WO2023050226A1

WO2023050226A1 - 运动控制方法及装置

Info

Publication number: WO2023050226A1
Application number: PCT/CN2021/121950
Authority: WO
Inventors: 陈斌; 范顺杰; 介鸣; 胡晔; 王子健
Original assignee: 西门子股份公司; 西门子（中国）有限公司
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2023-04-06

Abstract

一种运动控制方法(100)，用于运动控制系统对控制对象进行运动控制，控制对象连接至传感器，传感器用于检测控制对象的反馈值，运动控制方法包括：获取运动控制系统的控制周期和传感器的反馈延迟时间，根据控制周期和反馈延迟时间计算反馈延迟周期数(110)；缓存运动控制系统在各个控制周期的设定值，在缓存中从当前时刻的设定值前推反馈延迟周期数获取对应的历史值(120)；根据当前时刻的设定值、历史值和反馈值对控制对象进行运动控制(130)。

Description

运动控制方法及装置

技术领域

本发明主要涉及运动控制领域，尤其涉及一种运动控制方法及装置。

背景技术

随着运动控制系统的不断升级，其控制周期可缩短至1ms甚至更低。然而，如此短的控制周期已经远小于某些传感器的反馈信号延迟时间。例如，运动控制系统的控制周期为1ms，外部传感器的反馈延迟时间为5ms或更高，运动控制控制周期采集到的传感器信号存在严重的延迟。为此，运动控制系统的控制周期需被限制到5ms或更长，以与外部传感器的反馈信号延迟时间匹配，这将会导致运动控制系统的控制质量受限，无法实现运动控制系统的高性能。另一种方式是降低控制增益，此方式并非完全修正误差，而是逐步减少误差，同样牺牲了运动控制系统的性能。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种运动控制方法及装置，以消除对运动控制系统中控制周期的限制，实现运动控制系统的高性能控制。

为实现上述目的，本发明提出了一种运动控制方法，用于运动控制系统对控制对象进行运动控制，所述控制对象连接至传感器，所述传感器用于检测所述控制对象的反馈值，所述运动控制方法包括：获取所述运动控制系统的控制周期和所述传感器的反馈延迟时间，根据所述控制周期和所述反馈延迟时间计算反馈延迟周期数；缓存所述运动控制系统在各个控制周期的设定值，在所述缓存中从当前时刻的设定值前推所述反馈延迟周期数获取对应的历史值；根据所述当前时刻的设定值、所述历史值和所述反馈值对所述控制对象进行运动控制。为此，通过缓存并追溯历史设定控制值，可以消除运动控制系统和传感器之间的由性能导致的延迟，从而消除对运动控制系统中控制周期的限制，实现运动控制系统的高性能控制。

优选地，根据所述当前时刻的设定值、所述历史值和所述反馈值对所述控制对象进行运动控制包括：根据所述历史值和所述反馈值计算一偏差值，采用反馈控制算法根据所述偏差值生成一校正控制值，根据所述设定值生成一设定控制值，加和所述校正控制值和所述设定控制值生成一合成控制值，根据所述合成控制值对所述控制对象进行运动控制。为此，可以实现根据反馈延迟时间对控制对象的高性能控制。

优选地，所述反馈控制算法为PID控制。为此，可以快速平稳地实现根据反馈延迟时间对控制对象的高性能控制。

优选地，所述运动控制方法包括：至少缓存与所述反馈延迟周期数相同的历史值。为此，可以提高缓存内存储的历史值，进而提升缓存的可扩展性。

优选地，所述运动控制方法包括：规划所述控制对象的运动路径，所述运动路径包括设定值和与所述设定值对应的时间信息。为此，可以自动地生成设定值，提高运动控制系统的自动化程度和智能性。

本发明还提出了一种运动控制装置，用于运动控制系统对控制对象进行运动控制，所述控制对象连接至传感器，所述传感器用于检测所述控制对象的反馈值，所述运动控制装置包括：获取模块，获取所述运动控制系统的控制周期和所述传感器的反馈延迟时间，根据所述控制周期和所述反馈延迟时间计算反馈延迟周期数；回溯模块，缓存所述运动控制系统在各个控制周期的设定值，在所述缓存中从当前时刻的设定值前推所述反馈延迟周期数获取对应的历史值；控制模块，根据所述当前时刻的设定值、所述历史值和所述反馈值对所述控制对象进行运动控制。

