CN1102252C - 一种速度控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对电气驱动装置进行预见性的、以数组搭接方式工作的速度控制方法，其中在对为可靠地降低到编程推进所需的多个接续的控制数组(SD)进行预见分析时构成在必要的制动段上的诸如可靠的轨迹加速度(a_max)和数组长度等极限条件(MD)，从而用某求出的最短的制动斜面(BR)表示极限条件。其中多个参数化的超越边值(OVEW)的制动斜面(BR)作为数据存贮器(P2)的参数被分配给每个被分析的控制数组(SD)并且在插入器(I)内根据实际预定的当前超越值(K_ist)在求出的参数(BR)之间进行插值，以便由此确定出为防止过快地运行到接续的控制数组必要的数组尾部速度。

Description

一种速度控制方法及其装置

                        技术领域

本发明涉及一种对电气驱动装置进行预见的、数组搭接的速度控制方法极其装置。

                        背景技术

在应用于诸如机床或机器人的现代工业控制中，一般以子程序数组方式预先设定用于速度控制的推进。为了可靠地以不快于编程的推进进行，必须能及时减少当前的推进。这是因为例如当出现数组补充干扰时，将会出现如下情况：由于当前的推进速度非常高，因而没有充分的时间使电气驱动装置在要求的时间内由高的推进速度达到静止状态。当子程序的接续的控制数组的编程推进大大低于瞬时当前运行的推进速度时，由于所采用的电气驱动装置有限的加速可能性，使当前运行的推进速度按规定降到接续的控制数组的编程速度上不再可能时，也会出现同样的问题。如果在所采用的速度控制中采取推进-超越还设定了另外一种影响速度的可能性，则所述问题更为严重。由于推进-超越可以在0到例如200％的范围内成比例地变化编程的绝对推进，以便与在加工处理时变化的工艺环境条件适应，因而根据物理关系将加重上述问题，按照此物理关系必要的制动路程将随速度的加大成二次方地加大，即当速度增长到两倍时，制动路程增大到四倍。即使在当前的数组长度内根据额定速度断面图进行速度控制时，在100％超越时，可以将推进降到接续的控制数组较低的编程的速度值，正是由于超越值的增大和随之的制动路程成二次方的加长也会使按规定的制动成为不可能。由于尤其是在数组搭接的速度控制时对该超越值的考虑将会导致大量的运算需求，人们正在试图使速度控制的设计满足如下要求，即在任意的超越范围内也可以迅速且可靠地进行数组搭接的控制。

用于速度控制的本说明书引言部分中所述方式的惯用方法以数组搭接方式工作并考虑到了可能存在的超越值，通常只考虑了唯一一个接续的控制数组(参见西门子控制SINUMERIK 840C)或者在数组搭接中仅考虑了在100％超越情况下预给定编程的额定速度断面图。因此，一方面不可能对多个数组预见制动，或者另一方面使有效覆盖的超越范围受到极大的限制。所以这两种标准应用的方法的缺点在于，通常电气驱动装置的功效的利用受到限制。

                        发明内容

故本发明的目的在于，设计一种用于对电气驱动装置进行预见的、数组搭接的速度控制的方法，以便实现下面所述的优点：

应预先观察多个接续的控制数组并同时考虑在数组搭接时任意超越范围的额定速度断面图，从而更好地利用所采用的电气驱动装置。

本发明的目的通过下述特征得以实现：

1.1在对用于可靠地降低到编程的推进所需的多个顺接的控制数组的制动要求进行预见性的计算和分析时在必要的制动段上构成诸如允许的轨迹加速度、冲击限制和数组长度等极限条件，从而用求出的某最短的制动斜面表示权限条件。

