CN108964553B

CN108964553B - 一种用于伺服电机控制的路径规划方法及装置

Info

Publication number: CN108964553B
Application number: CN201810927729.1A
Authority: CN
Inventors: 李德良
Original assignee: Modrol Electric Co ltd
Current assignee: Modrol Electric Co ltd
Priority date: 2018-08-15
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2021-02-23
Anticipated expiration: 2038-08-15
Also published as: CN108964553A

Abstract

本发明涉及一种用于伺服电机控制的路径规划方法及装置，所述方法包括以下步骤：S51、判断目标点与当前位置的距离是否大于预设的阈值；S52、如果所述距离大于阈值，则通过三角形匀加速方式规划输入至电机指令速度，否则通过速度纯比例跟踪方式规划输入至电机指令速度；S53、限制指令速度的加速度，使得伺服电机控制过程中的超调量不超过20％。所述装置包括存储器、处理器及储存在存储器上并能够在处理器上运行的微计算程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法。

Description

一种用于伺服电机控制的路径规划方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于电机控制的路径规划方法及装置，属于电机控制领域。

背景技术

伺服电机的控制系统主要由位置控制环、速度控制环、电流控制环、电机、传感器等部分组成。其中电流控制环和速度控制环是系统控制的内环，位置控制环为最外环，同时也是主闭环。位置控制环作为最外环，直接决定了伺服控制系统的位置跟踪性能和定位精度。在嵌入式驱动电机中，通常采用三角形匀加速策略或者纯比例跟踪策略，然而，三角形匀加速策略易造成因增益过大的振荡现象，纯比例跟踪策略易造成在减速开始阶段加速度过大而造成的驱动器无法跟随而产生的定位超调现象，因而有必要发明一种方法解决上述问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于伺服电机控制的路径规划方法及装置。

本发明的技术方案第一方面为一种用于伺服电机控制的路径规划方法，所述方法包括以下步骤：

S51、判断目标点与当前位置的距离是否大于预设的阈值；

S52、如果所述距离大于阈值，则通过三角形匀加速方式规划输入至电机指令速度，否则通过速度纯比例跟踪方式规划输入至电机指令速度；

S53、限制指令速度的加速度，使得伺服电机控制过程中的超调量不超过20％。

进一步，所述阈值为伺服控制系统一个控制周期内电机的额定转速可以运动到的距离。

进一步，在所述步骤S52中，通过三角形匀加速方式规划的目标速度的计算公式为

其中，S为目标点与当前位置的距离，a为最大允许加速度，t为当前位置到位拐角所需的时间常数。

进一步，在所述步骤S52中，通过速度纯比例跟踪规划的目标速度的计算公式为Vmax＝S/t，其中，S为目标点与当前位置的距离，t为当前位置到位拐角所需的时间常数。

进一步，所述步骤S53包括：

通过时间离散化的方式计算电机指令速度，并且使每一个离散化的时间段计算的指令速度的加速度不超过电机伺服控制系统的最大允许加速度。

进一步，通过时间离散化的方式计算电机指令速度的公式为

V1＝V0+limit(Vmax-V0，a*dT)，

其中，V0为当前的电机速度为，dT为离散化时间，Vmax为目标速度，a为最大允许加速度，式中的limit为离散饱和计算函数，用于使Vmax和V0之间的离散递增斜率不超过a。

本发明的技术方案第二方面为一种电机控制方法，包括以下步骤：

A、进行电机电流采样，然后将采集的反馈电流依次经过CLARK变换和PARK变换得到矢量电流；

B、通过编码器对电机进行位置采样，获得电机的反馈位置和计算得到电机反馈速度；

C、基于路径规划，计算出电机的速度输入参量；

D、基于指令速度和换算的指令电流进行PID控制；

E、通过电流环PID处理模块的输出电压分量以及速度环PID处理模块的输出量，计算矢量电压，并依次经过IPARK变换和ICLARK变换后，输出用于控制电机的三相电压，

