CN113342081B - 一种伺服电机加减速控制方法 - Google Patents

一种伺服电机加减速控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效的伺服电机加减速控制方法。本发明提出的算法保持了S曲线的优点，可以避免对电机的柔性冲击、速度平滑、精度高。同时也改善了S曲线的缺点，即算法复杂、启动停止时间长。和单一S曲线相比，本发明提出的算法更简单，实现更容易，并且启动、停止时间相对更短。更加满足数控机床对加工精度和效率的要求。通过图3，可以直观的看出本发明提出的算法可以控制电机更快地达到目标速度，具有更高的动态响应。

Description

一种伺服电机加减速控制方法
技术领域
本发明涉及控制技术领域，具体为一种伺服电机加减速控制方法。
背景技术
交流伺服电机由于其结构简单、成本较低、体积小、输出功率高、动态响应好、控制精度高等特点，广泛应用于现代数控机床控制领域。
数控机床使用过程中，为了实现提高加工精度与效率，对伺服电机控制器的加减速控制提出较高要求。一方面希望伺服电机反应快，可以在极短时间内达到目标速度。另一方面，也要避免由于加速度过大而造成电机堵转或丢步，以确保其加工过程的稳定性。
目前主流的加减速控制算法有直线型、S曲线加减速。两种算法的优缺点如下表所示。
本发明提出了一种新型加减速算法，既可以避免对电机的柔性冲击、保证速度变化平滑与高精度，也可以降低算法的复杂度，减少启动停止时间。在保证电机加工精度的前提下，大大提高了其动态响应性能，提高了工作效率。
发明内容
一种伺服电机加减速控制方法，
加减速曲线由五段构成,采用加速与减速对称曲线实现加减速控制,分别为S曲线缓加速段、抛物线快加速段、稳速段、抛物线快减速段、S曲线缓减速段，其各段具体控制算法如下所示。
(1)S曲线缓加速段t∈[0-TA)
该段为保护电机，避免对电机的柔性冲击，防止电机堵转，采用S曲线进行缓加速控制。加速度缓慢变大。公式如式(1)所示。
其中，fs为起始频率。k为比例增益，用于调节加速度变化折点。SFSEK为速度S曲线的时间常数，用于控制加速度变化幅度。ICRLOS为速度环积分时间常数偏置值，用于控制电机启动停止时，加速度变化的缓慢程度。
(2)抛物线快加速段t∈[TA-TB)
该段为控制速度迅速提升到目标频率，采用抛物线进行速度控制。稳步控制加速度，使得速度快速提升至目标频率。公式如式(2)所示。
其中，快加减速段焦点P，快加减速段系数a、b，决定抛物线开口大小及高度，即控制加速度大小，时间节点TA、TB，在该段结束，抛物线达到顶点，同时速度达到目标频率fM。
(3)稳速段t∈[TB-TC)
该段速度稳定，电机保持目标频率fM持续工作。
(4)抛物线快减速段t∈[TC-TD)
该段为控制速度快速下降，和快加速段对称，仍采用抛物线进行速度控制。稳步控制加速度，使得速度快速下降。公式如式(3)所示。
其中，快加减速段焦点P，时间节点TA、TB，决定抛物线开口大小及高度，即控制加速度大小，TA、FA为A点对应的时间和频率，TB和TC为B点和C点所对应时间。
(5)S曲线缓减速段t∈[TD-TE]
该段为避免电机堵转，控制速度略缓下降，和缓加速段对称，仍采用S曲线进行速度控制。稳步控制加速度，使得速度略缓下降。公式如式(4)所示。
其中，fe为截止频率。k为比例增益，用于调节加速度变化折点。SFSEK为速度S曲线的时间常数，用于控制加速度变化幅度。ICRLOS为速度环积分时间常数偏置值，用于控制电机启动停止时，加速度变化的缓慢程度。TD和FD为D点所对应的时间和频率。
采用上述曲线进行电机加减速控制，可避免对电机的柔性冲击、保证速度平滑、精度高。同时也节省了加减速时间。控制流程图如图2所示，具体步骤如下：
(1)设置起始频率(fs)
(2)设置缓加减速段曲线比例增益(k)
(3)设置缓加减速段曲线时间常数(SFSEK)
(4)设置缓加减速段曲线速度环积分时间常数偏置值(ICRLOS)
(5)设置快加减速段焦点(P)
(6)设置快加减速段系数(a、b)
(7)设置时间节点(TA、TB)
(8)设置目标频率(fM)
(9)设置截止频率(fe)
(10)判断是否启动，如果启动，即刻进入步骤(11)，否则继续等待。
(11)基于上述设置，通过缓加速段曲线公式进行速度计算。
同时，算出FA值。f为当前工作频率，时间节点TA、TB，TD为D点的时间，FD为D点的工作频率；
