CN108396451B - 一种智能手套机滚筒选针的离散速度控制方法 - Google Patents

Abstract

一种智能手套机滚筒选针的离散速度控制方法，所述方法包括以下步骤：1)根据手套机滚筒的机械结构、步进电机的型号属性以及现场测试，确定滚筒在进行选针动作时，步进电机能允许运行的最大突变速度Δv_max与最小突变速度Δv_min；2)在加速度值低于最大突变速度Δv_max的条件下，根据加减速控制算法，得出加速度表(a₁,a₂,···,a_n)；3)设定电机的起步速度V_min、规划周期Δt，结合加速度表(a₁,a₂,···,a_n)依次建立离散速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)和脉冲步长表(p₁,p₂,···,p_n+1)；4)将滚筒运动的目标距离l、目标速度V_p与离散速度表、脉冲步长表中的值进行比对，调整电机实际能达到的最大速度，规划出步进电机加减速曲线。本发明能有效解决智能手套机滚筒步进电机选针速度慢、在高速运动且加减速频繁的情况下易过载失步的问题。

Description

一种智能手套机滚筒选针的离散速度控制方法

技术领域

本发明涉及一种速度控制方法，尤其是一种智能手套机滚筒选针的离散速度控制方法，属于运动控制领域。

背景技术

近年来，随着国内经济转型压力上升，手套机行业开始采用由步进电机代替传统机械传动方式驱动滚筒进行选针的智能手套机，并且受到广泛的关注。

智能手套机的选针系统主要依靠步进电机驱动滚筒转动一定距离，使得滚筒销将选针鸟片顶起，从而选中与选针鸟片间接相连的织针。然而，要顶起选针鸟片就会使得步进电机承受很大负载，容易发生过载现象，而一旦过载就将引起失步，导致手套机机械碰撞损坏机器，尤其是在高速运动且加减速频繁情况下更易发生。同时，滚筒为了配合手套机机头的快速动作，需要进行短距离内的迅速提速，因此迫切需要一种新的速度控制方法来提升滚筒步进电机的转速和稳定性。

发明内容

为了提高现有智能手套机滚筒选针的速度以及克服其在高速运动且加减速频繁的情况下存在的步进电机过载、失步缺点，本发明提供了一种能实现步进电机迅速提速、有效避免过载、提升稳定性的智能手套机滚筒选针的离散速度控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种智能手套机滚筒选针的离散速度控制方法，所述方法包括以下步骤：

1)首先根据手套机滚筒的机械结构、步进电机的型号属性以及现场测试，确定滚筒在进行选针动作时，步进电机能允许运行的最大突变速度Δv_max与最小突变速度Δv_min；

2)在加速度值低于滚筒步进电机的最大突变速度Δv_max的条件下，根据加减速控制算法，得出加速度表(a₁,a₂,···,a_n)，下标1到n表示加速度的规划顺序，a表示加速度的值；

3)设定滚筒电机的起步速度V_min、规划周期Δt，结合步骤2)得到的加速度表(a₁,a₂,···,a_n)依次建立电机的离散速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)和脉冲步长表(p₁,p₂,···,p_n+1)；

4)将滚筒运动的目标距离l、设定的目标速度V_p与步骤3)中得到的离散速度表、脉冲步长表中的值进行比对，调整电机实际能达到的最大速度，规划出步进电机加减速曲线。

进一步，在步骤1)中，现场测试出的最大突变速度Δv_max需满足当滚筒顶起所有织针时，步进电机在当前阻力下以起步速度V_min突增Δv_max能够保持稳定运行，测试出的最小突变速度Δv_min需满足步进电机在高速运动时突增Δv_min不会引起过载和丢步。

再进一步，在步骤2)中，由于步进电机在低速阶段能承受较大阻力，且为实现手套机滚筒的快速提速，令加速度表中的首个加速度值等于最大突变速度，即a₁＝Δv_max，再根据加减速控制算法依次递减得出a₁～a_m的值，m<n；同时为使滚筒步进电机运转速度尽可能达到目标速度V_p，令a_m＝a_m+1＝···＝a_n，即当电机运转到加速度值近似最小突变速度Δv_min时进行匀加速度运动，保持速度的稳定提升。

再进一步，在步骤3)中，滚筒步进电机以V_min为起始速度，即v₁＝V_min，再根据加速度表(a₁,a₂,···,a_n)依次递增得出离散速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)，其中v_i表示在第i个规划周期时，步进电机的转速值；脉冲步长表(p₁,p₂,···,p_n+1)中的p_i表示当电机转速值达到v_i时，电机已经运转的脉冲数值。

所述步骤4)中，步进电机加减速曲线是将速度控制整体分为加速、匀速、减速三段的对称速度曲线，在加速阶段滚筒以V_min为起始速度，每匀速运行一个规划周期Δt就按照离散速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)改变下一周期的速度值，当速度达到目标速度V_p或运动步长达到l/2时，运行状态进入匀速阶段。

