CN108508857A - 多轴联动控制方法及装置 - Google Patents

多轴联动控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电工电子技术领域，特别涉及一种多轴联动控制装置及多轴联动控制方法，所述方法包括：用户选择工作模式，用户对电机控制器分组，为同一组的电机控制器分配一个组控制ID，并为每一组的电机控制器分配一个节点控制ID；上位机获取与选择的工作模式下各个节点ID对应的关键点数据；上位机根据电机控制器的节点控制ID向电机控制器下发关键点数据，并将带有组控制ID的控制指令下发到与控制指令的控制ID一致的电机控制器中；电机控制器根据节点控制ID过滤控制指令，根据工作模式和关键点数据完成过滤后的控制指令；本发明系统的多轴电机运行效率高，易于扩展，适合大规模、多节点控制，具有通用性。

Description

多轴联动控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电工电子技术领域，特别涉及一种多轴联动控制方法及装置。
背景技术
在文化创意行业中，利用动态展物系统实现的浮球矩阵、时钟矩阵等文化创意产品，由于其动态效果炫酷，造型千变万化，已经推广用于展示展览。为使这类系统实现展物上下浮动，呈现梦幻效果，就需要较多电机能同时满足不同指令要求的位置，速度变化；在精密仪器仪表中，仪器内部的机械系统也日益复杂，其运动往往是为多自由度，因而通常需要利用多个电机联动以实现系统的各种动作；另外，现代制造业中的数控技术和机器人技术，不仅需要实现复杂零件的高精度加工，而且要方便批量生产，有时还需要多轴数控机床中处于运行状态的若干个电机的转速存在比例关系，有时又需要多轴数控机床和多轴工业机器人系统中各轴之间互相协调，实现同步运行。
为实现多轴联动功能，公告号为CN 105892412 A，名称为“基于自定义总线的多轴运动控制系统硬件架构”的发明专利，提出了一种主从结构多轴运动控制系统硬件架构，该方法虽然能实现多轴运动控制，但是其成本较高。文献“基于DSP的多步进电机联动控制研究”马超，许言.2010,5:109-113.系统根据轨迹要求，离线计算出数据表，根据数据表进行实时补偿，补偿时将每一小份运动轨迹离散为各个运动轴的匀速直线运动，但是该方式的补偿误差较大，人机交互界面所需要的数据采用实时串口发送，信息通信时间较长。文献“基于FPGA的步进电机多轴联动控制系统.”赵立辉，霍春宝.电机与控制应用.2013，40(11)：42-45，58.主要采用数字积分插补法进行设计，以控制两轴的联动，这种方法简单，但是需要条件约束来保证正确的递推插补计算。
发明内容
为了使电机更容易拓展，更加适合大规模、多节点，具有通用性，高效率的装置，本发明提供一种多轴联动控制方法及装置，所述方法包括：
S1、用户选择工作模式，用户对电机控制器分组，为同一组的电机控制器分配一个组控制ID，并为每一组的电机控制器分配一个节点控制ID；
S2、上位机获取与选择的工作模式下各个节点ID对应的关键点数据；
S3、上位机根据电机控制器的节点控制ID向电机控制器下发关键点数据，并将带有组控制ID的控制指令下发到与控制指令的控制ID一致的电机控制器中；
S4、电机控制器判断控制指令的组控制ID与当前电机控制器的组控制ID是否一致，若不一致则返回S3，若一致则跳至S5；
S5、根据节点控制ID过滤控制指令，根据工作模式和关键点数据完成过滤后的控制指令并返回S3。
优选的，用户选择速度模式时，所述关键点数据包括N个关键点的速度信息，用户设置加速度值，电机控制器以设置的加速度控制电机达到关键点的速度信息指示的速度。
优选的，用户选择速度模式时，所述关键点数据包括N个关键点的位置信息，用户设置速度值，电机控制器控制电机以设置的速度值到达关键点的位置信息指示的位置。
