；令若v(t_N)＞V₂，则将V₂作为电机速度。

步骤(C2)具体为：令若a(t_N)＜A₁，则将A₁作为电机加速度；令若a(t_N)＞A₂，则将A₂作为电机加速度。

步骤(D1)具体为：令F₁＝f(t_N)-(t_N+1-t_N)·v_max，若f(t_N+1)＜F₁，则将F₁作为电机位置；令F₂＝f(t_N)+(t_N+1-t_N)·v_max，若f(t_N+1)＞F₂，则将F₂作为电机位置。

步骤(D2)具体为：令若v(t_N)＜V₁，则将V₁作为电机速度；令若v(t_N)＞V₂，则将V₂作为电机速度。

步骤(D3)具体为：令若a(t_N)＜A₁，则将A₁作为电机加速度；令若a(t_N)＞A₂，则将A₂作为电机加速度。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例，对本发明的基于脉冲反馈检测电机运动学参数的方法进行详细说明。

下述检测方法通过分析在读取信号前的三个连续参考区间的运动状态来补偿滞后量。如图2所示，A、B、C、D点表示四倍频脉冲上升沿计数时刻点，对应的四倍频脉冲上升沿时刻为t₁～t₄，N₁～N₃分别表示AB点之间、BC点之间和CD点之间四倍频脉冲时间间隔对系统时钟时间的倍数。E点表示系统信号读取时刻点，对应的系统信号读取时刻点为t₅，N₄表示DE点之间四倍频脉冲时间间隔对系统时钟时间的倍数。信号读取时刻t₅前的四个四倍频脉冲计数时刻t₁～t₄的脉冲计数分别为P₁～P₄(为正整数，表示实际计数个数)。将A～D点的脉冲数和对应时刻拟合成一条三次位置曲线，如式(18)所示：

f(t)＝x₁t³+x₂t²+x₃t+x₄ (18)

其中，x₁～x₄为该方程的未知系数。将t₁～t₄时刻的脉冲数P₁～P₄带入式(18)，得到：

求解出位移方程的未知系数x₁～x₄：

从而可以得到一条关于位置和时间的曲线，如图3所示。X轴是脉冲计数时刻，Y轴是脉冲数。由于速度曲线可导，截取速度曲线的极小一部分，可以将这个部分近似当作一条直线，那么两个相邻的参考区域内加速度近似为一条直线。由式(18)可得运动对象的速度和加速度曲线，如式(21)和(22)所示：

v(t)＝3x₁t²+2x₂t+x₃ (21)

a(t)＝6x₁t+2x₂ (22)

数据采样点E的时刻为t₅，t₅与脉冲计数时刻不同步，那么在采样点E处运动对象的理论位置、理论速度和理论加速度可分别表示为式(23)、(24)和(25)。

a(t₅)＝6x₁t₅+2x₂ (25)

由于上述理论位置、理论速度和理论加速度均满足对应的约束条件，从而得到信号读取时刻t₅的电机位置为f(t₅)，电机速度为v(t₅)，电机加速度为a(t₅)。

如图3所示，采用本发明的方法通过拟合插补计算出来的位置值为E点对应的位置值，而用传统方法计算出来的位置值是D点对应的位置值，速度值是通过C、D两点位置差值求得的，而加速度是通过B、C点速度与C、D点速度的差值求得的。实际上，E点的位置值更接近于电机的真实位置值，E点的速度相对于C、D点两点位置差值求得的速度值更加接近电机的真实速度值，加速度就更加具有实时性。因此，采用本发明方法计算得到的电机运动学参数相对于其它常规算法具有更高的精度和实时性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于脉冲反馈检测电机运动学参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)连续采集信号读取时刻t_N+1前的N个时刻t₁～t_N的电机位置反馈的脉冲数p₁～p_N，其中，N为大于3的整数；