1.2针对多个参数化的超越边值进行该预见性的数组分析。

1.3由此得出的各超越边值必要的制动斜面作为参数分配给每个被分析的控制数组。

1.4在进行速度预定时，根据实际预给定的当前的超越在所求出的参数之间进行插值并由此确定出为防止过快地运行到接续的控制数组所需的实际的数组结尾速度。

本发明的第一个有益的设计在保持功效不变的情况下将预见性读出的控制数组的数量限定在有意义的量值上，其特征为：

2.1将预见性待分析的控制数组的数量分别增加一个数组，对该数组进行整理，然后从该重新编制的数组开始依次返回到已编制好的数组，直至由一个数组到另一个前置的数组出现相同的或低于用超越边值加权的编程的额定速度的速度并最后为此求出一制动斜面。

本发明的另一特别有益的特点在于，它可以与由使用者优先利用的超越范围适配。

3.1作为依据的超越边值的数量和值与所希望的超越范围适配。

本发明的另一特别有益的特点是，利用了已在特征1.1至1.4中进行的计算和由此求出的结果，具体推荐一个对于速度控制有意义的超越值用于调整。其特征为：

4.1根据诸如轨迹加速度、冲击限制和数组长度等预定的权限条件，速度控制自动地确定出对于预见性的数组分析最有意义的、最低的超越值，根据此超越值可将目前的制动到所希望的接续的控制数组推进上。

4.2仅对那些大于或等于最有意义的最低的超越值的超越边值求出必要的制动斜面。

本发明另一特别有益的特点是，扩展了适用性并随之提高了灵活性，具体地它允许在本发明方法中运用不同方式的推进预定。其特征为：

5.1本方法除了以推进预定作为推进速度外，还以推进预定作为旋转预定P，其中，在参数化的超越边值中还同时考虑了可能的主轴回转速度范围。

5.2对实际给出的超越值用实际转速和额定转速的系数进行修正。

用于实施本发明方法的一种有益的装置的特征在于：该装置用简单的方法即可以有效地加以实现。该装置具有如下特征：

6.1该装置包含有一种用于预见性数组分析的预处理单元，数组数据和机械数据被输送给该预处理单元，

6.2参数化的超越边值存贮在一数据存贮器中并被提供给用于预见性数组分析的预处理单元，

6.3在另一数据存贮器中存贮有由预处理单元为预见性数组分析求出的制动斜面，用于一定数量的接续的控制数组的多个超越边值，

6.4超越调节器的实际超越值被输送给在该数据存贮器后的插入器，根据数据存贮器、数量的超越值插入一与实际超越值相适合的制动斜面。

本发明实现的优点尤其在于，在任何时候采用任意的超越值时，例如在数字控制中，作为依据的子程序进行期间，可充分利用所采用的电气驱动的效能并且特别可靠地工作。不仅对一个接续的控制数组，而且对多个接续的控制数组可进行预见性的数组分析。另外不仅对额定速度断面图，而且也对多个超越值可进行该预见性数组分析。另外用本发明可以特别有效和以低费用实现所述的优点。