优选的，用户选择位置-时间-边界速度(Position-Time-boundary Velocity，PTBV)模式时，用户可以手动输入关键点数据，也可以是用3dmax，blender等3d设计软件画出多轴运动效果，然后提取每个轴的运动轨迹，再根据运动轨迹提取出关键数据，所述关键点数据包括N个关键点的位置信息、起始关键点的速度信息、终点关键点的速度信息和N个关键点的时间信息，上位机根据关键点信息进行第一插补，电机控制器对第一插补的数据再进行一次第一插补，电机控制器控制电机完成轨迹。
优选的，第一插补包括：
定义第一指针、第二指针和第三指针，第一指针指向当前关键点的关键点的位置信息，关键点的时间信息，第二指针指向下一关键点的关键点位置信息，关键点的时间信息，第三指针指向起始关键点的速度信息、终点关键点的速度信息；
利用相邻两关键点的关键数据以及起始关键点的速度信息和终点关键点的速度信息，根据三次样条插值方法，计算出位置的三次曲线系数；
根据位置的三次曲线系数得到第一速度曲线方程的系数；
将相邻关键点之间的时间划分为n段，将每段点的端点代入第一速度曲线方程，确定n+1个时间端点对应的速度。
优选的，用户选择位置-速度-时间(Position-Velocity-Time，PVT)模式时，用户可以手动输入关键点数据，也可以是用3dmax，blender等3d设计软件画出多轴运动效果，然后提取每个轴的运动轨迹，再根据运动轨迹提取出关键数据，所述关键点数据包括N个关键点的位置信息、N个关键点的速度信息和N个关键点的时间信息，上位机根据关键点信息进行第二插补，电机控制器对第二插补后的数据再进行一次第二插补，电机控制器控制电机完成轨迹。
优选的，第二插补包括：
定义第四指针和第五指针，第四指针指向当前关键点的关键点的位置信息、关键点的时间信息和关键点的速度信息，第五指针指向下一关键点的关键点位置信息、关键点的时间信息和关键点的速度信息；
根据当前关键点和下一关键点的关键点数据，计算当前关键点的关键点数据和下一关键点关键数据之间的第二速度曲线方程的系数；
将当前关键点和下一关键点之间的时间划分为n段，再将n段端点对应时间代入第二速度曲线方程，确定相应n+1个时间端点对应的速度。
优选的，用户选择单次运动方式或周期运动方式时，包括：
S21、将关键数据以数组形式存储于电机控制器的buffer2中，电机控制器定时根据起始索引确定取值起始点、结束索引确定取值结束点，设置循环次数阈值，令循环次数为0，并从取值起始点开始取值；
S22、取出取值点的位置信息，关键点的时间信息和关键点的速度信息；
S23、判断当前取值点是否是取值结束点，若是则跳至S24，否则根据取值方向跳至下一取值点并返回S22；
S24、判断当前循环次数是否等于循环次数阈值，若是则结束取值；
S25、否则令循环次数自加1并令取值点跳至取值起始点，返回步骤S22；
其中，当设置的循环次数阈值等于0时，为单次运动方式；当设置的循环次数阈值大于等于1时，为周期运动方式。
优选的，用户选择先入先出方式时，包括：将关键数据以数组或链表形式存于电机控制器buffer3中，关键数据从存储器上部输入，从存储器底部取出，且当输入数据的位置与存储器的最大点相差K/2时会将数据剩余量信息反馈给上位机，K为当前取样点与存储器最大点之间的数据量。
一种多轴联动控制装置，所述上位机与电机控制器双向通信连接，电机控制器与电机连接，上位机包括工作模式处理模块、组标记模块和buffer1，电机控制器包括电源模块、微控制单元MCU、电机驱动电路，MCU包括buffer2、buffer3、通信模块和定时器，其中：
工作模式处理模块，用于用户选择工作模式并获取关键模式对应的关键点数据；
组标记模块，用于将用户的分配的组控制ID和节点控制ID标记到电机控制模块；
buffer1，用于在上位机中寄存关键数据获取模块得到的关键点数据；
buffer2，用于在电机控制模块中寄存关键点数据；
buffer3，用于在电机控制模块中寄存控制命令。
