CN103123477B - 一种基于电机和机床位置双反馈的轴运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到数控机床控制领域，具体地说是针对带外接位置传感装置反馈机床轴的动态修正运动插补的全闭环轴运动控制方法。对轴运动指令利用伺服电机编码器反馈与机床位置传感装置进行轴运动规划，形成加工过程中的轴速度设置值，由轴控制部分实现加工过程中轴运动插补点，经PID控制实现对轴传动装置中伺服电机的平稳转动。本发明适应性强，机床轴定位精度、重复定位精度可得到保障，速度平滑度高、动态性好，运动安全性高。

Description

一种基于电机和机床位置双反馈的轴运动控制方法

技术领域

本发明涉及到数控机床控制领域，具体地说是针对带外接位置传感装置反馈机床轴的动态修正运动插补的全闭环轴运动控制方法。

背景技术

当今数控机床越来越多地被广泛应用，同时对数控机床定位精度、重复定位精度也日益提高，原来丝杠加编码器式的半闭环控制***已无法满足用户的需求。半闭环控制***无法控制机床轴传动机构所产生的传动误差、高速运转时传动机构所产生热变形误差以及加工过程中传动***磨损而产生的误差，而这些误差已经严重影响到数控机床的加工精度及其稳定性。光栅尺等外接传感装置对数控机床各坐标轴进行全闭环控制，消除上述误差，提高机床的定位精度、重复定位精度以及精度可靠性，作为提高数控机床位置精度的关键部件日益受到用户的青睐。但对于机械传动结构复杂、机械间隙较大或轴行程范围内传动线性较差的机床坐标轴来说，如果采用传统全闭环控制方式，虽然一定程度上能够满足轴定位精度、重复定位精度，但存在运动控制过程中伺服电机转速不平稳、易引起机床轴振动情况，一方面造成加工精度受到影响，另一方面还会造成加快机床传动装置的磨损。

随着现代制造业的迅速发展，机床结构也在不断发生变化，比如出现了单伺服电机控制多机床坐标轴的机械结构，传统的轴控制方式已经不能很好的适用于此类机床。而此类机床传动结构复杂、机械间隙较大、轴行程范围内传动线性不稳定等，同样需要外界位置传感装置实现定位。

发明内容

针对现有轴运动控制的处理方法存在的问题，本发明的目的是提供一种可根据光栅尺等外接位置传感装置及伺服电机编码器反馈动态修正插补位置，实现动态规划运动轨迹，基于此方法，本发明可以在满足定位精度、重复定位精度的同时，保证伺服电机稳定运行，保证工件加工精度且延长机床的使用寿命。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于电机和机床位置双反馈的轴运动控制方法，对轴运动指令利用伺服电机编码器反馈与机床位置传感装置进行轴运动规划，形成加工过程中的轴速度设置值，由轴控制部分实现加工过程中轴运动插补点，经PID控制实现对轴传动装置中伺服电机的平稳转动。

所述轴运动规划为在轴运动过程中，通过机床轴最终执行端的外接位置传感装置所得轴反馈位置，与伺服电机编码器反馈计算所得轴反馈位置，二者之差对轴运动规划位置点不断进行修正，重新计算运动规划剩余距离。

所述轴运动规划处于规划加速阶段、规划匀速阶段或轴命令进给速度变化规划阶段时，轴控制采用基于电机和机床位置双反馈动态修正的闭环控制，增加对上一周期插补命令位置点及规划剩余距离进行全闭环修正：

lastCmdPos＝LastCmdPos+posCorrection；

remDis＝remDis-posCorrection；

其中lastCmdPos表示上一周期的插补命令位置点，posCorrection表示轴位置反馈修正量，remDis表示规划剩余距离；PID控制采用基于电机和机床位置双反馈动态修正的闭环PID控制；