其中，在所述步骤C中还执行上述的方法。

进一步，所述步骤D还包括：

S21、当检测到电机反馈转速小于一速度阈值时，将电机反馈速度进行一阶速度滤波，并且将指令速度进行一阶速度滤波；

S22、将原指令速度与一阶滤波后的指令速度进行差值运算，并且将该差值运算的结果与一阶滤波的电机反馈速度进行求和运算，得到求和速度；

S23、将所述求和速度与原指令速度进行差值运算，然后将运算结果传输到速度环PID处理模块。

本发明的技术方案第三方面为一种微计算装置，包括存储器、处理器及储存在存储器上并能够在处理器上运行的微计算程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法。

本发明的技术方案第四方面为一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。

本发明的有益效果为：

克服了现有技术问题，提出改进的用于伺服电机控制的路径规划方法及装置；不仅能够减少电机控制参数的计算量，并且通过将匀加速控制策略和纯比例跟踪策略的结合，可有效的避免抖动和过量超调。

附图说明

图1所示为根据本发明的方法的总体流程图。

图2所示为根据本发明方法的一个实施例中在较远目标距离时的位移时间曲线。

图3所示为对应于图2中的位移时间曲线的速度时间曲线。

图4所示为根据本发明方法的另一个实施例中在较小目标距离时的位移时间曲线。

图5所示为对应于图4中的位移时间曲线的速度时间曲线。

图6所示为总体的伺服电机控制回路。

图7所示为根据本发明的电机控制方法的电流环的控制框图。

图8所示为根据本发明的电机控制方法的速度环的控制框图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本文所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

根据本发明的路径规划方法，假设，给定目标点与当前位置距离为S，最大允许加速度为a，到位拐角时间常数为t，最大的允许速度为Vmax，那么S的方程为

求解，可以得到最大允许速度的表达式为

当S很大时，(1)式可以简化为

此时适用三角形匀加速路径规划方案。

当S很小时(例如不大于伺服控制系统一个控制周期内电机的额定转速可以运动到的距离)，(1)式可以简化为

S＝Vmax*t。此时适用纯比例速度跟踪的路径规划方案。

因此，可以基于上述计算公式来提供一种带三角形匀加速与纯比例跟踪的混合路径规划方法。参考图1，根据本发明的用于伺服电机控制的路径规划方法包括以下步骤：

S51、判断目标点与当前位置的距离是否大于预设的阈值，该阈值为伺服控制系统一个控制周期内电机的额定转速可以运动到的距离；

S53、限制指令速度的加速度，使得伺服电机控制过程中的超调量。

例如，参照图2和3所示的三角形匀加速的路径规划，使电机位移从S₀行进到S₁，对应的时间从0至t₁。在本实施例中，加速度a(即是图3中的速度曲线的斜率)是恒定的，而t是速度拐角时对应的时间值。在拐角处实现最大允许的速度Vmax，因此可以用改速度Vmax作为电机的指令速度，使电机在保持最高响应的工作状态下尽快到达目标点。因此，在这种情况下，使得通过三角形匀加速方式规划的目标速度的计算公式为

具体地，为了简化伺服系统的运算，还可以将连续的速度运算离散化计算若干个时刻的速度，通过时间离散化的方式计算电机指令速度。如图3所示，根据伺服电机控制系统的控制周期确定离散化时间段，在每个时间段计算一次指令速度，以控制电机的转速。离散化的电机速度计算公式为

V1＝V0+limit(Vmax-V0，a*dT)

其中，V0为当前的电机速度为，dT为根据伺服系统的恒定的离散化时间，Vmax为目标速度，a为最大允许加速度，式中的limit为离散饱和计算函数，用于使Vmax和V0之间的离散递增斜率不超过a。通过时间离散化的方式计算电机指令速度，并且使每一个离散化的时间段计算的指令速度的加速度不超过电机伺服控制系统的最大允许加速度。