本发明通过上位机任务配置，根据控制ID和节点ID进行软组网规划，利用通信接口进行通信，下发命令，电机控制器对下发对命令进行判断、接收，然后再执行，能够合成用户期望的直线轨迹运动，正余弦轨迹运动以及其他曲线轨迹运动，本发明采用上位机预处理，下位机自行精插补的方式，合理利用上位机与下位机的处理能力，简化通信内容，可缓解网络通信压力，大大缩减网络通信时间，提高网络通信效率；且本发明专利通过控制ID和节点ID可实现分组同步以及组网，该方法只需软件设置，无需硬件配置，该多轴联动控制流程清晰，系统的运行效率高，易于扩展，适合大规模，多节点控制，具有通用型。
附图说明
图1为本发明专利的系统结构示意图；
图2为本发明专利的多轴联动控制方法流程图；
图3为本发明插补的示意图；
图4为本发明单次运动方式时的数据处理过程示意图；
图5为本发明周期运动方式时的数据处理过程示意图；
图6为本本发明FIFO方式时的数据处理过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的结构、方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例进一步详细说明。
一种多轴电机控制方法及多轴电机控制器，如图2，所述方法包括：
S1、用户选择工作模式，用户对电机控制器分组，为同一组的电机控制器分配一个组控制ID，并为每一组的电机控制器分配一个节点控制ID；
S2、上位机获取与选择的工作模式下各个节点ID对应的关键点数据；
S3、上位机根据电机控制器的节点控制ID向电机控制器下发关键点数据，并将带有组控制ID的控制指令下发到与控制指令的控制ID一致的电机控制器中；
S4、电机控制器判断控制指令的组控制ID与当前电机控制器的组控制ID是否一致，若不一致则返回S3，若一致则跳至S5；
S5、根据节点控制ID过滤控制指令，根据工作模式和关键点数据完成过滤后的控制指令并返回S3。
上位机获取的关键点数据可以是预先设置好的关键点程序，也可以是用户首先用3dmax，blender等3d设计软件画出多轴运动效果，然后通过相关软件提取每个轴的运动轨迹，再根据运动轨迹提取出关键点的数据。
在各工作模式下，上位机均会取出适当的关键点数据信息，并存于上位机的buffer1，这些数据信息均通过通信接口下发到电机控制器，在下发命令时，如果数据信息超过8字节，则分通道发送，如在PVT模式中，关键点的位置信息，关键点的速度信息采用一个通道下发，关键点的时间信息和任务命令采用另一个通道下发；用户可自定义组控制ID，每个组控制ID可关联一个或多个电机控制器，为同一组控制ID中的每一个电机控制器分配一个节点控制ID，可使组控制ID相同的电机控制器所控制的电机实现该组控制ID对应的指令，其中，指令采用如表1的形式，包括通信对象标识符(Communication ObjectIdentifier，COB-ID)、命令类型和控制ID。
表1控制命令的帧格式
COB-ID 命令类型 组控制ID
11bit 8bit 8bit
另外采用控制ID+节点ID的形式，也可单独实现对单个节点ID的控制。
优选的，用户选择速度模式时，所述关键点数据包括N个关键点的速度信息，用户设置加速度值，电机控制器以设置的加速度控制电机达到关键点的速度。
优选的，用户选择速度模式时，所述关键点数据包括N个关键点的位置信息，用户设置速度值，电机控制器控制电机以设置的速度值到达关键点的位置。
当需要完成复杂曲线的运动轨迹时，可以选择PTBV模式或者PTV模式，在这两个模式中，为了简化通信内容，缓解通信压力，提高通信效率，本发明利用上位机进行一次插补，下位机根据上位机插补后的数据再进行一次插补，合理利用上位机与下位机的处理能力。
