CN108121201A - 一种内部位置伺服控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种内部位置伺服控制方法，伺服驱动器内部设置有位置指令生成器，接收外部输入的电机运行参数，运行参数包括电机运行最高转速Vmax、加速时间tacc、减速时间tdec、运行距离S；位置指令生成器生成以伺服电机编码器脉冲为单位的位置指令，并将位置指令输入伺服驱动器的位置环PID控制器，控制对应的电机运转。本发明具有以下优点：减少***的成本；不容易受到干扰；指令时延小，响应快；可以实现自动回归原点功能和柔性电子齿轮功能；可以内置多段位置曲线；可以实现不对称加减速，即电机升速时的加速度与电机减速时的加速度不同。
Description
技术领域
本发明涉及一种运动控制方法，尤其是涉及一种内部位置伺服控制方法。
背景技术
目前伺服***的位置控制时需要上位机控制***如PLC，控制器或板卡给伺服驱动器发送位置控制脉冲，即上位控制器通过输出一定数量和频率的脉冲串控制伺服电机的定位运动；脉冲串的频率决定了电机运行的速度，脉冲串的个数决定了电机运行的距离(也决定了电机旋转圈数)。
发明内容
本发明提供一种内部位置伺服控制方法，内部位置指的是位置算法集成在伺服驱动器内部，通过在伺服驱动器内部实现电机点到点位置控制功能，不需要上位机控制***如PLC，控制器或板卡给伺服驱动器发送位置控制脉冲，即伺服单元能够根据预先设定多个位置点的坐标参数自动产生伺服电机的定位命令，实现电机“点到点”定位功能，通过驱动器内置算法可以自动规划电机运行曲线，控制电机旋转。
其技术方案如下所述：
一种内部位置伺服控制方法，伺服驱动器内部设置有位置指令生成器，接收外部输入的电机运行参数，运行参数包括电机运行最高转速Vmax、加速时间tacc、减速时间tdec、运行距离S；位置指令生成器生成以伺服电机编码器脉冲为单位的位置指令，并将位置指令输入伺服驱动器的位置环PID控制器，控制对应的电机运转。
位置指令生成器将位置指令输入位置环PID控制器，接收电机的位置反馈；位置环PID控制器将速度指令输入速度环PID控制器，接收电机的速度反馈；速度环PID控制器将电流指令输入电流环PID控制器，接收电机的电流反馈；电流环PID控制器将PWM输出输入到逆变器，所述逆变器连接到电机。
所述位置指令生成器根据运行参数发出位置指令，并在运行后能够采取回归零点控制操作，进而控制伺服驱动器的位置回归零点。
位置指令生成器根据输入的电机运行最高转速Vmax，加速时间tacc，减速时间tdec，运行距离S，生成以伺服电机编码器脉冲为单位的位置指令，过程如下：
步骤(1)，根据运行距离S，计算总的电机运行脉冲数psum，电机运行在最高转速Vmax时，每个控制周期内的脉冲数pVmax：
步骤(2)，根据加速时间tacc和减速时间tdec，计算加速过程中期望需要的脉冲数p′acc，减速过程中期望需要的脉冲数p′dec，在每个控制周期中的加速脉冲增量Δpacc和减速脉冲增量Δpdec：
其中，伺服电机旋转kMR圈时，机械部件移动的位移(mm)或旋转的角度(°)值为kMM；电机编码器线数kM，即电机旋转一圈，编码器反馈的脉冲个数；控制周期T，即伺服驱动器位置环运算周期。
进一步的，步骤(2)中，如果：p′acc+p′dec＞psum，则加速过程中实际需要的脉冲数pacc，减速过程中期望需要的脉冲数pdec和匀速过程中实际需要的脉冲数pcon：
pcon＝0
则在加速阶段，每个控制周期内，位置控制指令pcmd为：
pcmd+＝Δpacc
如果pcmd≥pVmax，则pcmd＝pVmax；
在减速阶段，每个控制周期内，位置控制指令pcmd为：
pcmd-＝Δpdec
如果pcmd≤0，则pcmd＝0。
