CN115296784B - 伺服驱动器低延时同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于驱动器控制技术领域，具体涉及伺服驱动器低延时同步方法。所述方法执行以下步骤：步骤1：实时获取伺服驱动器的伺服运行数据，实时获取伺服电机的电机运行数据，将获取的电机运行数据和伺服运行数据实时发送至同步器；步骤2：同步器接收电机运行数据和伺服运行数据后，将接收到的电机运行数据转换为电机帧数据，将接收到的伺服运行数据转换为伺服帧数据，同时分别将伺服帧数据和电机帧数据按照设定的同步周期划分为多个子帧，并按照时间先后顺序。所述方法将伺服驱动器的数据和伺服电机的数据经过一个同步器进行数据合成后，设置同步标记，再进行分发后，伺服驱动器和伺服电机根据接收到的数据，进行循环时间解码，既降低了同步延时，也避免了同步带来的干扰。

Description

伺服驱动器低延时同步方法
技术领域
本发明属于驱动器控制技术领域，具体涉及伺服驱动器低延时同步方法。
背景技术
伺服驱动器(servo drives)又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位，是传动技术的高端产品。
现代数控系统通常采用数控装置负责计算、伺服驱动器负责执行的结构理念，二者间的总线数据交互不可避免地存在通信延时，尤其在高速进给的应用场合中，为了避免由通信延时引起的超调及控制精度降低的问题，需要有一种延时同步机制，以降低延时或者消除延时。
现有技术中，针对如何降低伺服驱动器的延时同步，主要采用基于双位置反馈控制架构的方法，建立含通信延时的全闭环伺服驱动系统模型的方法来实现。
而为了更好地对通信延时进行补偿，现有技术中使用了Smith预估补偿器，分析Smith预估补偿器在应用中存在的模型失配问题，在此基础上，总结模型误差来源。最后，结合扰动观测器理论，设计基于扰动观测器的通信扰动观测补偿策略，解决模型失配问题在通信延时补偿中的影响，提高延时补偿方法的适用性和简易性。虽然在一定程度上降低了复杂度，但该方法的复杂度依然不低。同时还存在延时降低效果差的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于伺服驱动器低延时同步方法，。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
伺服驱动器低延时同步方法，所述方法执行以下步骤：
步骤1：实时获取伺服驱动器的伺服运行数据，实时获取伺服电机的电机运行数据，将获取的电机运行数据和伺服运行数据实时发送至同步器；
步骤2：同步器接收电机运行数据和伺服运行数据后，将接收到的电机运行数据转换为电机帧数据，将接收到的伺服运行数据转换为伺服帧数据，同时分别将伺服帧数据和电机帧数据按照设定的同步周期划分为多个子帧，并按照时间先后顺序，以设定的间隔将伺服帧数据的子帧和电机帧数据的子帧进行基于时间循环的编码合并，得到合并帧数据，在合并帧数据上设置同步标记，然后将合并帧数据分别发送至伺服驱动器和伺服电机；
步骤3：伺服驱动器接收到合并帧数据后，根据设置的同步标记，将合并帧数据中的电机帧数据的子帧进行时间循环解码，完成同步；伺服电机接收到合并帧数据后，根据设置的同步标记，将合并帧数据中的伺服帧数据的子帧进行时间循环解码，完成同步。
进一步的，所述步骤2中在合并帧数据上设置同步标记的方法具体包括：在合并帧数据的伺服帧数据的子帧上设置第一类型同步标记，其中，所述合并帧数据包括N个子帧，N≥2；在所述合并帧数据的电机帧数据的子帧上设置第二类型同步标记，其中，所述电机帧数据的子帧中的每一个子帧与所述伺服帧数据的子帧中的一个子帧相关联，所述电机帧数据的子帧中的每一个子帧与关联的伺服帧数据的子帧中的子帧之间的子帧距离相等；所述伺服帧数据的子帧连续，和/或所述电机帧数据的子帧连续。
进一步的，所述子帧距离是基于循环前缀后的第一时间点确定的。