                        附图说明

以下将结合附图中所示的实施例详细说明本发明。附图中：

图1是针对多个不同超越值的控制数组的速度曲线和由此决定的相应求出的制动断面图的曲线，

图2是用于任意超越范围的数组搭接速度控制的数字控制电路框图。

                       具体实施方式

在图1中示出一曲线，该曲线说明了有关十个用于各种调节的超越范围的控制数组的编程速度过程。在横坐标上的是在轨迹长度B上的各控制数组N1...N10，从坐标表示速度变化，其中X维的机械轴示范性地由其它采用的机械轴中选出。为了易读起见制动路程可以用线性表示，故速度变化V² _x，用平方表示。速度变化以超越值100％的编程额定速度断面图的形式通过以一条边线形式以曲线K100％示出。速度曲线K141％以虚线曲线形式示出超越为141％的相同变化。K70％示出超越较少的、这里示范性地同超越70％表示第三条速度曲线，并用一条点划线示出。示范性地对速度进行不受某观察的超越值影响地控制，使该速度从数组N1至N3保持恒定不变，从数组N4至N6在较低的值同样保持恒定不变，从数组N7至N9同样用较低的速度值保持恒定不变并且最后在数组N10处再次继续下降。所述速度分段分别与某数组相关进行标示，在该数组上将开始下一个恒定的速度段。对于超越100％的编程额定速度变化分别是速度V1K 100％、V4K 100％、V7K 100％、V10K 100％。对于另外两个观察的超越值，例如对于较大的超越141％用V1K 141％、V4K 141％、V7K 141％、V10K 141％标示所示的速度变化，对于较小的超越的速度变化用V1K 70％、V4K 70％、V7K 70％和V10K 70％标示。对分别加以观察的速度变化的超越值的必要的制动斜面用下降的线段表示。其中为了更为形象地表示，涉及的是一种特殊情况，在此情况时对所有的速度都用相同的加速度制动。但这并不是限定条件，因为实践中依照本发明对每个数组都会产生另外的加速度。

图2中示出实现一种实施本发明方法的装置的框图。其中，控制数据SD到达一用于预见性数组分析VSA的预处理单元。在数据存贮器OVEW内存贮的超越边值及机械数据MD被输送给预处理单元，所述机械数据包含有诸如最大允许轨迹速度V_max和最大允许轨迹加速度a_max等权限条件。在进行预见性分析的数组分析VSA的预处理单元中一方面求出预见性分析数据组N1...N10的信息并存储在数据存储器P1中并且另一方面对预见性分析持续数组N1...N10的每个在OVEW含有的超越边值求出尽可能短的制动斜面BR并存储在另一个数据存贮器P2内。来自数据存贮器P1的经分析的数组N1...N10通过一数据母线B1到达中央控制单元ZS。制动斜面信息BR通过另一数据母线B2到达插入单元I，而且一个或多个超越调节器OVR的当前超越-实际值K_ist也到达插入单元。根据超越值K_ist将一与当前超越有关的制动斜面借助在另一数据存贮器P2的含有的数据插入到插入单元I中并通过由插入单元I接通的数据母线B2输送给中央控制单元ZS，同样可能的多个轴的超越-实际值K_ist也输送给中央控制单元。产生的每个轴的轴额定值由中央控制单元到达一相应的位置调节器LRx或LRy并由位置调节器到达电气驱动装置Ax或Ay。

为实现根据本发明所述的可以实现任意超越范围的数组搭接的速度控制，预见性地对控制数据组SD的读出也被分成两个范围，该读出用Lookahead加以标示。在开始阶段(也被称作制备)，对多个控制数组N1...N10的必要的制动要求地进行预见性分析。在第二个步骤中接着在考虑到当前超越的情况下进行用于数组结尾的，当前速度预定。由此在第一个步骤中进行预见性的数组分析，在该数组分析中将确定必要的制动要求，具体地，在待求出的制动段上产生诸如允许的轨迹加速度、轨迹速度、可能设定的返回限制和数组长度等所有的极限条件并且由此求出的最短的制动斜面BR构成极限条件。由于待求出的制动要求不仅仅是针对超越为K100％的额定速度断面图求出的，而且在任意超越范围内进行也应进行预见性数组分析，因此考虑了经调整的超越值对必要的制动要求的不同影响。所以求出的必要的制动要求不仅仅针对额定速度断面图K100％的超越，而且也针对其它参数化的超越边值。在所述的实施例中是超越K141％和超越K70％。但在实践中预给定一系列其它的超越边值，例如在50％、70％、100％、120％、141％等。覆盖的超越边值的标量分别取决于应用情况和有待于实现的精度。其中超越边值的数量和值可与控制者所希望的超越范围适合。为求出必要的制动要求，将分别对顺接的数组进行分析和改变。接着将分别对如此之多的前置的控制数组进行读出，直至某当前的改变过的数组与前置的数组比较时找到大小相同的或低于瞬时观察的速度。该速度由与观察的超越边值K141％...K70％相乘的额定速度决定。根据分析后的数组数量，借助这些信息可求出制动斜面。