进一步的，步骤(2)中，如果：p′acc+p′dec≤psum，则加速过程中实际需要的脉冲数pacc，减速过程中期望需要的脉冲数pdec和匀速过程中实际需要的脉冲数pcon：
pacc＝p′acc
pdec＝p′dec
pcon＝psum-pacc-pdec
则在加速阶段，每个控制周期内，位置控制指令pcmd为：
pcmd+＝Δpacc
如果pcmd≥pVmax，则pcmd＝pVmax
在匀速运行阶段
pcmd＝pVmax
在减速阶段，每个控制周期内，位置控制指令pcmd为：
pcmd-＝Δpdec
如果pcmd≤0，则pcmd＝0。
机械伺服***在每次重新上电后需要让机械回归零点，位置指令生成器控制伺服驱动器的位置回归零点；位置指令生成器并采用回归零点生成器和Reghome；
Reghome：回零方式设置的寄存器，寄存器是一个5位十进制数，具体定义如下：
当***重新上电后，伺服驱动器会根据对Reghome的d位的设置，来决定是否执行回零程序；如果用户设置为回归零点，在回归零点生成器，会根据用户设置的Vhome1和Vhome2，控制电机回归零点，其中，
Vhome1：第一回零速度，高速回零的速度，单位rpm；
Vhome2：第二回零速度，收到零位信号后低速找Z信号的速度，单位rpm。
对于Reghome中的各位，
a)00：找到零点并冲过零点后反向对齐零点
01～32：找到零点后走内部设定的路径长度
33：找到零点并冲过零点后立即停止，不反向对齐零点；
b)回零找Z脉冲设置：
当c项设置为0，1，2，3时：
0：返回不找Z脉冲；
1：返回找Z脉冲；
c)零位信号和回零方向选择：
0：专用机械零点开关信号，CW(顺时针)反转方向回归机械零点；
1：专用机械零点开关信号，CCW(逆时针)正转方向回归机械零点；
2：反转限位开关信号CWL，电机按照CW(顺时针)反转方向回归机械零点；
3：正转限位开关信号CCWL，电机按照CCW(逆时针)正转方向回归机械零点；
4：CW(顺时针)反转直接寻找Z脉冲，作为回归原点；
5：CCW(逆时针)正转直接寻找Z脉冲，作为回归原点；
6：CW(顺时针)反转,转矩到达信号作为回归原点；
7：CCW(逆时针)正转,转矩到达信号作为回归原点；
d)零点回归运动启动方式：
0：无需回原点；
1：伺服on，马上执行回归机械零点运动；
2：伺服on，由有效回零信号触发执行回归机械零点运动。
与目前所有的控制方式相比，本发明具有以下优点：
一、不需要上位机控制***如PLC，控制器或板卡，可以大大减少***的成本；
二、由于位置控制指令生成算法在伺服驱动器内部实现，所以不容易受到干扰；
三、位置控制指令生成算法在伺服驱动器内部实现，指令时延小，响应快；
四、可以实现自动回归原点功能；
五、可以实现柔性电子齿轮功能；
六、可以内置多段位置曲线；
七、可以实现不对称加减速，即电机升速时的加速度与电机减速时的加速度不同。
附图说明
图1是内部位置控制架构图；
图2是一条典型的电机运行位置曲线；
图3是电机实际运行速度曲线图；
图4是电机实际运行速度曲线图；
图5是内部回归零点控制架构图。
具体实施方式
在一些成本要求严苛，应用环境噪声干扰复杂等场合，本发明不需要上位机控制***如PLC，控制器或板卡，可以大大减少***的成本；由于没有上位机控制器所以接线简单；由于位置控制指令生成算法在伺服驱动器内部实现，所以位置指令不会受到干扰。
本发明根据用户输入的电机运行最高转速Vmax，加速时间tacc，减速时间tdec，运行距离S，伺服驱动器内部通过位置指令生成器生成位置环所需要的位置指令。位置指令生成器接收用户输入的输入的电机运行最高转速Vmax，加速时间tacc，减速时间tdec，运行距离S，用户可以通过伺服驱动器内置的键盘输入相关参数，也可以通过RS232，RS485或CAN通讯来输入这些参数。位置指令生成器接收到用户输入的参数会通过内部算法生成以伺服电机编码器脉冲为单位的位置指令。位置指令输入伺服驱动器的位置环，控制电机运转。