为了使电机能达到理想工作效果，根据粗插补后的关键点数据信息设计了精插补，即进一步的速度规划，插补的示意图如图3所示，其思路为根据两相邻点关键点的位置信息，关键点的速度信息和关键点的时间信息，得到两相邻点之间的速度曲线方程，然后将两个关键点之间的时间等分为n段，得到n+1端点，再将每个端点的时间代入速度曲线方程得到该时间点的速度，从而实现速度插补，例如图3中，将处于ti时刻的关键点与处于ti+1时刻的关键点的速度曲线V(t)，根据ti和ti+1将速度曲线等分为n段，即在(ti，ti+1)中插入n-1个点，将每个点对应的时刻代入速度曲线方程，得到每个点对应的速度。
当工作模式为PTBV模式时，上位机获取的关键点数据，关键数据可以由用户手动输入，也可以由用3dmax，blender等3d设计软件画出多轴运动效果，然后提取每个轴的运动轨迹，再根据运动轨迹提取出来，所述关键点数据包括N个关键点的位置信息、关键点的时间信息、关键点起点的速度信息和关键点终点的速度信息；
上位机根据关键点数据进行第一次第一插补；并将插补后的数据下发到对应的节点控制ID的电机控制器；
相应电机控制器根据第一次第一插补后的进行第二次第一插补，并根据第二次的一插补后的数据控制电机执行指令。
第一插补包括：
假设有N个关键点，定义第一指针、第二指针和第三指针，第一指针指向当前第i个关键点的关键点数据，包括第i个关键点的位置信息Pi，第i个关键点的时间信息ti，第二指针指向下一第i+1个关键点的关键点数据，包括第i+1个关键点的位置信息Pi+1，第i+1个关键点的时间信息ti+1，第三指针指向起点的速度信息V1和终点的速度信息VN；
然后利用第一指针、第二指针和第三指针中的关键点数据，根据三次样条插值方法，计算出位置的三次曲线系数：
Di＝Pi
其中：hi＝ti+1-ti
根据位置曲线系数得到相应速度曲线系数A1,V＝3Ai；B1,V＝2Bi；C1,V＝Ci，得到第i个关键点与第i+1个关键点之间的第一插补速度曲线方程，表示为V1(t)＝A1,V(t-ti)2+B1,V(t-ti)+C1,V，t∈[ti,ti+1]；
将当前关键点和下一关键点之间的时间划分为n段，再将n段端点对应时间代入速度曲线方程，确定相应n+1个时间端点对应的速度；
其中，Ai、Bi、Ci和Di为第i个关键点与第i+1个关键点之间的三次位置曲线的系数，A1,V为第一插补速度曲线的二次系数，B1,V为第一插补速度曲线的一次系数，C1,V为第一插补速度曲线的常数项，hi表示第i+1个关键点与第i个关键点之间的时间差，mi表示在第i个关键点的位置Pi关于第i个关键点的时间的ti二阶导数。
当工作模式为PVT模式时，用户在初始化系统的时候需要选择一种PVT模式下电机控制器控制电机运动的工作方式，工作方式包括单次运动方式、周期运动方式和先进先出运动方式；
当工作模式为PVT模式时，上位机获取的关键点数据可以由用户手动输入，也可以由用3dmax，blender等3d设计软件画出多轴运动效果，然后提取每个轴的运动轨迹，再根据运动轨迹提取出来，所述关键点数据包括N个关键点的位置信息、N个关键点的速度信息和N个关键点的时间信息；
上位机根据关键点数据进行第一次第二插补，并将插补后的数据下发到对应的节点ID电机控制器；
相应电机控制器根据第一次第二插补后的数据进行第二次第二插补，并利用第二次插补后的数据控制电机执行控制指令。
第二插补包括：
假设有N个关键点，定义第四指针和第五指针，第一指针指向当前第i个关键点的关键点数据，即第i个关键点位置信息Pi，第i个关键点速度信息Vi，第i个关键点时间信息ti；第二指针指向下一第i+1个关键点的关键点数据，即第i+1个关键点位置信息Pi+1，第i+1个关键点速度信息Vi+1，第i+1个关键点时间信息ti+1；
根据读取的关键点数据，计算第i个关键点与第i+1个关键点的速度曲线系数，分别各系数为：
C2,V＝Vi
则得到相应的第一插补速度曲线方程为：V1(t)＝A1,Vt2+B1,Vt+C1,V；
将当前关键点和下一关键点之间的时间划分为n段，再将n段端点对应时间代入速度曲线方程，确定相应n+1个时间端点对应的速度；
