專利名稱：一種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其位置控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬先進(jìn)控制領(lǐng)域，具體涉及高速高精度加工的基礎(chǔ)技術(shù)之一的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)?；跀?shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)控制，本發(fā)明為開放式數(shù)控系統(tǒng)提出一種高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其位置控制方法。
背景技術(shù)：
開放式數(shù)控系統(tǒng)、高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、高精度傳感器是高速高精度加工的基礎(chǔ)技術(shù)。在機(jī)床的數(shù)字控制中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要用于控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角。所謂轉(zhuǎn)速控制又稱速度模式，也就是速度控制，用于控制主軸的轉(zhuǎn)速；所謂轉(zhuǎn)角控制又稱位置模式，也就是位置控制，用于控制坐標(biāo)軸的位移。由位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)構(gòu)成的PID控制器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本技術(shù)方案。速度環(huán)中的速度增益和速度積分時(shí)間常數(shù)、位置環(huán)中的比例系數(shù)增益是需要調(diào)整的基本參數(shù)。這些參數(shù)值，取決于機(jī)械系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)副的摩擦力與運(yùn)動(dòng)部件的慣量、進(jìn)給速度與加速度、切削力、電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量與輸出慣量等眾多外部因素以及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)滯。從公開的統(tǒng)計(jì)資料來看，數(shù)控設(shè)備中75%以上的故障出自運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其主要原因在于，這些因素都是非線性的，在加工過程中必然產(chǎn)生上述參數(shù)值的漂移，從而導(dǎo)致工件的加工精度超差。在工程技術(shù)中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)又稱為伺服驅(qū)動(dòng)裝置，數(shù)控系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)之間的界面則稱為運(yùn)動(dòng)控制接口。本發(fā)明涉及位置模式的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其接收與執(zhí)行的數(shù)字控制信息為坐標(biāo)軸的離散位置信息，位置反饋信息由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)的嵌式入系統(tǒng)處理。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本問題是單軸的高精度隨動(dòng)控制與多軸聯(lián)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制。面對(duì)上述種種非線性因素所產(chǎn)生的非線性復(fù)雜性，根據(jù)現(xiàn)代控制理論與基于IEEE定義的現(xiàn)有開放式數(shù)控系統(tǒng)，綜述文獻(xiàn)《高性能運(yùn)動(dòng)控制在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述》(《信息與控制》， 2003年第3期，作者王軍平，王安，敬忠良，陳全世)評(píng)述了現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在高速高精度加工方面存在的主要問題與發(fā)展方向。1、復(fù)合控制問題在非線性多變量系統(tǒng)中的應(yīng)用申，復(fù)合控制成為當(dāng)前控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。所謂復(fù)合控制就是在PID控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他控制算法構(gòu)建復(fù)合控制器。這些附加的補(bǔ)償控制算法通過在線實(shí)時(shí)調(diào)整位置環(huán)與速度環(huán)的參數(shù)，用于抑制種種非線性擾動(dòng)所產(chǎn)生的影響。系統(tǒng)辨識(shí)、建立誤差補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型與誤差補(bǔ)償方程、確定誤差補(bǔ)償控制算法與補(bǔ)償控制器，是現(xiàn)有復(fù)合控制的基本技術(shù)方案。