(12)判断时间是否到达TA，如果已到达，则进入步骤(13)，否则返回步骤(11)。
(13)通过快加速段曲线公式进行速度计算。
(14)判断时间是否到达TB，如果已到达，则进入步骤(15)，否则返回步骤(13)。
(15)进入稳速段，保持目标频率fM不变。
(16)判断是否停止，如果停止，当前时间定为TC，并进入步骤(17)，否则返回步骤(15)。
(17)通过快减速段曲线公式进行速度计算。
同时，算出TD、FD值。
(18)判断时间是否到达TD，如果已到达，则进入步骤(19)，否则返回步骤(17)。
(19)通过缓减速段曲线公式进行速度计算。
(20)判断频率是否到达截止频率fe，如果已到达，则结束本次控制，否则返回步骤(19)。
本发明有益效果：本发明提出的算法保持了S曲线的优点，可以避免对电机的柔性冲击、速度平滑、精度高。同时也改善了S曲线的缺点，即算法复杂、启动停止时间长。和单一S曲线相比，本发明提出的算法更简单，实现更容易，并且启动、停止时间相对更短。更加满足数控机床对加工精度和效率的要求。通过图3，可以直观的看出本发明提出的算法可以控制电机更快地达到目标速度，具有更高的动态响应。
附图说明
图1本发明加减速曲线。
图2本发明加减速控制流程图。
图3是本发明曲线与单一S曲线加减速对比。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-，本发明提供一种技术方案：
加减速曲线由五段构成,采用加速与减速对称曲线实现加减速控制,分别为S曲线缓加速段、抛物线快加速段、稳速段、抛物线快减速段、S曲线缓减速段，其各段具体控制算法如下所示。
(6)S曲线缓加速段t∈[0-TA)
该段为保护电机，避免对电机的柔性冲击，防止电机堵转，采用S曲线进行缓加速控制。加速度缓慢变大。公式如式(1)所示。
其中，fs为起始频率。k为比例增益，用于调节加速度变化折点。SFSEK为速度S曲线的时间常数，用于控制加速度变化幅度。ICRLOS为速度环积分时间常数偏置值，用于控制电机启动停止时，加速度变化的缓慢程度。
(7)抛物线快加速段t∈[TA-TB)
该段为控制速度迅速提升到目标频率，采用抛物线进行速度控制。稳步控制加速度，使得速度快速提升至目标频率。公式如式(2)所示。
其中，快加减速段焦点P，快加减速段系数a、b，决定抛物线开口大小及高度，即控制加速度大小，时间节点TA、TB，在该段结束，抛物线达到顶点，同时速度达到目标频率fM。
(8)稳速段t∈[TB-TC)
该段速度稳定，电机保持目标频率fM持续工作。
(9)抛物线快减速段t∈[TC-TD)
该段为控制速度快速下降，和快加速段对称，仍采用抛物线进行速度控制。稳步控制加速度，使得速度快速下降。公式如式(3)所示。
其中，快加减速段焦点P，时间节点TA、TB，决定抛物线开口大小及高度，即控制加速度大小，TA、FA为A点对应的时间和频率，TB和TC为B点和C点所对应时间。
(10)S曲线缓减速段t∈[TD-TE]
该段为避免电机堵转，控制速度略缓下降，和缓加速段对称，仍采用S曲线进行速度控制。稳步控制加速度，使得速度略缓下降。公式如式(4)所示。
其中，fe为截止频率。k为比例增益，用于调节加速度变化折点。SFSEK为速度S曲线的时间常数，用于控制加速度变化幅度。ICRLOS为速度环积分时间常数偏置值，用于控制电机启动停止时，加速度变化的缓慢程度。TD和FD为D点所对应的时间和频率。
采用上述曲线进行电机加减速控制，可避免对电机的柔性冲击、保证速度平滑、精度高。同时也节省了加减速时间。控制流程图如图2所示，具体步骤如下：
(1)设置起始频率(fs)
(2)设置缓加减速段曲线比例增益(k)
(3)设置缓加减速段曲线时间常数(SFSFK)
(4)设置缓加减速段曲线速度环积分时间常数偏置值(ICRLOS)
(5)设置快加减速段焦点(P)
(6)设置快加减速段系数(a、b)
(7)设置时间节点(TA、TB)
(8)设置目标频率(fM)
(9)设置截止频率(fe)
(10)判断是否启动，如果启动，即刻进入步骤(11)，否则继续等待。
(11)基于上述设置，通过缓加速段曲线公式进行速度计算。
同时，算出FA值。f为当前工作频率，时间节点TA、TB，TD为D点的时间，FD为D点的工作频率；
(12)判断时间是否到达TA，如果已到达，则进入步骤(13)，否则返回步骤(11)。
(13)通过快加速段曲线公式进行速度计算。
