CN112511043A - 一种基于重复运动多轴控制的同步控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于重复运动多轴控制的同步控制系统及方法，具备同步性能好、可靠性高、通用性好等特点。本发明通过内部总线下发时标，在时标间隔内驱动装置采用自身时标，以此来保障驱动装置的时标统一，保障同步性；本发明采用固定时刻计算相位偏差，降低计算量；本发明通过调整下发指令的相位差来改善驱动装置最终运行的相位差，提高控制装置的同步性。本发明通过内部总线与驱动装置进行连接，其可以同步的驱动装置数量由内部总线通讯速度及数量确定，可以挂接多个驱动装置。本发明易于实现，同时驱动模块的数据均上传总线，同步控制装置通过总线将数据进行存储记录，后期通过外部接口传出。

Description

一种基于重复运动多轴控制的同步控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于重复运动多轴控制的同步控制系统及方法，具备同步性能好、可靠性高、通用性好等特点。

背景技术

在一系列水下仿生项目中，重复运行是保障潜航器运行的动力，而电机之间的相位角是保障潜航器的稳定推力，为此需要对多个电机进行同步控制，在以往的控制中，通常通过上位机直接下发舵角指令，各个电机根据指令进行摆动，由于电机控制总是滞后于角度调整，使得电流变化率较大，其难以保障驱动装置平稳运行，也不能保障相角的恒定偏差；目前也有控制与驱动一体化设计考虑，并自身产生指令，这样的好处在于同步性能强，而且运行电流较为平稳，自身轨迹平稳，但其带来的问题也较为突出，其所需要集中的空间尺寸，这对于仿生装置而言是很难实现的；另一种方案，将控制器与驱动器分散布置，满足装置自身的空间要求，由控制器转换上一级指令，并同步下发指令，驱动装置安装自身时标进行指令合成，短时运行其同步问题不明显，但长时运行时，不同驱动器时标所带来的同步误差，以及滞后角度如何消减并没有提出更好的措施。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于重复运动多轴控制的同步控制系统及方法，应用于仿生类推进装置的场合，具备同步性能好、可靠性高、通用性好的特点。

本发明的技术解决方案是：一种基于重复运动多轴控制的同步控制系统，包括同步控制器和若干伺服执行机构：

所述同步控制器用于接收上位机控制指令，并从中提取指令关键字；同时向伺服执行机构发送同步时标；向伺服执行机构发送启控指令，控制伺服执行机构开始摆动；并根据指令关键字实时向伺服执行机构发送控制指令；同时根据伺服执行机构反馈的相应参数与计算滞后角度，将滞后角度与控制指令中预设滞后角度进行比较，若比较差值不满足要求，则根据比较差值对控制指令中的预设滞后角度进行更新，使伺服执行机构的相位差达到预设值要求；

所述伺服执行机构接收同步时标，实现对自身内部时标的修正，以及各伺服执行机构的时间同步；实时接收控制指令，若有控制指令更新则进行相应运动切换，同时实时记录并反馈伺服执行机构驱动装置的相应参数。

进一步地，所述计算滞后角度的方法：

首先定义相位偏差量为

其中，A_i为幅值，ω为角频率，Φ为初始相位，Φi为滞后相位、β_i为偏置角度；

当

时，

n为不小于0的整数；

在t₀时刻，由Δe计算得出偏差相位值。

进一步地，更新后的预设滞后角度为φ_i0＝φ_i-K_CΔe；其中，φ_i0是更新后的预设角度值，φi是初始的预设角度值，Kc是角度调整系数，Δe是计算得出的偏差相位值。

进一步地，所述指令关键字包括幅值A、角频率ω、初始相位Φ、滞后相位Φi和偏置角度β。

进一步地，所述同步控制器包括RAM模块；所述RAM模块用于存储伺服执行机构的运行状态参数，以及伺服执行机构实时反馈的滞后角度；所述同步控制器与外部通信的接口为以太网接口，用于实现RAM模块与外部的数据交换。

根据所述的一种基于重复运动多轴控制的同步控制系统实现的一种基于重复运动多轴控制的同步控制方法，包括如下步骤：

接收上位机控制指令，并从中提取指令关键字；

向伺服执行机构发送同步时标；伺服执行机构接收同步时标，实现对自身内部时标的修正，以及各伺服执行机构的时间同步；

向伺服执行机构发送启控指令，控制伺服执行机构开始摆动；

根据指令关键字实时向伺服执行机构发送控制指令；

伺服执行机构实时接收控制指令，若有控制指令更新则进行相应运动切换，同时实时记录并反馈伺服执行机构驱动装置的相应参数；

根据伺服执行机构反馈的相应参数与计算滞后角度，将滞后角度与控制指令中预设滞后角度进行比较，若比较差值不满足要求，则根据比较差值对控制指令中的预设滞后角度进行更新，使伺服执行机构的相位差达到预设值要求。