由于環(huán)境因素(系統(tǒng)輸入的隨機(jī)擾動(dòng)與傳感器的測量噪聲)的不確定性與模型因素(數(shù)學(xué)模型的參數(shù)與結(jié)構(gòu))的不確定性，對(duì)于具有非線性、強(qiáng)耦合、不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，很難從理論上進(jìn)行性能設(shè)計(jì)和分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)成為系統(tǒng)辨識(shí)的基礎(chǔ)，只有高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能獲得良好的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)者只能利用歷史經(jīng)驗(yàn)、簡化的理論公式、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定模型的結(jié)構(gòu)和定義模型的參數(shù)，再經(jīng)過線性化處理得到簡化的誤差補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型與誤差補(bǔ)償方程，進(jìn)而設(shè)計(jì)誤差補(bǔ)償控制算法，實(shí)時(shí)計(jì)算輪廓誤差完成誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。因而，“面向?qū)嶋H工業(yè)過程的特點(diǎn)研究發(fā)展各種對(duì)模型要求低、在線計(jì)算簡單方便、實(shí)時(shí)性好、控制效果佳的控制新算法”成為現(xiàn)有復(fù)合控制技術(shù)的發(fā)展方向。2、時(shí)滯問題時(shí)滯是工業(yè)過程中固有的特性，是物理系統(tǒng)中的最難控制的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。任何過程都有時(shí)滯，靜態(tài)下的時(shí)滯稱為靜態(tài)時(shí)滯。種種非線性因素所產(chǎn)生的非線性復(fù)雜性與不確定性都使時(shí)滯發(fā)生變化，形成動(dòng)態(tài)時(shí)滯，導(dǎo)致坐標(biāo)軸不同步而產(chǎn)生輪廓誤差。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用高速加工時(shí)，進(jìn)給速度大大提高，時(shí)滯產(chǎn)生的坐標(biāo)軸不同步使工件的輪廓誤差顯著增加。動(dòng)態(tài)時(shí)滯導(dǎo)致的坐標(biāo)軸不同步所產(chǎn)生的輪廓誤差是影響加工精度的重要因素。為了解決因動(dòng)態(tài)時(shí)滯導(dǎo)致的多軸不同步所產(chǎn)生的輪廓誤差，交叉耦合控制(Cross Coupling Control,CCC)成為現(xiàn)有數(shù)字控制技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。所謂交叉耦合控制是將伺服驅(qū)動(dòng)裝置的實(shí)際位移量兩兩相互耦合，通過適當(dāng)?shù)恼`差數(shù)學(xué)模型，在線計(jì)算輪廓誤差，完成輪廓誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。對(duì)于三軸及三軸以上的多軸系統(tǒng)，由于交叉耦合控制必然產(chǎn)生組合爆炸，一般只能用于2軸系統(tǒng)。因而，采用零相差跟蹤控制原理(Zero phase error tracking control, ZPETC)結(jié)合前饋控制(look-ahead)，提高單軸隨動(dòng)控制的精度，成為解決時(shí)滯的技術(shù)途徑之一。發(fā)明人認(rèn)為，現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)存在下述缺陷。1、現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)方法上述綜述文獻(xiàn)認(rèn)為，“控制策略的實(shí)現(xiàn)問題實(shí)際上就是開放式體系結(jié)構(gòu)的研究，這也是實(shí)現(xiàn)高性能、智能化數(shù)控的關(guān)鍵技術(shù)”，控制策略對(duì)用戶的開放性成為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究重點(diǎn)?，F(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方法是，將現(xiàn)代控制理論的研究方法，系統(tǒng)辨識(shí)、建立數(shù)學(xué)模型、推導(dǎo)微分方程等過程形式化，套換為技術(shù)方法。為敘述方便，將這種方法簡稱為理論形式化方法。對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的非線性復(fù)雜性，這種方法很難從理論上進(jìn)行性能設(shè)計(jì)和分析，整個(gè)控制結(jié)構(gòu)的確定缺乏理論依據(jù)，多是憑借開發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)選定。系統(tǒng)辨識(shí)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)模型、微分方程組均依賴具體控制對(duì)象及其具體環(huán)境，都必須進(jìn)行線性化處理。 