所述轴运动规划处于规划减速阶段或定位完成阶段时，轴控制采用全闭环控制；PID控制采用全闭环PID控制；

所述轴运动规划处于轴无运动阶段时，轴控制采用半闭环控制；PID控制采用轴定位点半闭环PID控制。

所述半闭环控制，是指抛开机床轴执行终端的直接反馈，即外接位置传感装置。

所述全闭环控制，是指在机床轴的最终执行端设置监测，即外接位置传感装置，反馈回的信号直接用于机床轴运动的调整，而与伺服电机编码器的反馈无关。

所述外接位置传感装置可以为光栅尺、球栅尺，也可以为旋转轴的外接编码器。

本发明具有以下优点：

1.适应性强。凡是采用轴运动控制的机床，具备执行终端位置反馈，不管是线性坐标轴，还是旋转轴，不管是采用光栅尺、球栅尺，还是外接位置编码器，都可以采用本发明的方法。

2.机床轴定位精度、重复定位精度可得到保障。在定位完成阶段采用全闭环控制，可保证轴定位精度，而传统全闭环控制方法需要全程全闭环控制，虽然也能够保证定位精度，但要求机床轴机械传动性好，对于传动性较差的机床轴易引起震动，甚至出现过动情形。

3.速度平滑度高、动态性好。本发明在不同运动阶段采用不同的运动控制方式，在速度规划过程，引入轴插补位置的动态修正机制，既避免了为保证速度规划的平稳性而带来的实际电机运转的不稳定，也保证轴运动速度的平稳性，同时较完全采用全闭环控制而言，可调高伺服环速度比例增益，减小随动误差，提高加工精度。

4.运动安全性高。通过引入轴插补位置的动态修正机制，在提高速度平滑性的同时，可有效降低轴运动超差、超载的可能性；同时当出现外接传感装置信号异常的状态下，比如光栅尺读数紊乱等原因，可避免轴运动失常甚至飞车的情况，及早报告超差，保护机床不被损坏。

附图说明

图1为本发明方法总体结构框图；

图2为本发明轴位置计算流程图；

图3为本发明轴运动控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

轴运动控制包括轴运动规划、轴控制与PID控制三部分。其中轴运动规划采用双位置反馈的轴动态规划处理方法，对轴运动指令进行轴运动规划，形成加工过程中的轴速度设置值，由轴控制部分实现加工过程中轴运动插补点，经PID控制实现对轴传动装置中伺服电机的平稳转动。

所述轴运动规划，包括6个阶段：1)规划加速阶段；2)规划匀速阶段；3)规划减速阶段；4)轴命令进给速度变化规划阶段；5)定位完成阶段；6)轴无运动阶段。针对不同的运动规划阶段，所述基于电机和机床位置双反馈的轴运动控制方法可划分为不同的控制方式：1)半闭环控制；2)全闭环控制；3)基于电机和机床位置双反馈动态修正的闭环控制。

这里所述半闭环控制，是指抛开机床轴执行终端的直接反馈(即光栅尺等外接位置传感装置)，此反馈只用于实际位置的显示与随动误差的计算，真正闭环的位置在伺服电机上。轴运动的规划过程并不采取半闭环控制，只有在轴无运动情况下采用，并且只是保证伺服电机对应的某命令位置点闭环，更简单的说，就是保证伺服电机位置点不动。

这里所述全闭环控制，是指在机床轴的最终执行端设置监测，即光栅尺等外接位置传感装置，反馈回的信号直接用于机床轴运动的调整，而与伺服电机编码器的反馈无关。本发明只有在轴运动过程的规划减速阶段与定位完成阶段采用全闭环控制，此两个阶段采用全闭环控制，是为了保证轴运动定位精度，同时此过程规划运动位移短、规划时间短，不会出现轴运动颤动。所述定位完成阶段是指轴运动规划已经完成，但仍然存在一定的随动误差，采用全闭环控制可尽量缩小随动误差，达到准确定位作用。当定位完成阶段结束后，进入轴无运动状态，采用半闭环控制，弥补全闭环控制在定位点容易出现轴颤动的缺点。