如果某“未来”的速度V_A小于在其前面的当前数组，或者如果超越K_AB很大，由于超越决定的速度与制动路程间的平方关系使另一个限制至关重要，具体地一个位于更远“未来”的数组的速度V_B将至关重要，则速度V_A对于当前数组中的数组尾部速度有重要意义。在这种情况时可能需要对已求出的制动斜面进行适配。此关系用下面的计算公式表示：

K_X ²V_A ²≤V_B ²-m_A(N_B-N_A)          (1)式中A＝接续的控制数组的开始，

B＝另一接续的控制数组的尾部，

V_A＝轨迹点A上的速度，

V_B＝轨迹点B上的速度，

m_A＝作为由A至B数组中极限条件的负的允许的轨迹加速度，

N_A＝在轨迹曲线上的接续的控制数组开始的位置，

N_B＝在轨迹曲线上的接续的控制数组尾部的位置，

K_X＝观察的超越边值。

为说明所采用的超越值的不同影响，根据超越系数解此计算公式。由此得出： ${K_X}^2\≤\frac{{V_B}^2-m_A(N_B-N_A)}{{V_{A2}}^2}---\left(2\right)$

如果各个待分析的超越边值满足该条件，当前数组尾部速度取决于其下一个控制数组的进入速度。反之，当前控制数组的下下个接续的控制数组的进入速度V_B决定当前控制数组的数组尾部速度。根据预见的数组搭接待读出的下一个接续的控制数组的数量检查超越边值是否符合上述条件。图1中，超越为K100％的编程额定速度曲线清楚说明了上述第一种情况，其中由下一个接续的控制数组A的进入速度得出一当前控制数组的数组尾部速度。例如在控制数组N6中的制动斜面BRv7K100％的变化由接在瞬时速度v4K100％后面的速度v7K100％决定。这是因为对于100％的超越可以将表示极限条件的在数组N6内的最短的制动斜面BRv7K100％减速到接在其后的数组N7的进入速度。这一关系可参见刚刚引用的制动斜面的附图。如果观察超越为K141％时的速度变化，则情况不同。这时以速度v4K 141％为基础的制动斜面BRv10K 141％的变化不是由在接续的控制数组N7中出现的速度变化v7K 141％决定的，而是由位于更远的“未来”的接续的控制数组N10的进入速度决定的。这是由于在对应于额定速度断面图设定的较高的超越，例中为K141％时，用速度v7K 141％运行的控制数组N7、N8和N9的轨迹长度不足以在以允许的轨迹加速度作为基础的情况下减速到控制数组N10中需要的进入速度V10K 141％，该进入速度与作为数组N9的数组尾部速度的预定值V10K 141％相符。

此关系在超越值K100％的编程额定速度变化时的情况是不同的。由于运行的速度较小，故减速所需的制动路程(该制动路程与速度成平方关系)相应较短，因而可以直接由v7K 100％减速到v10K 100％，据此超越的选择单方面决定着。当前开始运行的数组的有待确定的数组尾部速度以哪个预见分析的控制数组为基准。出于此原因依照本发明不仅要求出对于额定速度断面图所需的制动要求，还要求出对于多个参数化的超越边值所需的制动要求。

按下式求出对于某超越边值所需的制动斜面，其中在此例中出于简单起见仅对两个接续的控制数组进行了预见分析。

V_A ²＝-m_A(N_B-N_A)-m_B(N_C-N_B)                   (3)式中A、B、C＝顺接的数组

m_i＝数组i中的负增量或负加速度

N_i＝在轨迹长度上的数组i的始点。

对负增量采用下式：

m_i＝-2a_i                                    (4)则得出计算公式：

V_A ²＝2a_A(N_B-N_A)+2a_B(N_C-N_B)                  (5)采用标准加速度a，则

a_i＝P_ia                                     (6)由此得出计算公式：

V_A ²＝2P_Aa(N_B-N_A)+2P_Ba(N_C-N_B)                (7)为明了起见，在图1中以线性表示制动斜面，用下式对所述计算公式标准化：