本发明的优点在于：(1)控制系统采用的加速度表(a₁,a₂,···,a_n)使得滚筒在低速阶段进行减加速度运动，在高速阶段进行匀加速度运动，大大缩短了步进电机运转达到目标速度V_p的时间；(2)采用在滚筒运行过程中实时调用提前规划好的离散速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)的控制方法，减少加减速过程中的系统计算时间，提高了处理效率，使得智能手套机滚筒选针运动的实时性更高；(3)通过目标距离l与脉冲步长表(p₁,p₂,···,p_n+1)的比对，精确得出滚筒理论能达到的最大速度，减小计算误差，提高控制精度；(4)控制方法基于STM32F407实现，资源丰富并且能减小智能手套机控制器的体积。

附图说明

图1为智能手套机滚筒步进电机速度控制的实现流程图。

图2为智能手套机滚筒步进电机的速度规划曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

参照图1和图2，一种智能手套机滚筒选针的离散速度控制方法，所述方法包括以下步骤：

1)首先根据手套机滚筒的机械结构、步进电机的型号属性以及现场测试，确定滚筒在进行选针动作时，步进电机能允许运行的最大突变速度Δv_max与最小突变速度Δv_min；

2)在加速度值低于滚筒步进电机的最大突变速度Δv_max的条件下，根据加减速控制算法，得出加速度表(a₁,a₂,···,a_n)，下标1到n表示加速度的规划顺序，a表示加速度的值；

3)设定滚筒电机的起步速度V_min、规划周期Δt，结合步骤2)得到的加速度表(a₁,a₂,···,a_n)依次建立电机的离散速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)和脉冲步长表(p₁,p₂,···,p_n+1)；

4)将滚筒运动的目标距离l、设定的目标速度V_p与步骤3)中得到的离散速度表、脉冲步长表中的值进行比对，调整电机实际能达到的最大速度，规划出步进电机加减速曲线。

进一步，在步骤1)中，现场测试出的最大突变速度Δv_max需满足当滚筒顶起所有织针时，步进电机在当前阻力下以起步速度V_min突增Δv_max能够保持稳定运行，测试出的最小突变速度Δv_min需满足步进电机在高速运动时突增Δv_min不会引起过载和丢步。

再进一步，在步骤2)中，由于步进电机在低速阶段能承受较大阻力，且为实现手套机滚筒的快速提速，令加速度表中的首个加速度值等于最大突变速度，即a₁＝Δv_max，再根据加减速控制算法依次递减得出a₁～a_m的值，m<n；同时为使滚筒步进电机运转速度尽可能达到目标速度V_p，令a_m＝a_m+1＝···＝a_n，即当电机运转到加速度值近似最小突变速度Δv_min时进行匀加速度运动，保持速度的稳定提升；加速度表(a₁,a₂,···,a_n)具体计算公式如下：

a_i＝a₁·(1+cosθ_i)(a_i＞Δv_min) (2)

其中a₁＝Δv_max，即图2中电机的起步加速度设为最大突变速度，i是大于0的整数，a_i表示第i个规划周期的加速度值，当i满足a_i＜＝Δv_min＜a_i-1时，令m＝i，即此时a_i＝a_m，因此可得a_m～a_n的计算公式为：

a_m＝a_m+1＝···＝a_n(n＞＝90) (3)

其中a_m近似等于最小突变速度，能够满足步进电机在任意速度下进行速度的突变。

再进一步，在步骤3)中，滚筒步进电机以V_min为起始速度，即v₁＝V_min，再根据加速度表(a₁,a₂,···,a_n)依次递增得出离散速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)，其计算公式如下：

v_n＝v_n-1+a_n-1 (4)

其中v₁＝V_min，v_n表示第n个规划周期时步进电机达到的速度，单位为电机每秒运行的脉冲长度；再由式(4)结合规划周期Δt可得出脉冲步长表(p₁,p₂,···,p_n+1)的计算公式：

p_n＝v_n·Δt+p_n-1 (5)

其中p₁＝v₁·Δt，p_n表示步进电机以初速度V_min为起步速度，每经过一个规划周期Δt按照离散加速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)进行一次提速，当速度提升到v_n时其所运行的脉冲长度；

最后，将计算好的离散速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)和脉冲步长表(p₁,p₂,···,p_n+1)存入控制器的存储单元中。

所述步骤4)中，步进电机加减速曲线是将速度控制整体分为加速、匀速、减速三段的对称速度曲线，在加速阶段滚筒以V_min为起始速度，每匀速运行一个规划周期Δt就按照离散速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)改变下一周期的速度值，当速度达到目标速度V_p或运动步长达到l/2时，运行状态进入匀速阶段。

本实施例的智能手套机滚筒选针的离散速度控制方法如图1所示，首先需进行S1步骤，从控制器的存储单元加载出离散速度表和脉冲步长表，再结合目标速度V_p以及目标位置l计算出基准距离p_x与p_y。在步骤S2中，从(v₁,v₂,···,v_n+1)内找出最接近V_p的速度值v_q且v_q＜＝V_p，v_q的下标q对应脉冲步长表中的值为p_q，即电机速度达到v_q时其已运动的行程为p_q，以此分为两种情况：