参照图4和5所示的纯比例的路径规划，使电机位移从S₀行进到S₁，对应的时间从0至t₁。当目标距离S较小时，例如小于1个控制周期所前进的距离时，通过速度纯比例跟踪规划的目标速度的计算公式为Vmax＝S/t，其中，S为目标点与当前位置的距离，t为当前位置到位拐角所需的时间常数。如图5所示，由于控制电机运动的距离和时间较少，可以用Vmax代替理论速度V’来计算电机的指令速度，从而使电机能够运动到目标点的距离折算为S(＝S₁-S₀)，同时使Vmax产生的加速度没有超过最大允许加速度，也避免了电机在低速低运动距离所带来的抖动。

综上所述，根据本发明的路径规划方法产生了一个带三角形匀加速与纯比例跟踪的混合策略，既不会出现过大的加速度，也可以限制目标点附近的震荡现象。

本文还提供电机控制方法，基于上述的规划方法计算的指令速度，并且利用速度滤波方式进一步减低电机抖动。

参照图6，所述的电机控制方法包括以下步骤：

C、基于路径规划，计算出电机的速度输入参量；

D、基于指令速度和换算的指令电流进行PID控制；

在步骤A中可以执行以下步骤：S41、根据电机的一个控制周期，在预设的一个或多个时刻发起一个或多个采样，优选地至少在电机控制周期的起始时刻和中间时刻分别发起采样；S42、在发起采样的每个时刻提前一预设时间(至少小于控制周期的四分之一)，分别捕捉电机电流数据；S43、计算控制周期内捕捉的电机电流数据的平均电流值。步骤S43还包括：将多个控制周期的计算得到的多个平均电流值按时间维度进行插值，得到沿时间维度的连续的电流采样值曲线。这样也可以通过离散时刻采样和计算的电流数值，估算出连续的时间对应的电流数值作为机电闭环控制的反馈电流输入值。在进一步的实施例中，电机电流采样方法还包括以下步骤：每隔一段时间，检测电流采样值曲线在一时间范围内的斜率跳变值，如果该斜率跳变值超过一阈值(例如20％)，是则调整所述的预设时间T。在进一步的实施例中，电机电流采样方法还包括以下步骤：每隔一段时间，判断所计算的多个控制周期的平均电流值之间的抖动值是否超过一电流抖动阈值，是则调整所述的预设时间T。在进一步的实施例中，电机电流采样方法还包括以下步骤：整定调节所述的预设时间T，使得在后续的多个控制周期的平均电流值之间的抖动值小于预设的电流抖动阈值。这种整定方式类似于PID控制中的参数整定。例如，可以在一定的范围内持续调整预设时间T，然后统计所采集和计算的平均电流值之间的抖动值，选取抖动值最少的对应的预设时间T作为当前应用场景的特定的预设时间Tx值；后续利用该Tx值进行电机电流采样。

在步骤C中可以执行上述的方法步骤S51-S53。

在步骤D中，如图7所示，可以执行以下步骤：S11、将输入的指令速度与电机反馈速度的速度差经过速度环PID处理模块处理后获得指令电流值；S12、将指令电流值通过由所述确定延迟配置的前馈单元的处理后，与采集所得的矢量电流值进行差值处理，获得电流差值，然后将电流差值经过电流环PID处理模块处理后获得电压分量；S13、基于指令电流值通过微分处理模块处理得到的电流微分结果与所述电流环PID处理模块处理得到的电压分量，使矢量电压计算模块进行矢量电压计算。所述步骤S12还包括：将通过前馈单元处理后的指令电流值依次进行两次Z反变换，然后，变换后的电流值减去矢量电流得到电流差值。所述步骤S13还包括：将原指令电流值和经过一次Z反变换的指令电流值一起通过微分处理模块处理得到的电流微分结果值。所述步骤S13还包括：将指令电流值通过微分处理模块处理后，再经过电流环PID处理模块处理，然后将得到的结果值连同所述电流环PID处理模块处理得到的电压分量一起传输到矢量电压计算模块进行矢量电压计算。