这里所述基于电机和机床位置双反馈动态修正的闭环控制，是本发明的一个关键，是指在轴运动过程中，打破传统运动轨迹规划的概念，通过机床轴的最终执行端的光栅尺等外接位置传感装置所得轴反馈位置，与伺服电机编码器反馈计算所得轴反馈位置，二者之差对轴运动规划位置点不断进行修正，重新计算运动规划剩余距离，但不影响轴运动规划速度，在运动规划周期内计算新的轴插补位置。在规划加速阶段、规划匀速阶段以及轴命令进给速度变化规划阶段都采用此方法进行控制。此控制方法，不但保证伺服电机的平稳运转，同时也确保机床轴的平稳运动。

无论采用何种控制方式，命令位置始终围绕机床轴插补位置，而轴实际位置始终由光栅尺等外接位置传感装置反馈所得，二者之差即为随动误差。

参见图1，描述了本发明总体结构框图，包括轴数据采集、轴运动规划、轴控制、PID及驱动、反馈设备部分。

数据采集部分通过驱动、反馈设备部分数据反馈得以实现。通过外接位置传感装置可计算得到轴实际位置；通过伺服电机编码器获取读数，可计算得到伺服电机对应的轴位置；参见图2，通过这两个反馈位置，可得到当前伺服周期轴位置反馈修正量，此修正量是本发明方法得以实现的关键；通过此修正量，重新计算电机编码器与轴位置反馈间的位置偏移量，即电机反馈轴位置偏移，用于下一伺服周期计算伺服电机对应的轴位置；通过上一伺服周期的轴插补命令位置与当前获得的轴反馈位置，二者之差即为轴随动误差，用于判断轴运动过程中是否超差。

轴运动指令部分，包括轴运动目标位置、轴进给速度，以及轴最大加速度。

轴运动控制部分，是本发明的主要组成部分，它包括轴运动规划、轴控制、PID控制以及驱动速度计算。其中轴运动规划是本发明方法的最重要过程，包含了半闭环控制、全闭环控制、基于电机和机床位置双反馈动态修正的闭环控制等；轴控制是运动规划的延续，用于轴速度限制、加速度限制、以及轴运动平滑控制等，最终确定当前伺服周期轴插补命令位置；PID控制是通过轴命令位置与反馈位置计算得出对轴的输出速度；驱动速度计算部分是对轴速度通过单位转换等计算对电机的输出速度指令值，为控制伺服输出做准备。

驱动、反馈设备部分是本发明实现的基础，包括伺服单元和外接位置传感装置。其中外接位置传感装置安装在轴运动执行的终端，可以是光栅尺、球栅尺，也可能是旋转轴的外接编码器。光栅尺等外接位置传感装置的分辨率、安装位置以及机床轴的负载特性等决定了轴定位精度的好坏；对于线性轴来说，传感装置的线性误差可通过线性补偿来提高轴定位精度。

如图3所示，详细描述了本发明方法的控制流程。

lastCmdPos表示上一周期的插补命令位置点，lastCmdVel表示上一周期的规划命令速度，lastCmdAcc表示上一周期的规划命令加速度，remDis表示规划剩余距离，actualPos表示轴实际位置，motorPos表示由伺服电机编码器反馈计算所得的轴位置，posCorrection表示轴位置反馈修正量，cmdPos表示新的插补命令位置点，cmdVel表示新的规划命令速度，cmdAcc表示新的规划命令加速度。