进一步地，所述计算滞后角度的方法：

首先定义相位偏差量为

其中，A_i为幅值，ω为角频率，Φ为初始相位，Φi为滞后相位、β_i为偏置角度；

当

时，

n为不小于0的整数；

在t₀时刻，由Δe计算得出偏差相位值。

进一步地，更新后的预设滞后角度为φ_i0＝φ_i-K_CΔe；其中，φ_i0是更新后的预设角度值，φi是初始的预设角度值，Kc是角度调整系数，Δe是计算得出的偏差相位值。

进一步地，所述指令关键字包括幅值A、角频率ω、初始相位Φ、滞后相位Φi和偏置角度β。

进一步地，所述伺服执行机构的运行状态参数，以及伺服执行机构实时反馈的滞后角度存储于RAM模块；RAM模块与外部的数据交换通过以太网接口实现。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明通过内部总线下发时标，在时标间隔内驱动装置采用自身时标，以此来保障驱动装置的时标统一，保障同步性；

2、本发明采用固定时刻计算相位偏差，降低计算量；

3、本发明通过调整下发指令的相位差来改善驱动装置最终运行的相位差，提高控制装置的同步性。

4、本发明通过内部总线与驱动装置进行连接，其可以同步的驱动装置数量由内部总线通讯速度及数量确定，可以挂接多个驱动装置。

5、本发明易于实现，同时驱动模块的数据均上传总线，同步控制装置通过总线将数据进行存储记录，后期通过外部接口传出。

附图说明

图1为本发明同步控制装置内部构成示意图；

图2为本发明同步控制系统组成示意图；

图3为本发明相位差修改示意图；

图4为本发明同步控制流程图；

图5为本发明驱动装置控制流程图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于重复运动多轴控制的同步控制系统及方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)：

同步控制系统由同步控制装置与相应的驱动模块组成，驱动模块完成机构的驱动，同步控制装置实现指令的同步以及相位差的保障。

在本申请实施例所提供的方案中，同步控制装置由壳体、控制板、接口板及内部线缆组成。控制板主要包含DSP及外围电路、逻辑处理电路、以太网接口电路、外部存储接口电路、CAN接口电路、RS485接口电路等，完成与上位机及驱动装置的通讯；电源板由电源滤波电路、电源变换电路、接口电源电路等组成，完成控制板相应电路的供电功能。

在一种可能实现的方案中，同步控制装置与驱动模块的连接关系如图所示，同步控制装置完成各个驱动模块信号的处理及指令的下发，驱动模块完成对各个执行机构的控制。其连接关系如图1所示，同步控制装置通过内部总线完成和各个驱动模块的连接。

进一步，在一种可能实现的方案中，在内部总线上，同步控制装置通过下发时标完成各个驱动模块的时标统一。在驱动装置内部，其在同步时标间隔采用自身时标，以此完成指令的时标统一。与此同时，同步控制装置通过总线下发各个驱动装置的指令参数，其中包含幅值A、角频率ω、初始相位Φ、滞后相位Φi、偏置角度β。(其指令为y＝Asin(ωt+φ+φ_i)+β)

在一种可能实现的方案中，同步其关键在于计算滞后角度，即相位偏差。定义相位指标参数e：

当ωt+φ_i＝2nπ(n＝0,1,2....)时，即

时，

当sinφ_i实测>sinφ_i指令时，调整给i驱动装置的相位指令φ_i指令，使驱动装置的同步滞后角度有所降低，起到改善的作用，调整可以参照如图所示：

进一步，本发明同步控制系统如图2所示，其同步控制流程如图4，驱动装置相应的控制流程如图5所示：

1、同步控制装置接收上位机指令；

2、同步控制装置发送指令关键字，与此同时发送同步时标，驱动装置通过同步时标与内部时标形成指令时标；

3、同步控制装置发送启控指令，各个驱动装置驱动机构开始摆动，在此期间驱动装置查询指令更新，若有更新则更新指令，完成运动的切换。

4、同步控制装置在T＝t₀时刻，记录驱动装置的相应参数，并由公式计算得到滞后角度；

5、滞后角度与指令相位差进行比较，若不满足要求，调整指令下发相位差，使得同步滞后角度减少，以此保障驱动装置的相位差，满足长时可靠运行要求。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于重复运动多轴控制的同步控制系统，其特征在于：包括同步控制器和若干伺服执行机构：