(14)判断时间是否到达TB，如果已到达，则进入步骤(15)，否则返回步骤(13)。
(15)进入稳速段，保持目标频率fM不变。
(16)判断是否停止，如果停止，当前时间定为TC，并进入步骤(17)，否则返回步骤(15)。
(17)通过快减速段曲线公式进行速度计算。
同时，算出TD、FD值。
(18)判断时间是否到达TD，如果已到达，则进入步骤(19)，否则返回步骤(17)。
(19)通过缓减速段曲线公式进行速度计算。
(20)判断频率是否到达截止频率fe，如果已到达，则结束本次控制，否则返回步骤(19)。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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 (5)

1.一种伺服电机加减速控制方法，其特征在于：包括如下步骤，
(1)设置起始频率fs，
(2)设置缓加减速段曲线比例增益k，
(3)设置缓加减速段曲线时间常数SFSEK，
(4)设置缓加减速段曲线速度环积分时间常数偏置值ICRLOS，
(5)设置快加减速段焦点P，
(6)设置快加减速段系数a、b，
(7)设置时间节点TA、TB，
(8)设置目标频率fM，
(9)设置截止频率fe，
(10)判断是否启动，如果启动，即刻进入步骤(11)，否则继续等待，
(11)基于上述设置，通过缓加速段曲线公式进行速度计算，
同时，算出FA值，f为当前工作频率，FA为A点的工作频率；
(12)判断时间是否到达TA，如果已到达，则进入步骤(13)，否则返回步骤(11)，
(13)通过快加速段曲线公式进行速度计算，
(14)判断时间是否到达TB，如果已到达，则进入步骤(15)，否则返回步骤(13)，
(15)进入稳速段，保持目标频率fM不变，
(16)判断是否停止，如果停止，当前时间定为Tc，并进入步骤(17)，否则返回步骤(15)，
(17)通过快减速段曲线公式进行速度计算，
同时，算出FD值，TD为D点的时间，FD为D点的工作频率；
(18)判断时间是否到达TD，如果已到达，则进入步骤(19)，否则返回步骤(17)，
(19)通过缓减速段曲线公式进行速度计算，
(20)判断频率是否到达截止频率fe，如果已到达，则结束本次控制，否则返回步骤(19)。
2.根据权利要求1所述的一种伺服电机加减速控制方法，其特征在于：
(12)步骤中：t∈[0-TA)，该段为保护电机，避免对电机的柔性冲击，防止电机堵转，采用S曲线进行缓加速控制，加速度缓慢变大，公式如式(1)所示，
其中，fs为起始频率，k为比例增益，用于调节加速度变化折点，SFSEK为缓加减速段曲线时间常数，用于控制加速度变化幅度，ICRLOS为速度环积分时间常数偏置值，用于控制电机启动停止时，加速度变化的缓慢程度。
3.根据权利要求1所述的一种伺服电机加减速控制方法，其特征在于：
(14)步骤中：该段为控制速度迅速提升到目标频率，采用抛物线进行速度控制，稳步控制加速度，使得速度快速提升至目标频率，公式如式(2)所示，
其中，快加减速段焦点P，快加减速段系数a、b，决定抛物线开口大小及高度，即控制加速度大小，时间节点TA、TB，在该段结束，抛物线达到顶点，同时速度达到目标频率fM。
4.根据权利要求1所述的一种伺服电机加减速控制方法，其特征在于：
(16)步骤中：t∈[TB-TC)，该段速度稳定，电机保持目标频率fM持续工作，
(17)步骤中：t∈[TC-TD)，该段为控制速度快速下降，和快加速段对称，仍采用抛物线进行速度控制，稳步控制加速度，使得速度快速下降，公式如式(3)所示，
其中，快加减速段焦点P，时间节点TA、TB，决定抛物线开口大小及高度，即控制加速度大小，TA、FA为A点对应的时间和频率，TB和TC为B点和C点所对应时间。
5.根据权利要求1所述的一种伺服电机加减速控制方法，其特征在于：t∈[TD-TE]，该段为避免电机堵转，控制速度略缓下降，和缓加速段对称，仍采用S曲线进行速度控制，稳步控制加速度，使得速度略缓下降，公式如式(4)所示，
其中，fe为截止频率，k为比例增益，用于调节加速度变化折点，SFSEK为缓加减速段曲线时间常数，用于控制加速度变化幅度，ICRLOS为速度环积分时间常数偏置值，用于控制电机启动停止时，加速度变化的缓慢程度，TD和FD为D点所对应的时间和频率。
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