按流程所示，轴运动过程可划分为以下六个阶段：

①规划加速阶段

在轴运动指令执行初期以及在轴规划运动过程剩余足够距离且规划速度未达到进给速度时处于规划加速阶段。

规划过程如下：

首先对上一周期插补命令位置点及规划剩余距离进行全闭环修正：

lastCmdPos＝LastCmdPos+posCorrection；

remDis＝remDis-posCorrection；

根据加减速算法得出当前周期新的插补命令位置点cmdPos、规划速度cmdVel、加速度cmdAcc，以及剩余距离remDis等。

规划加速阶段完成进入规划匀速②或减速阶段③。

②规划匀速阶段

在轴规划运动过程剩余足够距离且规划速度达到进给速度时处于规划匀速阶段。

规划过程同加速阶段①。

规划匀速阶段完成进入规划减速阶段③。

③规划减速阶段

在轴规划运动过程剩余距离不足以匀速或加速运行时处于规划减速阶段。

规划过程与①相比，无插补命令位置点及规划剩余距离进行全闭环修正过程，而是利用减速规划实现全闭环控制。

规划减速过程中若有新的运动指令等待，可接收进入轴命令进给速度变化规划阶段④；规划减速过程完成进入定位完成阶段⑤。

④轴命令进给速度变化规划阶段

在规划匀速阶段进给速度调整期间(例如进给倍率调整)，或在规划减速过程新增加运动指令，***进入轴命令进给速度变化规划阶段。

规划过程同加速阶段①。

轴命令进给速度变化规划阶段属于速度调整阶段，完成后根据规划的加速度判断进入①、②或③。

⑤定位完成阶段

在规划减速阶段完成后，插补命令位置点cmdPos与目标位置点相同，规划命令速度cmdVel为0，规划加速度cmdAcc为0，规划剩余距离为0，轴运动规划完成，此阶段为定位完成阶段。

此阶段为定位点全闭环控制，***提供定位计时，时长由***参数指定，保证定位精确。当达到定位计时时长，进入轴无运动阶段⑥；若此阶段有新运动指令命令，接收运动指令，进入规划加速阶段①。

⑥轴无运动阶段

在轴运动指令执行完成，或无运动指令执行时，此阶段为轴无运动阶段。

此阶段采用半闭环控制，外接位置传感装置只用于轴实际位置的计算与随动误差的计算。

(3)PID控制

参见图3，本发明中PID控制分为四种方式：

①轴无运动阶段的轴定位点半闭环PID控制

②规划加速阶段、匀速阶段以及轴命令进给速度变化规划阶段的基于电机和机床位置双反馈动态修正的闭环PID控制

③规划减速阶段以及定位完成阶段的全闭环PID控制。

Claims (5)

1.一种基于电机和机床位置双反馈的轴运动控制方法，其特征在于，对轴运动指令利用伺服电机编码器反馈与机床位置传感装置进行轴运动规划，形成加工过程中的轴速度设置值，由轴控制部分实现加工过程中轴运动插补点，经PID控制实现对轴传动装置中伺服电机的平稳转动；

所述轴运动规划处于规划加速阶段、规划匀速阶段或轴命令进给速度变化规划阶段时，轴控制采用基于电机和机床位置双反馈动态修正的闭环控制，增加对上一周期插补命令位置点及规划剩余距离进行全闭环修正：

lastCmdPos'＝lastCmdPos+posCorrection；

remDis'＝remDis-posCorrection；

其中lastCmdPos表示上一周期修正前的插补命令位置点，lastCmdPos'表示上一周期修正后的插补命令位置点，posCorrection表示轴位置反馈修正量，remDis表示修正前规划剩余距离，remDis'表示修正后规划剩余距离；PID控制采用基于电机和机床位置双反馈动态修正的闭环PID控制；

所述轴运动规划处于规划减速阶段或定位完成阶段时，轴控制采用全闭环控制；PID控制采用全闭环PID控制；

所述轴运动规划处于轴无运动阶段时，轴控制采用半闭环控制；PID控制采用轴定位点半闭环PID控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于电机和机床位置双反馈的轴运动控制方法，其特征在于，所述轴运动规划为在轴运动过程中，通过机床轴最终执行端的外接位置传感装置所得轴反馈位置，与伺服电机编码器反馈计算所得轴反馈位置，二者之差对轴运动规划位置点不断进行修正，重新计算运动规划剩余距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于电机和机床位置双反馈的轴运动控制方法，其特征在于，所述半闭环控制，是指抛开机床轴执行终端的直接反馈，即外接位置传感装置。

4.根据权利要求1所述的一种基于电机和机床位置双反馈的轴运动控制方法，其特征在于，所述全闭环控制，是指在机床轴的最终执行端设置监测，即外接位置传感装置，反馈回的信号直接用于机床轴运动的调整，而与伺服电机编码器的反馈无关。

5.根据权利要求3或4所述的一种基于电机和机床位置双反馈的轴运动控制方法，其特征在于，所述外接位置传感装置可以为光栅尺、球栅尺，也可以为旋转轴的外接编码器。