进一步的，所述合并帧数据的N个子帧中至少有一个子帧的循环前缀长度与所述合并帧数据中的其他子帧的循环前缀长度不同；所述伺服帧数据的子帧有相等的循环前缀长度，和/或所述电机帧数据的子帧有相等的循环前缀长度。
进一步的，所述步骤3中伺服驱动器接收到合并帧数据后，根据设置的同步标记，将合并帧数据中的电机帧数据的子帧进行时间循环解码的方法包括：根据设定的间隔确定所述合并帧数据中所述伺服帧数据的子帧的位置；然后根据同步标记，使用如下公式计算伺服帧数据的时间循环解码间隔：其中，DE为时间循环解码间隔；N为子帧数量；T为设定的间隔；L为循环前缀长度；D为电机帧数据的子帧中的每一个子帧与关联的伺服帧数据的子帧中的子帧之间的子帧距离；根据计算得到的时间循环解码间隔，进行时间循环解码。
进一步的，所述根据计算得到的时间循环解码间隔，进行时间循环解码的方法包括：对电机帧数据的子帧中的数据的起始数据开始解码，然后在间隔了时间循环解码间隔后，对后续数据进行解码，以此类推，当完成第一轮遍历完所有数据后，对没有进行解码的处于时间循环解码间隔内的数据进行第二轮遍历，以此类推，直到所有数据完成解码。
进一步的，当时间循环解码完成后，对解码后的数据按照顺序，进行拼接，完成同步。
进一步的，所述步骤3中伺服电机接收到合并帧数据后，根据设置的同步标记，将合并帧数据中的伺服帧数据的子帧进行时间循环解码的方法包括：根据设定的间隔确定所述合并帧数据中所述伺服帧数据的子帧的位置；然后根据同步标记，使用如下公式计算伺服帧数据的时间循环解码间隔：其中，DE为时间循环解码间隔；N为子帧数量；T为设定的间隔；L为循环前缀长度；D为电机帧数据的子帧中的每一个子帧与关联的伺服帧数据的子帧中的子帧之间的子帧距离；根据计算得到的时间循环解码间隔，进行时间循环解码。
进一步的，所述所述根据计算得到的时间循环解码间隔，进行时间循环解码的方法包括：对伺服帧数据的子帧中的数据的起始数据开始解码，然后在间隔了时间循环解码间隔后，对后续数据进行解码，以此类推，当完成第一轮遍历完所有数据后，对没有进行解码的处于时间循环解码间隔内的数据进行第二轮遍历，以此类推，直到所有数据完成解码。
进一步的，当时间循环解码完成后，对解码后的数据按照顺序，进行拼接，完成同步。
本发明的伺服驱动器低延时同步方法，具有如下有益效果：
1.延时性低：本发明将电机数据和伺服驱动器的数据基于时间循环编码后再合并后，设置同步标记，分发到电机数据和伺服驱动器，电机或伺服驱动器根据接收到合并数据，基于时间循环解码，这种编码和解码是基于时间关联的，且由于在合并时，不同的数据之间以间隔对应的方式排列，这就使得其延时性大大降低，几乎不会存在时间延迟的情况。
2.抗同步干扰：由于本发明的同步是基于同步器来实现同步的，这种同步方式可以完全规避直接同步带来的干扰；传统方式也有使用同步器进行同步的方法，但这种方法延时性较高；本发明在保证延时性符合要求的情况下，避免了同步干扰。
附图说明
图1为本发明实施例提供的伺服驱动器低延时同步方法的方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的伺服驱动器低延时同步方法的同步标记结构示意图；
图3为本发明实施例提供的伺服驱动器低延时同步方法进行数据合并时的间隔示意图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
实施例1
伺服驱动器低延时同步方法，所述方法执行以下步骤：
步骤1：实时获取伺服驱动器的伺服运行数据，实时获取伺服电机的电机运行数据，将获取的电机运行数据和伺服运行数据实时发送至同步器；
步骤2：同步器接收电机运行数据和伺服运行数据后，将接收到的电机运行数据转换为电机帧数据，将接收到的伺服运行数据转换为伺服帧数据，同时分别将伺服帧数据和电机帧数据按照设定的同步周期划分为多个子帧，并按照时间先后顺序，以设定的间隔将伺服帧数据的子帧和电机帧数据的子帧进行基于时间循环的编码合并，得到合并帧数据，在合并帧数据上设置同步标记，然后将合并帧数据分别发送至伺服驱动器和伺服电机；