其中，A2,V为第二插补速度曲线的二次系数，B2,V为第二插补速度曲线的一次系数，C2,V为第二插补速度曲线的常数项。
如图4-5，用户选择PVT模式下电机控制器控制电机运动的单次运动方式或周期运动方式包括：
S21、将关键数据以数组形式存储于电机控制器的buffer2中，电机控制器定时根据起始索引确定取值起始点、结束索引确定取值结束点，设置循环次数阈值，令循环次数为0，并从取值起始点开始取值；
S22、取出取值点的位置信息，关键点的时间信息和关键点的速度信息；
S23、判断当前取值点是否是取值结束点，若是则跳至S24，否则根据取值方向跳至下一取值点并返回S22；
S24、判断当前循环次数是否等于循环次数阈值，若是则结束取值，否则令循环次数自加1并令取值点跳至取值起始点；
其中，当设置的循环次数阈值等于0时为单次运动方式，当设置的循环次数阈值大于等于1时，为周期运动方式。
如图6，用户选择PVT模式下电机控制器控制电机运动的先入先出方式包括：将关键数据以数组或链表形式存于电机控制器buffer2中，关键数据从存储器上部输入，从存储器底部取出，且当输入数据的位置与存储器的最大点相差K/2时会将数据剩余量信息反馈给上位机，K为当前取样点与存储器最大点之间的数据量。
在PVT模式中，为了实现实时数据更改的功能，设置有用户修改点Data[P]，在取该数据数据点时，就会取出用户更改后数据进行操作。
一种多轴联动控制装置，如图1，包括上位机、电机控制器和电机，所述上位机与电机控制器双向通信连接，电机控制器与电机连接，上位机包括工作模式处理模块、组标记模块和buffer1，电机控制器包括电源模块、微控制单元MCU、电机驱动电路，MCU包括buffer2、buffer3、通信模块和定时器，其中：
工作模式处理模块，用于用户选择工作模式并获取关键模式对应的关键点数据；
组标记模块，用于将用户的分配的组控制ID和节点控制ID标记到电机控制模块；
buffer1，用于在上位机中寄存关键数据获取模块得到的关键点数据；
buffer2，用于在电机控制模块中寄存关键点数据；
buffer3，用于在电机控制模块中寄存控制命令。
优选地，电机控制器中还包括插补模块，用于实现第二插补，或/和用于实现第一插补。
本发明多轴联动控制装置中各个模块的实施方式可以采用本发明多轴电机控制方法各个部分，为节省篇幅，不再赘述。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征，不能理解为对本发明的限制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.多轴联动控制方法，其特征在于，包括：
S1、用户选择工作模式，用户对电机控制器分组，为同一组的电机控制器分配一个组控制ID，并为每一组的电机控制器分配一个节点控制ID；
S2、上位机获取与选择的工作模式下各个节点ID对应的关键点数据；
S3、上位机根据电机控制器的节点控制ID向电机控制器下发关键点数据，并将带有组控制ID的控制指令下发到与控制指令的控制ID一致的电机控制器中；
S4、电机控制器判断控制指令的组控制ID与当前电机控制器的组控制ID是否一致，若不一致则返回S3，若一致则跳至S5；
S5、根据节点控制ID过滤控制指令，根据工作模式和关键点数据完成过滤后的控制指令并返回S3。
2.根据权利要求1所述的多轴联动控制方法，其特征在于，用户选择的工作模式为速度模式时，所述关键点数据包括N个关键点的速度信息，用户设置加速度值，电机控制器以设置的加速度值使电机达到关键点的速度信息指示的速度。
3.根据权利要求1所述的多轴联动控制方法，其特征在于，用户选择的工作模式为位置模式时，所述关键点数据包括N个关键点的位置信息，用户设置速度值，电机控制器控制电机以设置的速度值到达关键点的位置信息指示的位置。