(2)将采集的N个脉冲数p₁～p_N及其对应的时刻t₁～t_N线性拟合成N-1次函数，得到电机位置与时间的关系函数f(t)；

(3)对电机位置与时间的关系函数f(t)求一阶导数，得到电机速度与时间的关系函数v(t)；

(4)对电机速度与时间的关系函数v(t)求一阶导数，得到电机加速度与时间的关系函数a(t)；

(5)判断信号读取时刻t_N+1与脉冲计数时刻是否同步，是则顺序执行如下步骤(A1)和(A2)，得到信号读取时刻t_N+1的电机位置、电机速度和电机加速度；否则顺序执行如下步骤(B1)和(B2)，得到信号读取时刻t_N+1的电机位置、电机速度和电机加速度；

步骤(A1)和(A2)分别为：

(A1)将t_N分别代入电机位置与时间的关系函数f(t)、电机速度与时间的关系函数v(t)和电机加速度与时间的关系函数a(t)，得到信号读取时刻t_N+1的电机位置f(t_N)、电机理论速度v(t_N)和电机理论加速度a(t_N)；

(A2)分别判断电机理论速度v(t_N)和电机理论加速度a(t_N)是否满足如下条件：

和若电机理论速度v(t_N)满足条件，则将电机理论速度v(t_N)作为电机速度，否则对电机理论速度v(t_N)进行修正，得到电机速度；若电机理论加速度a(t_N) 满足条件，则将电机理论加速度a(t_N)作为电机加速度，否则对电机理论加速度a(t_N)进行修正，得到电机加速度；

步骤(B1)和(B2)分别为：

(B1)将t_N+1分别代入电机位置与时间的关系函数f(t)、电机速度与时间的关系函数v(t)和电机加速度与时间的关系函数a(t)，得到信号读取时刻t_N+1的电机理论位置f(t_N+1)、电机理论速度v(t_N+1)和电机理论加速度a(t_N+1)；

(B2)分别判断电机理论位置f(t_N+1)、电机理论速度v(t_N+1)和电机理论加速度a(t_N+1)是否满足如下条件：

f(t_N)-(t_N+1-t_N)·v_max≤f(t_N+1)≤f(t_N)+(t_N+1-t_N)·v_max、和若电机理论位置f(t_N+1)满足条件，则将电机理论位置f(t_N+1)作为电机位置，否则对电机理论位置f(t_N+1)进行修正，得到电机位置；若电机理论速度v(t_N+1)满足条件，则将电机理论速度v(t_N+1)作为电机速度，否则对电机理论速度v(t_N+1)进行修正，得到电机速度；若电机理论加速度a(t_N+1)满足条件，则将电机理论加速度a(t_N+1)作为电机加速度，否则对电机理论加速度a(t_N+1)进行修正，得到电机加速度；

所述步骤(A2)和(B2)中，是t_N-1时刻到t_N时刻内的任一时刻的速度，是t_N-2时刻到t_N-1时刻内的任一时刻的速度，是时刻到时刻内任一时刻 的加速度，v_max、a_max和ac_max分别是最大电机速度、最大电机加速度和最大电机加速度变化率。

2.如权利要求1所述的基于脉冲反馈检测电机运动学参数的方法，其特征在于，所述步骤(A2)中，分别通过如下步骤(C1)和(C2)对电机理论速度v(t_N)和电机理论加速度a(t_N)进行修正；

(C1)令若v(t_N)＜V₁，则将V₁作为电机速度；令若v(t_N)＞V₂，则将V₂作为电机速度；

(C2)令若a(t_N)＜A₁，则将A₁作为电机加速度；令若a(t_N)＞A₂，则将A₂作为电机加速度。

3.如权利要求1所述的基于脉冲反馈检测电机运动学参数的方法，其特征在于，所述步骤(B2)中，分别通过如下步骤(D1)、(D2)和(D3)对电机理论位置f(t_N+1)、电机理论速度v(t_N+1)和电机理论加速度a(t_N+1)进行修正；

(D1)令F₁＝f(t_N)-(t_N+1-t_N)·v_max，若f(t_N+1)＜F₁，则将F₁作为电机位置；令F₂＝f(t_N)+(t_N+1-t_N)·v_max，若f(t_N+1)＞F₂，则将F₂作为电机位置；

(D2)令若v(t_N)＜V₁，则将V₁作为电机速度；令若v(t_N)＞V₂，则将V₂作为电机速度；

(D3)令若a(t_N)＜A₁，则将A₁作为电机加速度；令若a(t_N)＞A₂，则将A₂作为电机加速度。