這種方法所得到的結(jié)論只是宏觀性質(zhì)的指導(dǎo)性意見，導(dǎo)致參數(shù)調(diào)整特別困難，缺乏廣泛的實(shí)用性，與工程技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)方法差異很大。特別是，這種方法勢必導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)成為所謂的專家型系統(tǒng)，即只有精通現(xiàn)代控制理論且實(shí)際經(jīng)驗(yàn)豐富的專家才能開發(fā)的系統(tǒng)， 用戶無法進(jìn)行二次開發(fā)，從而完全喪失了開放性。另一方面，現(xiàn)有開放式數(shù)控系統(tǒng)基于IEEE關(guān)于開放式數(shù)控系統(tǒng)的定義，完全被 IEEE定義“計(jì)算機(jī)化”，成為需要配置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，數(shù)控軟件系統(tǒng)則只是其中的一個(gè)專用應(yīng)用系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中關(guān)于內(nèi)外資源的管理機(jī)制以及關(guān)于內(nèi)外環(huán)境變化的應(yīng)變機(jī)制與插補(bǔ)迭代控制算法的運(yùn)算規(guī)則緊密耦合在一起構(gòu)成一種普適的數(shù)字控制方法即插補(bǔ)迭代控制方法。囿于IEEE定義，現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)遵循插補(bǔ)迭代控制方法的基本原則，力求尋找誤差補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型、建立誤差補(bǔ)償方程、研發(fā)在線計(jì)算簡單、實(shí)時(shí)性好、控制效果佳的插補(bǔ)迭代控制算法。這種方法不僅難以充分利用某個(gè)變量的未來信息與歷史信息，更難以處理多個(gè)變量的未來信息與歷史信息。2、運(yùn)動(dòng)控制接口現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線(Field bus)與數(shù)控系統(tǒng)連接，國標(biāo)“GB/T 18759. 2-2006 ·機(jī)械電氣設(shè)備·開放式數(shù)控系統(tǒng)·第2部分體系結(jié)構(gòu)”設(shè)置了 5. 6款，要求支持各類現(xiàn)場總線(例如CAN、Prof ibus、Sercos等)，國標(biāo)〈〈GB/T 18759. 3-2009 ·機(jī)械電氣設(shè)備·開放式數(shù)控系統(tǒng) 第3部分總線接口與通信協(xié)議》進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)場總線予以規(guī)范。為此，現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)必須耗費(fèi)大量實(shí)時(shí)計(jì)算資源處理通信周期掌控下的實(shí)時(shí)通信任務(wù)。3、標(biāo)準(zhǔn)化問題在基于IEEE定義的現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，位置環(huán)在其采樣周期中讀取位置指令時(shí)，必須與數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期嚴(yán)格保持同步。換言之，現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)只能與同品牌的數(shù)控系統(tǒng)匹配，不具備互換性。這樣一來，插補(bǔ)周期與通信周期便成為制約現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的難以逾越的障礙。本發(fā)明基于數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)控制，從上述方面重新審視運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其位置控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)控制，為開放式數(shù)控系統(tǒng)提出一種開放的標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其位置控制方法。本發(fā)明采用聯(lián)動(dòng)接口接收聯(lián)動(dòng)命令，在軸聯(lián)動(dòng)表文件中配置特征表與調(diào)整表，從而舍棄現(xiàn)有技術(shù)中的理論形式化方法，將工程技術(shù)領(lǐng)域處理非線性多變量的常規(guī)技術(shù)手段引入運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，提出一種存儲(chǔ)信息控制方法。對(duì)于負(fù)載的確定性變化所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)時(shí)滯與位置誤差，本發(fā)明在電流環(huán)中設(shè)置電流前饋控制，為控制動(dòng)態(tài)時(shí)滯提供了一種新的技術(shù)手段。本發(fā)明的技術(shù)方案說明如下。 