4.根据权利要求1所述的多轴联动控制方法，其特征在于，用户选择的工作模式为位置-时间-边界速度PTBV模式时，所述关键点数据包括N个关键点的位置信息、N个关键点的时间信息、起始关键点的速度信息和终点关键点的速度信息，上位机根据关键点信息进行第一插补，电机控制器对第一插补的数据再进行一次第一插补，电机控制器驱动电机完成轨迹。
5.根据权利要求4所述的多轴联动控制方法，其特征在于，所述第一插补包括：
定义第一指针、第二指针和第三指针，第一指针指向当前关键点的关键点的位置信息，关键点的时间信息，第二指针指向下一关键点的关键点位置信息，关键点的时间信息，第三指针指向起始关键点的速度信息、终点关键点的速度信息；
利用相邻两关键点的关键数据以及起始关键点的速度信息和终点关键点的速度信息，根据三次样条插值方法，计算出位置的三次曲线系数；
根据位置的三次曲线系数得到第一速度曲线方程的系数；
将相邻关键点之间的时间划分为n段，将每段点的端点代入第一速度曲线方程，确定n+1个时间端点对应的速度。
6.根据权利要求1所述的多轴联动控制方法，其特征在于，用户选择的工作模式为位置-速度-时间PVT模式时，所述关键点数据包括N个关键点的位置信息、N个关键点的速度信息和N个关键点的时间信息，上位机根据关键点信息进行第二插补，电机控制器对第二插补后的数据再进行一次第二插补，电机控制器驱动电机完成轨迹。
7.根据权利要求6所述的多轴联动控制方法，其特征在于，所述第二插补包括：
定义第四指针和第五指针，第四指针指向当前关键点的关键点的位置信息、关键点的时间信息和关键点的速度信息，第五指针指向下一关键点的关键点位置信息、关键点的时间信息和关键点的速度信息；
根据当前关键点和下一关键点的关键点数据，计算当前关键点的关键点数据和下一关键点关键数据之间的第二速度曲线方程的系数；
将当前关键点和下一关键点之间的时间划分为n段，再将n段端点对应时间代入第二速度曲线方程，确定相应n+1个时间端点对应的速度。
8.根据权利要求6所述的多轴联动控制方法，其特征在于，电机控制器控制电机完成轨迹时选择单次运动方式或周期运动方式的过程包括：
S21、将关键数据以数组形式存储于电机控制器的buffer2中，电机控制器定时根据起始索引确定取值起始点、结束索引确定取值结束点，设置循环次数阈值，令循环次数为0，并从取值起始点开始取值；
S22、取出取值点的位置信息，关键点的时间信息和关键点的速度信息；
S23、判断当前取值点是否是取值结束点，若是则跳至S24，否则根据取值方向跳至下一取值点并返回S22；
S24、判断当前循环次数是否等于循环次数阈值，若是则结束取值；
S25、否则令循环次数自加1并令取值点跳至取值起始点，返回步骤S22；
其中，当设置的循环次数阈值等于0时，为单次运动方式；当设置的循环次数阈值大于等于1时，为周期运动方式。
9.根据权利要求6所述的多轴联动控制方法，其特征在于，电机控制器控制电机完成轨迹时选择先入先出方式时，包括：将关键数据以数组或链表形式存于电机控制器buffer2中，关键数据从存储器上部输入，从存储器底部取出，且当输入数据的位置与存储器的最大点相差K/2时会将数据剩余量信息反馈给上位机，K为当前取样点与存储器最大点之间的数据量。
10.多轴联动控制装置，包括上位机、电机控制器和电机，其特征在于，所述上位机与电机控制器双向通信连接，电机控制器与电机连接，上位机包括工作模式处理模块、组标记模块和buffer1，电机控制器包括电源模块、微控制单元MCU、电机驱动电路，MCU包括buffer2、buffer3、通信模块和定时器，其中：
工作模式处理模块，用于用户选择工作模式并获取关键模式对应的关键点数据；
组标记模块，用于将用户的分配的组控制ID和节点控制ID标记到电机控制模块；
buffer1，用于在上位机中寄存关键数据获取模块得到的关键点数据；
buffer2，用于在电机控制模块中寄存关键点数据；
buffer3，用于在电机控制模块中寄存控制命令。
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