此外，在步骤D中，如图8所示，还可以执行以下步骤：S21、将电机反馈速度进行一阶速度滤波，并且将指令速度进行一阶速度滤波；S22、将原指令速度与一阶滤波后的指令速度进行差值运算，并且将该差值运算的结果与一阶滤波的电机反馈速度进行求和运算，得到求和速度；S23、将所述求和速度与原指令速度进行差值运算，然后将运算结果传输到速度环PID处理模块。所述步骤S21包括：当检测到电机反馈转速小于一速度阈值时，将电机反馈速度进行一阶速度滤波，并且将指令速度进行一阶速度滤波，其中所述速度阈值小于或等于60rpm。

应当认识到，本发明的方法的实施例可以由微计算硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性微计算可读存储器中的微计算指令来实现或实施。微计算硬件可以是单片机、FPGA、PLC等工控元件和设备。所述方法可以使用标准编程技术。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与微计算系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个微计算系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个微计算程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述微计算程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你微计算、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的微计算平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程微计算读取，当存储介质或设备由微计算读取时可用于配置和操作微计算以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性微计算可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括微计算本身。

微计算程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims

1.一种用于伺服电机控制的路径规划方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S51、判断目标点与当前位置的距离是否大于预设的阈值；

S52、如果所述距离大于阈值，通过三角形匀加速方式规划输入至电机指令速度，通过三角形匀加速方式规划的目标速度的计算公式为

其中，S为目标点与当前位置的距离，a为最大允许加速度，t为当前位置到位拐角所需的时间常数；

S53、如果所述距离小于阈值，通过速度纯比例跟踪方式规划输入至电机指令速度，计算公式为Vmax＝S/t，其中，S为目标点与当前位置的距离，t为当前位置到位拐角所需的时间常数；

S54、限制指令速度的加速度，使得伺服电机控制过程中的超调量不超过20％，包括，通过时间离散化的方式计算电机指令速度，并且使每一个离散化的时间段计算的指令速度的加速度不超过电机伺服控制系统的最大允许加速度；

其中，所述阈值为伺服控制系统一个控制周期内电机的额定转速可以运动到的距离，所述时间离散化的方式计算电机指令速度的公式为

V1＝V0+limit(Vmax-V0，a*dT)，

其中，V0为当前的电机速度，dT为离散化时间，Vmax为目标速度，a为最大允许加速度，式中的limit为离散饱和计算函数，用于使Vmax和V0之间的离散递增斜率不超过a。

2.一种电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

C、基于路径规划，计算出电机的速度输入参量；

D、基于指令速度和换算的指令电流进行PID控制；

其中，在所述步骤C中还执行如权利要求1所述的方法；

其中，所述步骤A还包括以下电机电流的采样步骤：

S41、根据电机的一个控制周期，在预设的一个或多个时刻发起一个或多个采样；

S42、在发起采样的每个时刻提前一预设时间，分别捕捉电机电流数据；

S43、计算所述控制周期内捕捉的电机电流数据的平均电流值，将多个控制周期的计算得到的多个平均电流值按时间维度进行插值，得到沿时间维度的连续的电流采样值曲线；

其中，所述步骤A还包括：每隔一段时间，检测电流采样值曲线在一时间范围内的斜率跳变值是否超过一阈值，是则调整所述预设时间；每隔一段时间，判断所计算的多个控制周期的平均电流值之间的抖动值是否超过一电流抖动阈值，是则调整所述预设时间，统计所采集和计算的平均电流值之间的抖动值，选取抖动值最少的对应的预设时间为特定预设时间，并利用所述特定预设时间进行电机电流采样。

3.根据权利要求2所述的电机控制方法，其特征在于，所述步骤D包括：

S21、当检测到电机反馈转速小于一速度阈值时，将电机反馈速度进行一阶速度滤波，并且将指令速度进行一阶速度滤波，其中所述速度阈值小于或等于60rpm；

4.一种微计算装置，包括存储器、处理器及储存在存储器上并能够在处理器上运行的微计算程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至3中任一项所述的方法。

5.一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3中任一项所述的方法。