一種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括PID控制器，文件存儲(chǔ)器，扇區(qū)分析模塊，聯(lián)動(dòng)接口，串行接口 ；所述PID控制器包括位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)及傳感器，用于控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角；所述文件存儲(chǔ)器通過所述串行接口與上位機(jī)連接，用于接收并存儲(chǔ)所述上位機(jī)發(fā)送的軸聯(lián)動(dòng)表文件；所述軸聯(lián)動(dòng)表文件包括軸聯(lián)動(dòng)表；所述軸聯(lián)動(dòng)表用于存儲(chǔ)坐標(biāo)值增量，控制坐標(biāo)軸產(chǎn)生軸位移；所述扇區(qū)分析模塊用于讀取所述軸聯(lián)動(dòng)表文件中的數(shù)字控制信息；所述聯(lián)動(dòng)接口用于接收上位機(jī)發(fā)送的聯(lián)動(dòng)命令；所述聯(lián)動(dòng)命令為一個(gè)同步脈沖；所述串行接口用于接收上位機(jī)發(fā)送的所述軸聯(lián)動(dòng)表。進(jìn)一步地，所述串行接口包括現(xiàn)場總線、RS232與RS485接口、USB接口、移動(dòng)存儲(chǔ)器、無線接口。進(jìn)一步地，所述軸聯(lián)動(dòng)表文件還包括特征表；所述特征表用于標(biāo)識(shí)該坐標(biāo)軸的邏輯屬性；所述邏輯屬性包括進(jìn)給當(dāng)量、數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。進(jìn)一步地，所述軸聯(lián)動(dòng)表文件還包括伺服參數(shù)的調(diào)整表；所述伺服參數(shù)包括位置環(huán)比例系數(shù)、速度環(huán)比例系數(shù)、速度環(huán)積分常數(shù)、速度前饋系數(shù)、加速度前饋系數(shù)、電流前饋增量、電子齒輪傳動(dòng)比等；所述調(diào)整表用于標(biāo)識(shí)所述伺服參數(shù)的調(diào)整方向與調(diào)整量進(jìn)一步地，所述伺服參數(shù)還包括電流前饋增量；對(duì)于電流環(huán)的每個(gè)采樣周期，所述電流前饋增量為電流給定值的修正量。進(jìn)一步地，所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征還在于，對(duì)于每個(gè)預(yù)期要調(diào)控的坐標(biāo)值增量，設(shè)置相應(yīng)的調(diào)整表。進(jìn)一步地，所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征還在于，所述電流前饋增量按照下述公式估算AIijj = KifAFijX/m (i = 1，· · ·，n，j = 1，· · ·，m)式中，Δ Iy為電流前饋增量，AFi,χ為坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度增量，m為速度環(huán)采樣周期中包含的電流環(huán)采樣周期的個(gè)數(shù)，η為軸聯(lián)動(dòng)表中坐標(biāo)值增量的個(gè)數(shù)，Kif為修正系數(shù)。一種運(yùn)動(dòng)控制的位置控制方法，其特征在于，包括下述步驟步驟1、軸聯(lián)動(dòng)表接收存儲(chǔ)步驟所述步驟1用于所述串行接口從上位機(jī)接收所述軸聯(lián)動(dòng)表并存儲(chǔ)在所述文件存儲(chǔ)器中；步驟2、邏輯屬性設(shè)置步驟所述步驟2用于所述扇區(qū)分析模塊從所述文件存儲(chǔ)器讀取特征表，設(shè)置坐標(biāo)軸的邏輯屬性；所述邏輯屬性包括進(jìn)給當(dāng)量、數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。步驟3、聯(lián)動(dòng)命令接收步驟，所述聯(lián)動(dòng)接口從上位機(jī)接收所述聯(lián)動(dòng)命令；步驟4、伺服參數(shù)設(shè)置步驟，所述扇區(qū)分析模塊從所述文件存儲(chǔ)器讀取調(diào)整表，設(shè)置并調(diào)整伺服參數(shù)；所述伺服參數(shù)包括位置環(huán)比例系數(shù)、速度環(huán)比例系數(shù)、速度環(huán)積分常數(shù)、速度前饋系數(shù)、加速度前饋系數(shù)、電流前饋增量、電子齒輪傳動(dòng)比；步驟5、位置環(huán)寫入步驟，所述扇區(qū)分析模塊從所述軸聯(lián)動(dòng)表讀取坐標(biāo)值增量并寫入位置環(huán)，驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸進(jìn)給，直至所述軸聯(lián)動(dòng)表的終點(diǎn)。進(jìn)一步地，所述位置控制方法，其特征還在于，對(duì)于每個(gè)需要調(diào)控的坐標(biāo)值增量， 在電流環(huán)的每個(gè)采樣周期，根據(jù)電流前饋增量△ Ii,χ修正電流給定值。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比所具有的有益效果是1、從公開的統(tǒng)計(jì)資料來看，數(shù)控系統(tǒng)中75%以上的故障出自運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(伺服驅(qū)動(dòng)裝置)。在基于IEEE定義的現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線與數(shù)控系統(tǒng)連接。