优选地，根据所述当前时刻的设定值、所述历史值和所述反馈值对所述控制对象进行运动控制包括：根据所述历史值和所述反馈值计算一偏差值，采用反馈控制算法根据所述偏差值生成一校正控制值，根据所述设定值生成一设定控制值，加和所述校正控制值和所述设定控制值生成一合成控制值，根据所述合成控制值对所述控制对象进行运动控制。

优选地，所述反馈控制算法为PID控制。

优选地，所述运动控制装置包括：至少缓存与所述反馈延迟周期数相同的历史值。

优选地，所述运动控制装置包括：规划所述控制对象的运动路径，所述运动路径包括设定值和与所述设定值对应的时间信息。

本发明还提出了一种电子设备，包括处理器、存储器和存储在所述存储器中的指令，其中所述指令被所述处理器执行时实现如上文所述的方法。

本发明还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令在被运行时执行根据上文所述的方法。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1是根据本发明的一实施例的一种的运动控制方法的流程图；

图2是根据本发明的一实施例的一种的运动控制方法的示意图；

图3是根据本发明的一实施例的一种的运动控制装置的示意图；

图4是根据本发明的一实施例的一种电子设备的示意图。

附图标记说明

100 运动控制方法

110-130 步骤

210 路径规划器

220 驱动器

230 伺服电机

240 传感器

250 缓存

260 反馈控制算法

270 处理模块

A 运动控制系统

300 运动控制装置

310 数据获取模块

320 回溯模块

330 控制模块

400 电子设备

410 处理器

420 存储器

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

本发明提出了一种运动控制方法，用于运动控制系统对控制对象进行运动控制，控制对象连接至传感器，传感器用于检测控制对象的反馈值。图1是根据本发明的一实施例的一种的运动控制方法100的流程图，如图1所示，运动控制方法包100括：

步骤110，获取运动控制系统的控制周期和编码器的反馈延迟时间，根据控制周期和反馈延迟时间计算反馈延迟周期数。

运动控制系统的控制周期T可以是缺省设置的，也可以用户对缺省设置进行了调整，通过读取缺省设置值或调整值可以获取运动控制系统的控制周期T，例如获取到运动控制系统的控制周期T为1ms，即每隔1ms运动控制系统向控制对象发送一次控制指令。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。如编码器，光栅尺等。

编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备，其被广泛用于工业控制领域进行速度和位置的检测。例如，在需要进行电机控制的场合，编码器一般与电机对应设置，例如，安装在电机的输出轴上等，用于检测电机转子的当前位置信息，之后由电机驱动器根据所述编码器检测的电子转子的当前位置信息以及其它相关信息对电机进行相应控制。

在电机驱动下的直线运动，光栅尺一般与滑块或运动平台对应设置，用于检测滑块或运动平台的位置与速度信息。之后由电机驱动器根据所述光栅尺检测的滑块或运动平台的当前位置信息以及其他相关信息对电机进行控制。

编码器或光栅尺的反馈信号延迟时间可通过查阅手册或测量方式获取，例如获取到光栅尺的反馈延迟时间为5ms，即当前滑块或运动平台的位置信息需要5ms后才能发送至运动控制系统。根据控制周期T和反馈延迟时间t，可以计算反馈延迟周期数m＝t/T＝5，反馈延迟周期数m表示反馈延迟时间t与控制周期T之间的比值，即反馈延迟时间t与控制周期T之间的对应关系。

步骤120，缓存运动控制系统在各个控制周期的设定值，在缓冲中从当前时刻的设定值前推反馈延迟周期数获取对应的历史值。

运动控制系统生成了时序的设定值s _i，这些设定值s _i在发送至控制对象时还被缓存至缓存区内，从缓存中从当前时刻的设定值s _i前推反馈延迟周期数m获取对应的历史值s _(i-m)。设定值可以是位置设定值、速度设定值或加速度设定值等。在一些实施例中，可以规划控制对象的运动路径，运动路径包括设定值和与设定值对应的时间信息，由此获取各个控制周期的设定值。在一些实施例中，至少缓存与反馈延迟周期数相同的历史值。