所述同步控制器用于接收上位机控制指令，并从中提取指令关键字；同时向伺服执行机构发送同步时标；向伺服执行机构发送启控指令，控制伺服执行机构开始摆动；并根据指令关键字实时向伺服执行机构发送控制指令；同时根据伺服执行机构反馈的相应参数与计算滞后角度，将滞后角度与控制指令中预设滞后角度进行比较，若比较差值不满足要求，则根据比较差值对控制指令中的预设滞后角度进行更新，使伺服执行机构的相位差达到预设值要求；

所述伺服执行机构接收同步时标，实现对自身内部时标的修正，以及各伺服执行机构的时间同步；实时接收控制指令，若有控制指令更新则进行相应运动切换，同时实时记录并反馈伺服执行机构驱动装置的相应参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于重复运动多轴控制的同步控制系统及方法，其特征在于：所述计算滞后角度的方法：

首先定义相位偏差量为

其中，A_i为幅值，ω为角频率，Φ为初始相位，Φi为滞后相位、β_i为偏置角度；

当

时，

n为不小于0的整数；

在t₀时刻，由Δe计算得出偏差相位值。

3.根据权利要求1所述的一种基于重复运动多轴控制的同步控制系统及方法，其特征在于：更新后的预设滞后角度为φ_i0＝φ_i-K_CΔe；其中，φ_i0是更新后的预设角度值，φ_i是初始的预设角度值，Kc是角度调整系数，Δe是计算得出的偏差相位值。

4.根据权利要求1所述的一种基于重复运动多轴控制的同步控制系统及方法，其特征在于：所述指令关键字包括幅值A、角频率ω、初始相位Φ、滞后相位Φi和偏置角度β。

5.根据权利要求1所述的一种基于重复运动多轴控制的同步控制系统及方法，其特征在于：所述同步控制器包括RAM模块；所述RAM模块用于存储伺服执行机构的运行状态参数，以及伺服执行机构实时反馈的滞后角度；所述同步控制器与外部通信的接口为以太网接口，用于实现RAM模块与外部的数据交换。

6.根据权利要求1所述的一种基于重复运动多轴控制的同步控制系统实现的一种基于重复运动多轴控制的同步控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收上位机控制指令，并从中提取指令关键字；

向伺服执行机构发送同步时标；伺服执行机构接收同步时标，实现对自身内部时标的修正，以及各伺服执行机构的时间同步；

向伺服执行机构发送启控指令，控制伺服执行机构开始摆动；

根据指令关键字实时向伺服执行机构发送控制指令；

伺服执行机构实时接收控制指令，若有控制指令更新则进行相应运动切换，同时实时记录并反馈伺服执行机构驱动装置的相应参数；

根据伺服执行机构反馈的相应参数与计算滞后角度，将滞后角度与控制指令中预设滞后角度进行比较，若比较差值不满足要求，则根据比较差值对控制指令中的预设滞后角度进行更新，使伺服执行机构的相位差达到预设值要求。

7.根据权利要求6所述的一种基于重复运动多轴控制的同步控制方法，其特征在于：所述计算滞后角度的方法：

首先定义相位偏差量为

其中，A_i为幅值，ω为角频率，Φ为初始相位，Φi为滞后相位、β_i为偏置角度；

当

时，

n为不小于0的整数；

在t₀时刻，由Δe计算得出偏差相位值。

8.根据权利要求6所述的一种基于重复运动多轴控制的同步控制方法，其特征在于：更新后的预设滞后角度为φ_i0＝φ_i-K_CΔe；其中，φ_i0是更新后的预设角度值，φ_i是初始的预设角度值，Kc是角度调整系数，Δe是计算得出的偏差相位值。

9.根据权利要求6所述的一种基于重复运动多轴控制的同步控制方法，其特征在于：所述指令关键字包括幅值A、角频率ω、初始相位Φ、滞后相位Φi和偏置角度β。

10.根据权利要求6所述的一种基于重复运动多轴控制的同步控制方法，其特征在于：所述伺服执行机构的运行状态参数，以及伺服执行机构实时反馈的滞后角度存储于RAM模块；RAM模块与外部的数据交换通过以太网接口实现。

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