為此，現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)必須耗費(fèi)大量實(shí)時(shí)計(jì)算資源處理通信周期掌控下的實(shí)時(shí)通信任務(wù)。本發(fā)明基于數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)控制，所提出的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)接口和非實(shí)時(shí)串行接口與數(shù)控系統(tǒng)連接。所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過聯(lián)動(dòng)接口接收上位機(jī)發(fā)送的聯(lián)動(dòng)命令。 在發(fā)送端，聯(lián)動(dòng)接口類似按Ati(i = 1，...，n)的節(jié)律不斷地單向傳輸狀態(tài)字的并行接口 ； 在接收端，一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分別與聯(lián)動(dòng)接口的一個(gè)數(shù)據(jù)位連接，類似一根中斷控制線。因而，本發(fā)明提出的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)無須設(shè)置通信周期，實(shí)時(shí)通信接口極為簡單，節(jié)省了大量實(shí)時(shí)計(jì)算資源，維護(hù)調(diào)試方便，顯著提高了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性。2、高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是高速高精度加工的基礎(chǔ)技術(shù)?，F(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用64 位高速DSP芯片，具有強(qiáng)大的信息處理能力。然而，由于電流環(huán)中的矢量控制算法以及其它種種PID復(fù)合控制算法都是實(shí)時(shí)算法，實(shí)時(shí)計(jì)算資源極為稀缺，“在線計(jì)算簡單方便、實(shí)時(shí)性好”的控制算法始終是現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展方向。在基于IEEE定義的現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)字控制信息。特別是，按照插補(bǔ)周期的節(jié)律，坐標(biāo)軸的離散位置信息在實(shí)時(shí)插補(bǔ)迭代過程中生成并在通信周期掌控下的實(shí)時(shí)通信過程中發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，加工刀路曲線所需要的歷史信息湮滅了，其未來信息則弄巧成拙，需要高速程序預(yù)處理技術(shù)來預(yù)先挖掘。在本發(fā)明中，除聯(lián)動(dòng)命令外，在軸聯(lián)動(dòng)表文件中事先配置了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所需要的其它全部數(shù)字控制信息，包括刀路曲線的歷史信息、當(dāng)前信息與未來信息，坐標(biāo)軸的邏輯屬性與運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)特征、伺服參數(shù)的調(diào)整策略等。所述軸聯(lián)動(dòng)表文件采用符合FAT等標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)文件格式，可以攜帶加工刀路曲線所需要的全部數(shù)字控制信息。與基于IEEE定義的現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)比，本發(fā)明通過聯(lián)動(dòng)接口與軸聯(lián)動(dòng)表文件兩方面顯著節(jié)省了實(shí)時(shí)計(jì)算資源，克服了前饋環(huán)節(jié)的采樣周期長、算法復(fù)雜等缺陷，為研發(fā)新算法創(chuàng)造了有利條件。3、時(shí)滯是工業(yè)過程中固有的特性，是物理系統(tǒng)中的最難控制的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。在刀路曲線的加工過程中，坐標(biāo)軸的軸向進(jìn)給力隨曲率的變化而變化，從而導(dǎo)致坐標(biāo)軸的負(fù)載隨曲率的變化而變化，這是坐標(biāo)軸的離散運(yùn)動(dòng)必然產(chǎn)生的結(jié)果。負(fù)載的確定性變化所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)時(shí)滯成為PID控制器的內(nèi)生變量。在基于IEEE定義的現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，負(fù)載的確定性變化與PID控制的基本原理相悖，既使采用速度、加速度前饋控制，也不可能校正速度環(huán)的采樣周期內(nèi)經(jīng)電流環(huán)而累積的動(dòng)態(tài)時(shí)滯與位置誤差。本發(fā)明在電流環(huán)中設(shè)置電流前饋增量，對(duì)于電流環(huán)的每個(gè)采樣周期，調(diào)整電流前饋增量以補(bǔ)償負(fù)載的確定性變化所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)時(shí)滯與位置誤差，為控制動(dòng)態(tài)時(shí)滯提供了一種新的技術(shù)手段。