图2是根据本发明的一实施例的一种的运动控制方法的示意图。如图2所示，运动控制系统A包括路径规划器210和缓存区250，控制对象为驱动器220和伺服电机230，传感器240采集伺服电机230的位置信息。在图2中，路径规划器210生成了设定值s _i，这些设定值s _i在发送至时还被缓存至缓存区250内，经计算得到反馈延迟周期数为5，该数值也被发送至缓存区中，缓存区至少缓存5个控制周期之前的设定值，分别为设定值s _i，第一个控制周期之前的设定值s _i-1，第二个控制周期之前的设定值s _i-2，第三个控制周期之前的设定值s _i-3，第四个控制周期之前的设定值s _i-4，第五个控制周期之前的设定值s _i-5，可以理解，缓存的设定值的数量不限于此，还可以是更多个，缓存中还包括各个设定值的缓存地址，便于运动控制系统调用。示例性地，若反馈延迟周期数为5，则从缓存中从当前时刻的设定值s _i前推5个控制周期获取对应的历史值s _i-5。

步骤130，根据当前时刻的设定值、历史值和反馈值对控制对象进行运动控制。

在获取设定值s _i、历史值s _(i-m)和反馈值f _i之后，根据当前时刻的设定值s _i、历史值s _(i-m)和反馈值f _i对控制对象进行运动控制。在一些实施例中，根据当前时刻的设定值s _i和历史值s _(i-m)和反馈值f _i对控制对象进行运动控制可以包括：根据历史值s _(i-m)和反馈值f _i计算一偏差值e _(i-m)，采用反馈控制算法根据偏差值e _(i-m)生成一校正控制值u _c(i-m)，根据设定值s _i生成一设定控制值u _si，加和校正控制值u _c(i-m)和设定控制值u _si生成一合成控制值u _i，根据合成控制值u _i对控制对象进行运动控制。在一些实施例中，反馈控制算法可以为PID控制。

如图2所示，则从缓存中从当前时刻的设定值s _i前推m个控制周期获取对应的历史值s _(i-m)，历史值s _(i-m)作为加法器a1的正输入，反馈值f _i作为加法器a1的负输入，计算一偏差值e _(i-m)，采用PID控制根据偏差值e _(i-m)生成一校正控制值u _c(i-m)，校正控制值u _c(i-m)作为加法器a2的正输入，处理模块270根据设定值s _i生成一设定控制值u _si，设定控制值u _si作为加法器a2的另一路正输入，可以生成一合成控制值u _i，合成控制值u _i输入到驱动器220中，用于对伺服电机230进行运动控制。

本发明的实施例提供了一种运动控制方法，通过缓存并追溯历史设定控制值，可以消除运动控制系统和传感器之间的由性能导致的延迟，从而消除对运动控制系统中控制周期的限制，实现运动控制系统的高性能控制。

本发明还提出了一种运动控制装置，用于运动控制系统对控制对象进行运动控制，控制对象连接至传感器，传感器用于检测控制对象的反馈信号。图3是根据本发明的一实施例的一种的运动控制装置300的示意图，如图3所示，运动控制装置300包括：

获取模块310，获取运动控制系统的控制周期和传感器的反馈延迟时间，根据控制周期和反馈延迟时间计算反馈延迟周期数；

回溯模块320，缓存运动控制系统在各个控制周期的设定值，在缓存中从当前时刻的设定值前推反馈延迟周期数获取对应的历史值；

控制模块330，根据当前时刻的设定值、历史值和反馈值对控制对象进行运动控制。

在一些实施例中，根据当前时刻的设定值、历史值和反馈值对控制对象进行运动控制包括：根据历史值和反馈值计算一偏差值，采用反馈控制算法根据偏差值生成一校正控制值，根据设定值生成一设定控制值，加和校正控制值和设定控制值生成一合成控制值，根据合成控制值对控制对象进行运动控制。