(N_B-N_A)＝I/P_i(N_B-N_A)                   (8)

由此得出的对于某超越边值K141％、K70％等所需的制动斜面，作为参数以支点形式提供给每个数组N1...N10。

在本发明的第二阶段，即真正的主过程中，实现任意超越范围的预见性数组分析，在这一阶段，在数组尾部进行当前速度预定时，在考虑到当前超越值的情况下，根据实际预定的超越值K_ist在存贮的超越边值的制动斜面的参数之间进行插入并确定出所需的数组尾部速度，该速度保证了不会过快地运行到接续的控制数组。根据下面的计算公式进行插入： $\frac{({k_{\mathrm{ist}}}^2-k100{\%}^2)\·({v_{X+1}}^2-v100{\%}^2)}{({k_{X+1}}^2-k100{\%}^2)}+v100{\%}^2={V_{\mathrm{ist}}}^2---\left(9\right)$ 控制系统根据允许的轨迹加速度、轨迹速度以及数组长度自动确定出最有意义的、最低的超越值K_min，即一个超越值，根据其通过数组可以制动到所希望的接续的控制数组推进。由于较小的超越值通常不需要预见性的数组分析，所以仅在必要时才求出制动斜面。当前超越值K_ist大于或等于最有意义最低的超越值K_min时，就是此情况。由于并不是对所有的、由使用者参数化的角值都进行考虑，而仅对那些对求制动斜面BR有必要的角值加以考虑，这样在就促使在改变上赢得了时间。如果编程的一直是相同的推进，则对制动斜面的考虑产生的仅是不太大的附加花费。

如果在参数化的超越边值中考虑可能的主轴转速范围，则也可以用作为旋转推进的推进预给定替代作为推进预给定的推进速度，实施上述方法。为此将转速转换成系数，该系数由实际转速n_ist和在数组SD中编程的额定转速n100％的比例构成，以例在此也可用根据上述方法求出的制动斜面BR进行工作。对实际存在的超越值K_ist将根据下述计算公式用所求出的系数进行修正： $k_{\mathrm{korr}}=K_{\mathrm{ist}}\text{\·}\frac{n_{\mathrm{ist}}}{n100\%}---\left(10\right)$

在一种可能的用于实施所述本发明方法的装置中，参数化的超越边值K141％...K70％被存贮在数据存贮器OVEW中并输送给用于预见性数组分析VSA的预处理单元。另外诸如最大允许的轨迹速度V_max和轨迹加速度a_max等机械数据MD也提供给用于预见数组分析VSA的预处理单元，这些机械数据构成极限条件，该极限条件构成在用于预见性数组分析VSA的预处理单元中有待求出的必要的制动要求。其中也可以对来自例如冲击限制措施的值加以考虑。利用这些信息在用于预见性数组分析VSA的预处理单元中，根据等式(3)至(8)对多个接续的控制数组N1...N10预见性地求出对存贮在OVEW中的超越边值必要的制动斜面BR并存贮在数据存贮器P2中。此外，用于预见性数组分析VSA的预处理单元还可以承担对分析过的数组SD进行预处理的其它功能，例如在此处就计算出重要的轨迹参数。采用此方式求出的分析后的接续的控制数组N1...N10的数据(这些接续的控制数组的数量视应用情况而不同并且通常在5至50个数组范围内)被存贮在另一数据存贮器P1中。数据由此处经数据母线B1被输送给中央控制单元ZS，以便继续进行处理。在特殊情况时，如果编程额定速度断面图的支点与用在其上的制动斜面存贮在一起，则经预处理的轨迹参数和求出的制动斜面也可以存贮在唯一一个数存贮器中。在紧上面所述的实施例中，仅将求出的必要的制动斜面BR经第二条数据母线B2被输送给插入单元I。可能存在的实际调整的一个或多个超越调节器OVR的超越值K_ist也被输送给插入单元I。在图1的框图中出于易读起见仅示出一个超越调节器OVR。根据超越值K_ist在插入单元I中在存贮在另一数据存贮器P2中的后续出现的制动斜面BR之间进行插入。用此方式为预见性分析的数组N1...N10求出的制动变化通过由插入单元I接通的数据母线B2同样被输送给中央控制单元ZS，在该处根据上述计算公式(1)和(2)求出必要的数组尾部速度。另外，可能存在的当前超越一实际值K_ist也被输送给中央控制单元ZS。最后在中央控制单元ZS产生用于控制待运动轴的轴额定值。在X向和Y向两个轴的情况下，轴额定值分别被输给一个位置调节器LRx和LRy并由此处被输送给相应的电气驱动装置Ax及Ay。