4、在基于IEEE定義的現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，將現(xiàn)代控制理論的研究方法，系統(tǒng)辨識(shí)、建立數(shù)學(xué)模型、推導(dǎo)微分方程等過程形式化，套換為技術(shù)方法即理論形式化方法。這種方法導(dǎo)致現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)成為所謂的專家型系統(tǒng)，即只有精通現(xiàn)代控制理論且實(shí)際經(jīng)驗(yàn)豐富的專家才能開發(fā)的系統(tǒng)，用戶無法進(jìn)行二次開發(fā)，從而完全喪失了開放性。本發(fā)明將工程技術(shù)領(lǐng)域處理非線性多變量的常規(guī)技術(shù)手段引入運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，在軸聯(lián)動(dòng)表文件中配置特征表與調(diào)整表，提出一種存儲(chǔ)信息控制方法。所述特征表與調(diào)整表包括刀路曲線的歷史信息、當(dāng)前信息與未來信息，坐標(biāo)軸的邏輯屬性與運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)特征、伺服參數(shù)的調(diào)整策略等，對(duì)用戶完全開放。因此。本發(fā)明所提出的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其位置控制方法是完全開放的。5、標(biāo)準(zhǔn)化 現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基于IEEE定義，位置環(huán)在其采樣周期中讀取位置指令時(shí)，必須與數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期嚴(yán)格保持同步。換言之，現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)只能與同品牌的數(shù)控系統(tǒng)匹配，不具備互換性，難以標(biāo)準(zhǔn)化。本發(fā)明基于數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)控制，其上位機(jī)不存在插補(bǔ)周期，所提出的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以與任何上位機(jī)連接，是一種通用的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，從根本上解決了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化問題。


圖1為一種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式眾所周知，在機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字控制過程中，所謂實(shí)時(shí)過程就是控制相關(guān)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)以合成刀路曲線(Tool Path)。所謂數(shù)字控制就是將刀路曲線離散為坐標(biāo)軸所需要的離散位置信息并以一定的時(shí)間間隔發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)裝置，控制坐標(biāo)軸的合成位移。在一般情況下，設(shè)聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)軸為X、y、Z、A、B等5軸，刀路曲線為X、y、Z、A、B等 5個(gè)變量的函數(shù)。將X、y、Z、A、B等5個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)裝置接收的坐標(biāo)值增量依時(shí)序列為表1。表 權(quán)利要求
1.一種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括PID控制器，文件存儲(chǔ)器，扇區(qū)分析模塊，聯(lián)動(dòng)接口，串行接口 ；所述PID控制器包括位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)及傳感器，用于控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角； 所述文件存儲(chǔ)器通過所述串行接口與上位機(jī)連接，用于接收并存儲(chǔ)所述上位機(jī)發(fā)送的軸聯(lián)動(dòng)表文件；所述軸聯(lián)動(dòng)表文件包括軸聯(lián)動(dòng)表；所述軸聯(lián)動(dòng)表用于存儲(chǔ)坐標(biāo)值增量，控制坐標(biāo)軸產(chǎn)生軸位移；所述扇區(qū)分析模塊用于讀取所述軸聯(lián)動(dòng)表文件中的數(shù)字控制信息； 所述聯(lián)動(dòng)接口用于接收上位機(jī)發(fā)送的聯(lián)動(dòng)命令；所述聯(lián)動(dòng)命令為一個(gè)同步脈沖。
2.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征還在于，所述串行接口包括現(xiàn)場總線、 RS232與RS485接口、USB接口、移動(dòng)存儲(chǔ)器或無線接口。