通常伺服***位置控制时，如图2所示，完整的一条运行曲线需要包含以下几个要素：电机运行最高转速Vmax，加速时间tacc，减速时间tdec，运行距离S(也可采用电机的旋转圈数)，本发明只需要输入Vmax，tacc，tdec和S，伺服驱动器内部自动生成位置控制指令。
其中：
ta c：c加速运行时间，单位s
tcon：匀速运行时间，单位s
tdec：减速运行时间，单位s
Vmax：电机运行最高转速，单位rpm(转/分)
运行长度，单位(mm)或旋转的角度(°)，取决于kMR和kMM的定义。
为了应用方便定义如下参数：
1、机械传动系数kMR和kMM
两者所代表含义为伺服电机旋转kMR圈时，机械部件移动的位移(mm)或旋转的角度(°)值kMM。参数kMR和kMM定义了电机圆周分辨单位与用户机械坐标单位之间的换算关系，即伺服单元所有位置坐标参数都可以按照用户机械最终控制目标的机械坐标单位进行设置。
2、电机编码器线数kM，即电机旋转一圈，编码器反馈的脉冲个数。
3、控制周期T，即伺服驱动器位置环运算周期。
图1中“位置指令生成器”，即伺服驱动器根据用户输入的电机运行最高转速Vmax，加速时间tacc，减速时间tdec，运行距离S，生成以伺服电机编码器脉冲为单位的位置指令。
位置指令生成器将位置指令输入位置环PID控制器，接收电机的位置反馈；位置环PID控制器将速度指令输入速度环PID控制器，接收电机的速度反馈；速度环PID控制器将电流指令输入电流环PID控制器，接收电机的电流反馈；电流环PID控制器将PWM输出输入到逆变器，所述逆变器连接到电机。
流程如下：
1、根据运行距离S，计算总的电机运行脉冲数psum，电机运行在最高转速Vmax时，每个控制周期内的脉冲数pVmax：
2、根据加速时间tacc和减速时间tdec，计算加速过程中期望需要的脉冲数p′acc，减速过程中期望需要的脉冲数p′dec，在每个控制周期中的加速脉冲增量Δpacc和减速脉冲增量Δpdec：
(1)如果：p′acc+p′dec＞psum，则加速过程中实际需要的脉冲数pacc，减速过程中期望需要的脉冲数pdec和匀速过程中实际需要的脉冲数pcon：
pcon＝0
则电机实际运行速度曲线图为图3，此时电机没有匀速运行过程。则在加速阶段，每个控制周期内，位置控制指令pcmd为：
pcmd+＝Δpa c
如果pcmd≥pVmax，则pcmd＝pVmax
在减速阶段，每个控制周期内，位置控制指令pcmd为：
pcmd-＝Δpdec
如果pcmd≤0，则pcmd＝0
(2)如果：p′acc+p′dec≤psum，则加速过程中实际需要的脉冲数pacc，减速过程中期望需要的脉冲数pdec和匀速过程中实际需要的脉冲数pcon：
pacc＝p′acc
pdec＝p′dec
pcon＝psum-pacc-pdec
则电机实际运行速度曲线图为图4，此时电机没有匀速运行过程。
则在加速阶段，每个控制周期内，位置控制指令pcmd为：
pcmd+＝Δpa c
如果pcmd≥pVmax，则pcmd＝pVmax
在匀速运行阶段
pcmd＝pVm a
在减速阶段，每个控制周期内，位置控制指令pcmd为：
pcmd-＝Δpdec
如果pcmd≤0，则pcmd＝0
3、内部自动回归零点算法实现
机械伺服***在每次重新上电后需要让机械回归零点，关参数保存在伺服驱动器的内部存储器里，本内部位置伺服控制方法可以实现自动回归零点，不需要主控制器参与，可以减轻主控制器的负担。
如图5所示，根据Vhome1和Vhome2，回归指令控制器将位置指令输入位置环PID控制器，接收电机的位置反馈；位置环PID控制器将速度指令输入速度环PID控制器，接收电机的速度反馈；速度环PID控制器将电流指令输入电流环PID控制器，接收电机的电流反馈；电流环PID控制器将PWM输出输入到逆变器，所述逆变器连接到电机。