在一些实施例中，反馈控制算法为PID控制。

在一些实施例中，运动控制装置300包括：至少缓存与反馈延迟周期数相同的历史值。

在一些实施例中，运动控制装置300包括：规划控制对象的运动路径，运动路径包括设定值和与设定值对应的时间信息。

本发明还提出一种电子设备400。图4是根据本发明的一实施例的一种电子设备400的示意图。如图4所示，电子设备400包括处理器410和存储器420，存储器420存储中存储有指令，其中指令被处理器410执行时实现如上文所述的方法100。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，计算机指令在被运行时执行如上文所述的方法100。

本发明的方法和装置的一些方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。处理器可以是一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DAPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器或者其组合。此外，本发明的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。例如，计算机可读介质可包括，但不限于，磁性存储设备(例如，硬盘、软盘、磁带……)、光盘(例如，压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD)……)、智能卡以及闪存设备(例如，卡、棒、键驱动器……)。

在此使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的方法所执行的操作。应当理解的是，前面的操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims

一种运动控制方法(100)，用于运动控制系统对控制对象进行运动控制，所述控制对象连接至传感器，所述传感器用于检测所述控制对象的反馈值，其特征在于，所述运动控制方法(100)包括：

获取所述运动控制系统的控制周期和所述传感器的反馈延迟时间，根据所述控制周期和所述反馈延迟时间计算反馈延迟周期数(110)；

缓存所述运动控制系统在各个控制周期的设定值，在所述缓存中从当前时刻的设定值前推所述反馈延迟周期数获取对应的历史值(120)；

根据所述当前时刻的设定值、所述历史值和所述反馈值对所述控制对象进行运动控制(130)。
根据权利要求1所述的运动控制方法(100)，其特征在于，根据所述当前时刻的设定值、所述历史值和所述反馈值对所述控制对象进行运动控制包括：根据所述历史值和所述反馈值计算一偏差值，采用反馈控制算法根据所述偏差值生成一校正控制值，根据所述设定值生成一设定控制值，加和所述校正控制值和所述设定控制值生成一合成控制值，根据所述合成控制值对所述控制对象进行运动控制。
根据权利要求2所述的运动控制方法(100)，其特征在于，所述反馈控制算法为PID控制。
根据权利要求1所述的运动控制方法(100)，其特征在于，所述运动控制方法(100)包括：至少缓存与所述反馈延迟周期数相同的历史值。
根据权利要求1所述的运动控制方法(100)，其特征在于，所述运动控制方法(100)包括：规划所述控制对象的运动路径，所述运动路径包括设定值和与所述设定值对应的时间信息。
一种运动控制装置(300)，用于运动控制系统对控制对象进行运动控制，所述控制对象连接至传感器，所述传感器用于检测所述控制对象的反馈值，其特征在于，所述运动控制装置(300)包括：

获取模块(310)，获取所述运动控制系统的控制周期和所述传感器的反馈延迟时间，根据所述控制周期和所述反馈延迟时间计算反馈延迟周期数；

回溯模块(320)，缓存所述运动控制系统在各个控制周期的设定值，在所述缓存中从当前时刻的设定值前推所述反馈延迟周期数获取对应的历史值；

控制模块(330)，根据所述当前时刻的设定值、所述历史值和所述反馈值对所述控制对象进行运动控制。
根据权利要求6所述的运动控制装置(300)，其特征在于，根据所述当前时刻的设定值、所述历史值和所述反馈值对所述控制对象进行运动控制包括：根据所述历史值和所述反馈值计算一偏差值，采用反馈控制算法根据所述偏差值生成一校正控制值，根据所述设定值生成一设定控制值，加和所述校正控制值和所述设定控制值生成一合成控制值，根据所述合成控制值对所述控制对象进行运动控制。
根据权利要求7所述的运动控制装置(300)，其特征在于，所述反馈控制算法为PID控制。
根据权利要求6所述的运动控制装置(300)，其特征在于，所述运动控制装置(300)包括：至少缓存与所述反馈延迟周期数相同的历史值。
根据权利要求6所述的运动控制装置(300)，其特征在于，所述运动控制装置(300)包括：规划所述控制对象的运动路径，所述运动路径包括设定值和与所述设定值对应的时间信息。
一种电子设备(400)，包括处理器(410)、存储器(420)和存储在所述存储器(420)中的指令，其中所述指令被所述处理器(410)执行时实现如权利要求1-5任一项所述的方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令在被运行时执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法。