3.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征還在于，所述軸聯(lián)動(dòng)表文件還包括特征表；所述特征表用于標(biāo)識(shí)該坐標(biāo)軸的邏輯屬性；所述邏輯屬性包括進(jìn)給當(dāng)量、數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征還在于，所述軸聯(lián)動(dòng)表文件還包括伺服參數(shù)的調(diào)整表；所述調(diào)整表用于標(biāo)識(shí)所述伺服參數(shù)的調(diào)整方向與調(diào)整量；所述伺服參數(shù)包括位置環(huán)比例系數(shù)、速度環(huán)比例系數(shù)、速度環(huán)積分常數(shù)、速度前饋系數(shù)、加速度前饋系數(shù)、電子齒輪傳動(dòng)比。
5.如權(quán)利要求4所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征還在于，所述伺服參數(shù)還包括電流前饋增量；對(duì)于電流環(huán)的每個(gè)采樣周期，所述電流前饋增量為電流給定值的修正量。
6.如權(quán)利要求4或5所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征還在于，對(duì)于每個(gè)預(yù)期要調(diào)控的坐標(biāo)值增量，設(shè)置相應(yīng)的調(diào)整表。
7.如權(quán)利要求5所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征還在于，所述電流前饋增量按照下述公式估算Δ Iij j = Kif AFij x/m (i = 1, . . . , η, j = 1,…，m)式中，Δ Iy為電流前饋增量，AFi,χ為坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度增量，m為速度環(huán)采樣周期中包含的電流環(huán)采樣周期的個(gè)數(shù)，η為軸聯(lián)動(dòng)表中坐標(biāo)值增量的個(gè)數(shù)，Kif為修正系數(shù)。
8.一種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的位置控制方法，其特征在于，包括下述步驟 步驟1、軸聯(lián)動(dòng)表接收存儲(chǔ)步驟，所述串行接口從上位機(jī)接收所述軸聯(lián)動(dòng)表并存儲(chǔ)在所述文件存儲(chǔ)器中； 步驟2、邏輯屬性設(shè)置步驟，所述扇區(qū)分析模塊從所述文件存儲(chǔ)器讀取特征表，設(shè)置坐標(biāo)軸的邏輯屬性；所述邏輯屬性包括進(jìn)給當(dāng)量、數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；步驟3、聯(lián)動(dòng)命令接收步驟，所述聯(lián)動(dòng)接口從上位機(jī)接收所述聯(lián)動(dòng)命令；步驟4、伺服參數(shù)設(shè)置步驟，所述扇區(qū)分析模塊從所述文件存儲(chǔ)器讀取調(diào)整表，設(shè)置并調(diào)整伺服參數(shù)；所述伺服參數(shù)包括位置環(huán)比例系數(shù)、速度環(huán)比例系數(shù)、速度環(huán)積分常數(shù)、速度前饋系數(shù)、加速度前饋系數(shù)、電流前饋增量△ Ii, ”電子齒輪傳動(dòng)比； 步驟5、位置環(huán)寫入步驟，所述扇區(qū)分析模塊從所述軸聯(lián)動(dòng)表讀取坐標(biāo)值增量并寫入位置環(huán)，驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸進(jìn)給， 直至所述軸聯(lián)動(dòng)表的終點(diǎn)。
9.如權(quán)利要求8所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的位置控制方法，其特征還在于，對(duì)于每個(gè)需要調(diào)控的坐標(biāo)值增量，在電流環(huán)的每個(gè)采樣周期，根據(jù)電流前饋增量△ Iy修正電流給定值。
全文摘要
本發(fā)明為開放式數(shù)控系統(tǒng)提出一種完全開放的標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其位置控制方法。在本發(fā)明中，無須設(shè)置通信周期，實(shí)時(shí)通信接口極為簡單，節(jié)省了大量實(shí)時(shí)計(jì)算資源，維護(hù)調(diào)試方便，顯著提高了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明中的聯(lián)動(dòng)接口與軸聯(lián)動(dòng)表文件顯著節(jié)省了實(shí)時(shí)計(jì)算資源，克服了前饋環(huán)節(jié)的采樣周期長、算法復(fù)雜等缺陷，為研發(fā)新算法創(chuàng)造了有利條件。對(duì)于負(fù)載的確定性變化所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)時(shí)滯與位置誤差，本發(fā)明在電流環(huán)中設(shè)置電流前饋控制，為控制動(dòng)態(tài)時(shí)滯提供了一種新的技術(shù)手段。
文檔編號(hào)G05B19/18GK102354146SQ201110206659
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者江俊逢 申請(qǐng)人:江俊逢