步骤3：伺服驱动器接收到合并帧数据后，根据设置的同步标记，将合并帧数据中的电机帧数据的子帧进行时间循环解码，完成同步；伺服电机接收到合并帧数据后，根据设置的同步标记，将合并帧数据中的伺服帧数据的子帧进行时间循环解码，完成同步。
参考图1，一般来说，在实时获取到伺服驱动器的伺服运行数据和实时获取伺服电机的电机运行数据后，这些数据将第一时间发送至同步器。
同步器的作用是将这些数据进行处理后分发到伺服驱动器和伺服电机进行同步。
实际上，在实际中，同步的过程可以不需要一直执行，因为伺服电机和伺服驱动器出现不同步往往需要一定时间。因此，同步器在接收到这些数据后，也可以先暂时存储这些数据，等到需要同步时，在将存储的所有数据进行合并，进行同步。
数据越多，同步的延时性就更低，因为数据更多，时间循环编码和设置同步标记后，各个数据之间的关联性越强。
同时，同步标记时一种关联标记，使得合并帧数据中的电机数据和伺服器驱动器的数据能够彼此关联，以实现同步和降低同步延时效率。
具体的，
在上一实施例的基础上，所述步骤2中在合并帧数据上设置同步标记的方法具体包括：在合并帧数据的伺服帧数据的子帧上设置第一类型同步标记，其中，所述合并帧数据包括N个子帧，N≥2；在所述合并帧数据的电机帧数据的子帧上设置第二类型同步标记，其中，所述电机帧数据的子帧中的每一个子帧与所述伺服帧数据的子帧中的一个子帧相关联，所述电机帧数据的子帧中的每一个子帧与关联的伺服帧数据的子帧中的子帧之间的子帧距离相等；所述伺服帧数据的子帧连续，和/或所述电机帧数据的子帧连续。
具体的，子帧关联在时间循环解码中至关重要，因为时间循环解码基于时间实现，然后循环执行完成解码。如果缺乏关联，则难以根据一者中的数据解码另一者的数据，从而导致同步失败。
在上一实施例的基础上，所述子帧距离是基于循环前缀后的第一时间点确定的。
具体的，第一时间点也是时间循环解码的起始时间点。
在上一实施例的基础上，所述合并帧数据的N个子帧中至少有一个子帧的循环前缀长度与所述合并帧数据中的其他子帧的循环前缀长度不同；所述伺服帧数据的子帧有相等的循环前缀长度，和/或所述电机帧数据的子帧有相等的循环前缀长度。
具体的，循环前缀的不同用以区分伺服驱动器数据和电机数据。
在上一实施例的基础上，所述步骤3中伺服驱动器接收到合并帧数据后，根据设置的同步标记，将合并帧数据中的电机帧数据的子帧进行时间循环解码的方法包括：根据设定的间隔确定所述合并帧数据中所述伺服帧数据的子帧的位置；然后根据同步标记，使用如下公式计算伺服帧数据的时间循环解码间隔：其中，DE为时间循环解码间隔；N为子帧数量；T为设定的间隔；L为循环前缀长度；D为电机帧数据的子帧中的每一个子帧与关联的伺服帧数据的子帧中的子帧之间的子帧距离；根据计算得到的时间循环解码间隔，进行时间循环解码。
具体的，伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置三闭环控制算法。该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用。
在上一实施例的基础上，所述根据计算得到的时间循环解码间隔，进行时间循环解码的方法包括：对电机帧数据的子帧中的数据的起始数据开始解码，然后在间隔了时间循环解码间隔后，对后续数据进行解码，以此类推，当完成第一轮遍历完所有数据后，对没有进行解码的处于时间循环解码间隔内的数据进行第二轮遍历，以此类推，直到所有数据完成解码。
在上一实施例的基础上，当时间循环解码完成后，对解码后的数据按照顺序，进行拼接，完成同步。
参考图2，图2中的同步标记展示了不同类型的同步标记的各个标记位的结构，一般来说，通过四个标记位就可以实现同步标记。同步标记的长度等于同步周期，即设定的间隔的倒数。
具体的，数据完成拼接后，伺服驱动器就可以实现同步伺服电机的数据。