定义如下参数：
Vhome1：第一回零速度，高速回零的速度，单位rpm；
Vhome2：第二回零速度，收到零位信号后低速找Z信号的速度，单位rpm；
Reghome：回零方式设置的寄存器，寄存器是一个5位十进制数，具体定义如下：
a)00：找到零点并冲过零点后反向对齐零点
01～32：找到零点后走内部设定的路径长度
33：找到零点并冲过零点后立即停止，不反向对齐零点
b)回零找Z脉冲设置：
当c项设置为0，1，2，3时：
0：返回不找Z脉冲；
1：返回找Z脉冲。
c)零位信号和回零方向选择：
0：专用机械零点开关信号，CW(顺时针)反转方向回归机械零点；
1：专用机械零点开关信号，CCW(逆时针)正转方向回归机械零点；
2：反转限位开关信号CWL，电机按照CW(顺时针)反转方向回归机械零点；
3：正转限位开关信号CCWL，电机按照CCW(逆时针)正转方向回归机械零点；
4：CW(顺时针)反转直接寻找Z脉冲，作为回归原点；
5：CCW(逆时针)正转直接寻找Z脉冲，作为回归原点。
6：CW(顺时针)反转,转矩到达信号作为回归原点；
7：CCW(逆时针)正转,转矩到达信号作为回归原点。
d)零点回归运动启动方式：
0：无需回原点；
1：伺服on，马上执行回归机械零点运动；
2：伺服on，由有效回零信号触发执行回归机械零点运动。
当***重新上电后，伺服驱动器会根据用户对Reghome的d为的设置，来决定是否执行回零程序。如果用户设置为回归零点，在回归零点生成器，会根据用户设置的Vhome1和Vhome2，控制电机回归零点。
本发明具有以下优点：不需要上位机控制***如PLC，控制器或板卡，可以大大减少***的成本；由于位置控制指令生成算法在伺服驱动器内部实现，所以不容易受到干扰；位置控制指令生成算法在伺服驱动器内部实现，指令时延小，响应快；可以实现自动回归原点功能；可以实现柔性电子齿轮功能；可以内置多段位置曲线；可以实现不对称加减速，即电机升速时的加速度与电机减速时的加速度不同。
Claims (8)
1.一种内部位置伺服控制方法，其特征在于：伺服驱动器内部设置有位置指令生成器，接收外部输入的电机运行参数，运行参数包括电机运行最高转速Vmax、加速时间tacc、减速时间tdec、运行距离S；位置指令生成器生成以伺服电机编码器脉冲为单位的位置指令，并将位置指令输入伺服驱动器的位置环PID控制器，控制对应的电机运转。
2.根据权利要求1所述的内部位置伺服控制方法，其特征在于：位置指令生成器将位置指令输入位置环PID控制器，接收电机的位置反馈；位置环PID控制器将速度指令输入速度环PID控制器，接收电机的速度反馈；速度环PID控制器将电流指令输入电流环PID控制器，接收电机的电流反馈；电流环PID控制器将PWM输出输入到逆变器，所述逆变器连接到电机。
3.根据权利要求2所述的内部位置伺服控制方法，其特征在于：所述位置指令生成器根据运行参数发出位置指令，并在运行后能够采取回归零点控制操作，进而控制伺服驱动器的位置回归零点。
4.根据权利要求2所述的内部位置伺服控制方法，其特征在于：位置指令生成器根据输入的电机运行最高转速Vmax，加速时间tacc，减速时间tdec，运行距离S，生成以伺服电机编码器脉冲为单位的位置指令，过程如下：
步骤(1)，根据运行距离S，计算总的电机运行脉冲数psum，电机运行在最高转速Vmax时，每个控制周期内的脉冲数pVmax：
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步骤(2)，根据加速时间tacc和减速时间tdec，计算加速过程中期望需要的脉冲数p′acc，减速过程中期望需要的脉冲数p′dec，在每个控制周期中的加速脉冲增量Δpacc和减速脉冲增量Δpdec：