Claims (6)

1.用于对电气驱动装置进行预见性的、以数组搭接方式工作的速度控制的方法，其特征在于：

1.1在对用于可靠的降低到编程的推进所需的多个接续的控制数组(N1...N10)的制动要求进行预见性的判断和分析时，形成包括必要的制动段上的允许的轨迹加速度(a_max)、冲击限制和数组长度的极限条件(MD)，从而用某最短的求出的制动斜面(BR)表示极限条件，

1.2针对多个可参数化的超越边值(OVEW，K141％...K70％)进行该预见性的数组分析，

1.3由此得出的针对某些超越边值必要的制动斜面(BR v4K 141％…BRv10K 70％)作为参数被分配给每个被分析的数组(N1...N10)，

1.4在进行速度预定时，根据实际预给定的当前超越值(K_ist)在所求出的参数(BRv4K141％...BRv10K 70％)之间进行插值并由此确定为防止过快地运行到接续的控制数组所需的实际的数组尾部速度。

2.依照权利要求1所述的方法，其特征在于：

2.1对预见性待分析的控制数组(N1...N10)的数量分别增加一个数组，对该数组进行整理，然后从该新编制的数组开始依次返回到编制好的数组，直至由一个数组到另一个前置的数组出现相同的或低于用超越边值(K141％...K70％)加权的编程的额定速度的速度并最后求出一制动斜面。

3.依照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

3.1作为依据的超越边值(OVEW，K141％...K70％)与所希望的超越范围适配。

4.依照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

4.1根据包括轨迹加速度、冲击限制和数组长度的预定的数限条件(MD)，速度控制自动地确定出对于预见性数组分析最有意义的、最低的超越值(K_min)，根据此超越值可将目前的数组制动到所希望的接续的控制数组推进上，

4.2仅对那些大于或等于最有意义的、最低的超越值(K_min)的超越值(OMEW，K141％...K70％)求出必要的制动斜面。

5.依照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

5.1本方法除了以推进预定作为推进速度外，还以推进预定作为旋转预定，其中，在参数化的超越边值(OVEW，K141％...K70％)中，还同时考虑了可能的主轴回转速度范围，

5.2对实际给出的超越值(K_ist)用实际转速(n_ist)和额定转速(n_soll)的系数进行修正。

6.一种用于实施依照权利要求1或2所述方法的装置，其特征在于：

6.1该装置包含有一个用于预见性数组分析(VSA)的预处理单元，数组数据(SD)和机械数据(MD)被输送给该预处理单元，

6.2参数化的超越边值被存贮在一数据存贮器(OVEW)中并被提供给用于预见性数组分析(VSA)的预处理单元，

6.3在另一数据存贮器(P2)中存贮有由预处理单元为预见性数组分析(VSA)求出的制动斜面(BR)，用于一定数量的接续的控制数组的多个超越边值，

6.4超越调节器(OVR)的实际超越值(K_ist)被输送给在该另一数据存贮器(P2)后面的插入器(I)，根据该另一数据存贮器(P2)数据的实际超越值插入一个与实际超越值(K_ist)相适合的制动斜面。

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