在上一实施例的基础上，所述步骤3中伺服电机接收到合并帧数据后，根据设置的同步标记，将合并帧数据中的伺服帧数据的子帧进行时间循环解码的方法包括：根据设定的间隔确定所述合并帧数据中所述伺服帧数据的子帧的位置；然后根据同步标记，使用如下公式计算伺服帧数据的时间循环解码间隔：其中，DE为时间循环解码间隔；N为子帧数量；T为设定的间隔；L为循环前缀长度；D为电机帧数据的子帧中的每一个子帧与关联的伺服帧数据的子帧中的子帧之间的子帧距离；根据计算得到的时间循环解码间隔，进行时间循环解码。
具体的，参考图3，根据间隔的不同，时间循环解码的过程也不同。不间隔越短，解码的复杂度越高。当极端满载情况下，这种情况无法完成解码。
具体的，在伺服驱动器速度闭环中，电机转子实时速度测量精度对于改善速度环的转速控制动静态特性至关重要。为寻求测量精度与系统成本的平衡，一般采用增量式光电编码器作为测速传感器，与其对应的常用测速方法为M/T测速法。M/T测速法虽然具有一定的测量精度和较宽的测量范围，但这种方法有其固有的缺陷，主要包括：1)测速周期内必须检测到至少一个完整的码盘脉冲，限制了最低可测转速；2)用于测速的2个控制系统定时器开关难以严格保持同步，在速度变化较大的测量场合中无法保证测速精度。因此应用该测速法的传统速度环设计方案难以提高伺服驱动器速度跟随与控制性能。
在上一实施例的基础上，所述所述根据计算得到的时间循环解码间隔，进行时间循环解码的方法包括：对伺服帧数据的子帧中的数据的起始数据开始解码，然后在间隔了时间循环解码间隔后，对后续数据进行解码，以此类推，当完成第一轮遍历完所有数据后，对没有进行解码的处于时间循环解码间隔内的数据进行第二轮遍历，以此类推，直到所有数据完成解码。
在上一实施例的基础上，当时间循环解码完成后，对解码后的数据按照顺序，进行拼接，完成同步。
需要说明的是，上述实施例提供的系统，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元来完成，即将本发明实施例中的单元或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的单元可以合并为一个单元，也可以进一步拆分成多个子单元，以完成以上描述的全部或者单元功能。对于本发明实施例中涉及的单元、步骤的名称，仅仅是为了区分各个单元或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件单元、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“另一部分”等是配置用于区别类似的对象，而不是配置用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者单元/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者单元/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术标记作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非配置用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1.伺服驱动器低延时同步方法，其特征在于，所述方法执行以下步骤：
步骤1：实时获取伺服驱动器的伺服运行数据，实时获取伺服电机的电机运行数据，将获取的电机运行数据和伺服运行数据实时发送至同步器；
步骤2：同步器接收电机运行数据和伺服运行数据后，将接收到的电机运行数据转换为电机帧数据，将接收到的伺服运行数据转换为伺服帧数据，同时分别将伺服帧数据和电机帧数据按照设定的同步周期划分为多个子帧，并按照时间先后顺序，以设定的间隔将伺服帧数据的子帧和电机帧数据的子帧进行基于时间循环的编码合并，得到合并帧数据，在合并帧数据上设置同步标记，然后将合并帧数据分别发送至伺服驱动器和伺服电机；