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其中，伺服电机旋转kMR圈时，机械部件移动的位移(mm)或旋转的角度(°)值为kMM；电机编码器线数kM，即电机旋转一圈，编码器反馈的脉冲个数；控制周期T，即伺服驱动器位置环运算周期。
5.根据权利要求4所述的内部位置伺服控制方法，其特征在于：步骤(2)中，如果：p′acc+p′dec＞psum，则加速过程中实际需要的脉冲数pacc，减速过程中期望需要的脉冲数pdec和匀速过程中实际需要的脉冲数pcon：
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pcon＝0
则在加速阶段，每个控制周期内，位置控制指令pcmd为：
pcmd+＝Δpacc
如果pcmd≥pVmax，则pcmd＝pVmax；
在减速阶段，每个控制周期内，位置控制指令pcmd为：
pcmd-＝Δpdec
如果pcmd≤0，则pcmd＝0。
6.根据权利要求4所述的内部位置伺服控制方法，其特征在于：步骤(2)中，如果：p′acc+p′dec≤psum，则加速过程中实际需要的脉冲数pacc，减速过程中期望需要的脉冲数pdec和匀速过程中实际需要的脉冲数pcon：
pacc＝p′acc
pdec＝p′dec
pcon＝psum-pacc-pdec
则在加速阶段，每个控制周期内，位置控制指令pcmd为：
pcmd+＝Δpacc
如果pcmd≥pVmax，则pcmd＝pVmax
在匀速运行阶段
pcmd＝pVmax
在减速阶段，每个控制周期内，位置控制指令pcmd为：
pcmd-＝Δpdec
如果pcmd≤0，则pcmd＝0。
7.根据权利要求3所述的内部位置伺服控制方法，其特征在于：机械伺服***在每次重新上电后需要让机械回归零点，位置指令生成器控制伺服驱动器的位置回归零点；位置指令生成器并采用回归零点生成器和Reghome；
Reghome：回零方式设置的寄存器，寄存器是一个5位十进制数，具体定义如下：
当***重新上电后，伺服驱动器会根据对Reghome的d位的设置，来决定是否执行回零程序；如果用户设置为回归零点，在回归零点生成器，会根据用户设置的Vhome1和Vhome2，控制电机回归零点，其中，
Vhome1：第一回零速度，高速回零的速度，单位rpm；
Vhome2：第二回零速度，收到零位信号后低速找Z信号的速度，单位rpm。
8.根据权利要求7所述的内部位置伺服控制方法，其特征在于：对于Reghome中的各位，
a)00：找到零点并冲过零点后反向对齐零点
01～32：找到零点后走内部设定的路径长度
33：找到零点并冲过零点后立即停止，不反向对齐零点；
b)回零找Z脉冲设置：
当c项设置为0，1，2，3时：
0：返回不找Z脉冲；
1：返回找Z脉冲；
c)零位信号和回零方向选择：
0：专用机械零点开关信号，CW(顺时针)反转方向回归机械零点；
1：专用机械零点开关信号，CCW(逆时针)正转方向回归机械零点；
2：反转限位开关信号CWL，电机按照CW(顺时针)反转方向回归机械零点；
3：正转限位开关信号CCWL，电机按照CCW(逆时针)正转方向回归机械零点；
4：CW(顺时针)反转直接寻找Z脉冲，作为回归原点；
5：CCW(逆时针)正转直接寻找Z脉冲，作为回归原点；
6：CW(顺时针)反转,转矩到达信号作为回归原点；
7：CCW(逆时针)正转,转矩到达信号作为回归原点；
d)零点回归运动启动方式：
0：无需回原点；
1：伺服on，马上执行回归机械零点运动；
2：伺服on，由有效回零信号触发执行回归机械零点运动。
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