(a)如果行程此时图2内电机运行过程中实际能够达到的最大速度为v_q，此时的基准距离为：

p_x＝p_q，p_y＝l-p_q (6)

滚筒运动达到目标位置所需的时间为：

(b)如果行程从(p₁,p₂,···,p_n+1)找出最接近的脉冲长度p_r且p_r＜l/2，因此图2中电机运行过程中实际能够达到的最大速度为(v₁,v₂,···,v_n+1)中的v_r，此时的基准距离为：

p_x＝p_r，p_y＝l-p_r (8)

滚筒运动达到目标位置所需的时间为：

如图1步骤S3所示，滚筒步进电机以Δt为规划周期依照离散速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)进行加速运动，由于步进电机的机械特性使得其在低速阶段能够承受的突变速度很大，因此其加速度值a如图2所示从Δv_max减小到a_m(a_m≈Δv_min)，使得滚筒的运动从起步开始呈现减加速度的状态，实现滚筒的快速起步且保证其在选针过程中不会因过载而丢步，当加速度值a＝a_m时，滚筒运动进入匀加速度的状态，确保电机在高速时的持续加速与稳定运行。

当滚筒步进电机当前位置等于基准距离p_x时，如步骤S4、S5所示运行状态进入匀速阶段，电机此时速度为整个行程中的最大速度；当滚筒步进电机当前位置等于基准距离p_y时，如步骤S6、S7所示运行状态进入减速状态，此时电机依照离散速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)从最大速度以Δt为规划周期进行减速，其减速曲线如图2所示与加速曲线完全对称，实现速度和脉冲长度的精确控制；当滚筒步进电机当前位置等于目标位置时，电机停止运行，滚筒结束此次选针。

本发明提出的一种智能手套机滚筒选针的离散速度控制方法，采用直接从控制器的存储单元加载出提前规划好的离散速度表和脉冲步长表的方式，减少控制系统处理数据所花费的时间，避免脉冲发送过程中定时器中断因大量计算而产生的冲突问题，极大程度上提高了滚筒选针的速度，同时使电机在高速阶段以最小突变速度进行匀加速运动，保证了电机的持续加速和稳定运行。

Claims (2)

1.一种智能手套机滚筒选针的离散速度控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)首先根据手套机滚筒的机械结构、步进电机的型号属性以及现场测试，确定滚筒在进行选针动作时，步进电机能允许运行的最大突变速度Δv_max与最小突变速度Δv_min；

2)在加速度值低于滚筒步进电机的最大突变速度Δv_max的条件下，根据加减速控制算法，得出加速度表(a₁,a₂,···,a_n)，下标1到n表示加速度的规划顺序，a表示加速度的值；

3)设定滚筒电机的起步速度V_min、规划周期Δt，结合步骤2)得到的加速度表(a₁,a₂,···,a_n)依次建立电机的离散速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)和脉冲步长表(p₁,p₂,···,p_n+1)；

4)将滚筒运动的目标距离l、设定的目标速度V_p与步骤3)中得到的离散速度表、脉冲步长表中的值进行比对，调整电机实际能达到的最大速度，规划出步进电机加减速曲线；

所述步骤2)中，由于步进电机在低速阶段能承受较大阻力，且为实现手套机滚筒的快速提速，令加速度表中的首个加速度值等于最大突变速度，即a₁＝Δv_max，再根据加减速控制算法依次递减得出a₁～a_m的值，m<n；同时为使滚筒步进电机运转速度尽可能达到目标速度V_p，令a_m＝a_m+1＝···＝a_n，即当电机运转到加速度值近似最小突变速度Δv_min时进行匀加速度运动，保持速度的稳定提升；加速度表(a₁,a₂,···,a_n)具体计算公式如下：

a_i＝a₁·(1+cosθ_i) (a_i＞Δv_min) (2)

其中a₁＝Δv_max，即电机的起步加速度设为最大突变速度，i是大于0的整数，a_i表示第i个规划周期的加速度值，当i满足a_i＜＝Δv_min＜a_i-1时，令m＝i，即此时a_i＝a_m，因此可得a_m～a_n的计算公式为：

a_m＝a_m+1＝···＝a_n (n＞＝90) (3)

其中a_m近似等于最小突变速度，能够满足步进电机在任意速度下进行速度的突变；

所述步骤3)中，滚筒步进电机以V_min为起始速度，即v₁＝V_min，再根据加速度表(a₁,a₂,···,a_n)依次递增得出离散速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)，其中v_i表示在第i个规划周期时，步进电机的转速值；脉冲步长表(p₁,p₂,···,p_n+1)中的p_i表示当电机转速值达到v_i时，电机已经运转的脉冲数值。

2.如权利要求1所述的一种智能手套机滚筒选针的离散速度控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，步进电机加减速曲线是将速度控制整体分为加速、匀速、减速三段的对称速度曲线，在加速阶段滚筒以V_min为起始速度，每匀速运行一个规划周期Δt就按照离散速度表(v₁,v₂,···,v_n+1)改变下一周期的速度值，当速度达到目标速度V_p或运动步长达到l/2时，运行状态进入匀速阶段。