步骤3：伺服驱动器接收到合并帧数据后，根据设置的同步标记，将合并帧数据中的电机帧数据的子帧进行时间循环解码，完成同步；伺服电机接收到合并帧数据后，根据设置的同步标记，将合并帧数据中的伺服帧数据的子帧进行时间循环解码，完成同步；所述步骤2中在合并帧数据上设置同步标记的方法具体包括：在合并帧数据的伺服帧数据的子帧上设置第一类型同步标记，其中，所述合并帧数据包括N个子帧，N≥2；在所述合并帧数据的电机帧数据的子帧上设置第二类型同步标记，其中，所述电机帧数据的子帧中的每一个子帧与所述伺服帧数据的子帧中的一个子帧相关联，所述电机帧数据的子帧中的每一个子帧与关联的伺服帧数据的子帧中的子帧之间的子帧距离相等；所述伺服帧数据的子帧连续，和/或所述电机帧数据的子帧连续。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子帧距离是基于循环前缀后的第一时间点确定的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合并帧数据的N个子帧中至少有一个子帧的循环前缀长度与所述合并帧数据中的其他子帧的循环前缀长度不同；所述伺服帧数据的子帧有相等的循环前缀长度，和/或所述电机帧数据的子帧有相等的循环前缀长度。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3中伺服驱动器接收到合并帧数据后，根据设置的同步标记，将合并帧数据中的电机帧数据的子帧进行时间循环解码的方法包括：根据设定的间隔确定所述合并帧数据中所述伺服帧数据的子帧的位置；然后根据同步标记，使用如下公式计算伺服帧数据的时间循环解码间隔：其中，DE为时间循环解码间隔；N为子帧数量；T为设定的间隔；L为循环前缀长度；D为电机帧数据的子帧中的每一个子帧与关联的伺服帧数据的子帧中的子帧之间的子帧距离；根据计算得到的时间循环解码间隔，进行时间循环解码。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据计算得到的时间循环解码间隔，进行时间循环解码的方法包括：对电机帧数据的子帧中的数据的起始数据开始解码，然后在间隔了时间循环解码间隔后，对后续数据进行解码，以此类推，当完成第一轮遍历完所有数据后，对没有进行解码的处于时间循环解码间隔内的数据进行第二轮遍历，以此类推，直到所有数据完成解码。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，当时间循环解码完成后，对解码后的数据按照顺序，进行拼接，完成同步。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤3中伺服电机接收到合并帧数据后，根据设置的同步标记，将合并帧数据中的伺服帧数据的子帧进行时间循环解码的方法包括：根据设定的间隔确定所述合并帧数据中所述伺服帧数据的子帧的位置；然后根据同步标记，使用如下公式计算伺服帧数据的时间循环解码间隔：其中，DE为时间循环解码间隔；N为子帧数量；T为设定的间隔；L为循环前缀长度；D为电机帧数据的子帧中的每一个子帧与关联的伺服帧数据的子帧中的子帧之间的子帧距离；根据计算得到的时间循环解码间隔，进行时间循环解码。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述所述根据计算得到的时间循环解码间隔，进行时间循环解码的方法包括：对伺服帧数据的子帧中的数据的起始数据开始解码，然后在间隔了时间循环解码间隔后，对后续数据进行解码，以此类推，当完成第一轮遍历完所有数据后，对没有进行解码的处于时间循环解码间隔内的数据进行第二轮遍历，以此类推，直到所有数据完成解码。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，当时间循环解码完成后，对解码后的数据按照顺序，进行拼接，完成同步。
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