兩平行軸同步移動伺服系統的控制設備和控制方法
2023-10-30 10:13:42 3
專利名稱：兩平行軸同步移動伺服系統的控制設備和控制方法
技術領域：
本發明涉及一種同步控制的方法，尤其涉及對兩平行軸的位置和速度進行同步控制的方法。
背景技術：
在機器人運動控制中，需要對兩個平行軸的位置和速度同步控制。
就兩平行軸的情況來說，目前最常見的方法有兩種，一種是兩平行軸通過剛性同步軸連接，另一種是兩軸分別用兩個伺服電機控制。前者的優點是，結構簡單，控制成本低，運行穩定可靠，在工業上的直角坐標機器人獲得了應用，其缺點是，軸線方向很長的同步軸加工困難，加工成本極高，故一般不可能做得很長，限制了兩平行軸的跨距，同步軸越長徑向撓度越大，高速旋轉時受到離心力的作用導致機械振動和噪音，故不適合用於大跨距高轉速的兩平行軸的同步控制。後者採用兩個伺服電機控制，增設一臺伺服電機，增加了控制成本，但是提高了運行的平穩性，在高速重載大跨距領域具有重要的實際意義。
用兩臺電機做同步運動，目前比較常見的做法是把兩軸中其中的一個設為主軸，對應的伺服電機設為主電機，該伺服電機的編碼器作為位置環反饋。另外一個伺服電機設為從電機，該伺服電機的編碼器反饋值不參與運動控制。讓從電機跟隨主電機運動，實現兩軸位置環同步，但是不能實現速度同步，而且這種跟蹤同步方法只能在少數高檔運動控制卡上實現，需要運動控制卡的主頻非產高。
發明內容
本發明的目的是提供一種對兩平行軸的位置和速度進行同步控制的方法，旨在有效解決大跨距兩同步軸高速運行位置和速度同步控制的問題，該方法不設置主動被動軸，兩個位置速度力矩三閉環系統按插補規則各自獨立運行，能充分達到位置同步和速度同步，可在普通運動控制卡上成功獲得實現，主頻要求不高。
根據本發明的一個方面，提供了一種用於實現兩個軸的同步移動或轉動的伺服系統的控制設備，所述伺服系統包括分別用於驅動所述兩個平行軸的位移的兩個伺服執行機構；所述控制設備，用於控制所述兩個伺服執行機構，其特徵在於所述控制設備進一步包括 控制基準發生裝置，用於根據一個當前控制周期開始時所述兩個對象的當前位置，確定所述當前控制周期的控制目標值；以及 比較裝置，用於比較所述兩個軸的即時位置與所述當前控制周期的所述控制目標值，並根據比較的結構生成一個控制信號， 其中所述控制設備根據所述控制信號對所述兩個伺服執行機構進行控制。
根據本發明的一個進一步的方面，上述控制基準發生裝置進一步包括 候選基準值發生部分，用於計算 Fi+x＝Fi-Ye，其對應於兩個軸中的第一軸從當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態； Fi+y＝Fi+Xe，其對應於兩個軸中的第二軸從當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態； Fi+x+y＝Fi+Xe-Ye，其對應於兩個軸各從各自的當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態； 其中，Xe和Ye分別為兩個軸的控制目標，Fi＝YiXe-XiYe，Xi表示所述第一控制對象的當前位置，Yi表示所述第二控制對象的當前位置； 以及 控制目標值確定部分，用於比較Fi+x、Fi+y、Fi+x+y的絕對值大小，並取與Fi+1，j、Fi，j+1、Fi+1，j+1中絕對值最小者所對應的所述狀態，作為所述當前控制周期的所述控制目標值。
根據本發明的另一個方面，提供了一種用於實現兩個軸的同步移動的伺服系統，包括分別用於驅動所述兩個軸的位移的兩個伺服執行機構；一個控制設備，用於控制所述兩個伺服執行機構，其特徵在於所述控制設備進一步包括 控制基準發生裝置，用於根據一個當前控制周期開始時所述兩個對象的當前位置(Xi和Yi)，確定所述當前控制周期的控制目標值；以及 比較裝置，用於比較所述兩個軸的即時位置與所述當前控制周期的所述控制目標值，並根據比較的結構生成一個控制信號， 其中所述控制設備根據所述控制信號對所述兩個伺服執行機構進行控制。
根據本發明的另一個方面，提供了一種用於實現兩個軸的同步移動的伺服方法，其特徵在於包括控制基準發生步驟，其根據一個當前控制周期開始時所述兩個對象的當前位置(Xi和Yi)，確定所述當前控制周期的控制目標值；比較步驟，其比較所述兩個對象的即時位置與所述當前控制周期的所述控制目標值，並根據比較的結構生成一個控制信號，控制步驟，其根據所述控制信號對分別用於驅動所述兩個對象的兩個伺服執行機構進行控制。
根據本發明的一個進一步的方面，上述控制基準發生步驟進一步包括 候選基準值發生步驟，其計算 Fi+x＝Fi-Ye，它對應於兩個軸中的第一軸從當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態； Fi+y＝Fi+Xe，它對應於兩個軸中的第二軸從當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態； Fi+x+y＝Fi+Xe-Ye，它對應於兩個控制對象各從各自的當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態； 其中，Xe和Ye分別為兩個軸的控制目標，Fi＝YiXe-XiYe，Xi表示所述第一軸的當前位置，Yi表示所述第二軸的當前位置； 以及 控制目標值確定步驟，其比較Fi+x、Fi+y、Fi+x+y的絕對值大小，並取與Fi+1，j、Fi，j+1、Fi+1，j+1中絕對值最小者所對應的所述狀態，作為所述當前控制周期的所述控制目標值。
圖1是本發明的位置同步控制示意圖； 圖2是本發明的速度同步控制示意圖。
具體實施例方式 以下描述本發明的兩平行軸同步移動伺服系統的控制設備和控制方法的技術方案的具體實施方式
。
把兩個伺服對象的初始點作為X-Y坐標平面的原點O，將兩對象中的第一個的位移作為X軸，另外一根看作Y軸，在XOY平面從零點起插補斜率為1的直線。該直線在兩軸上的投影相等且等於同步運動的目標位置，實現兩軸的位置同步；採用數控插補直接搜索法，在同一個插補周期內兩軸的位移相等，實現兩軸速度同步，具體包括以下步驟 (1)將控制開始時兩軸的位置分別作為兩軸的同步起點，一般情況下兩軸的同步起點取為與某一參考基準平行(但本發明不限於平行的情況)； (2)採用直接搜索法實現位置同步 目標直線方程的判別方程為F＝yXe-xYe，其中 Xe＝第一對象的位移距離/控制周期總數N Ye＝第二對象的位移距離/控制周期總數N 控制周期總數N的選擇，決定了伺服系統所實現的控制精度，而N的取值上限，即伺服系統的精度上限。
設第i個插補周期開始時兩軸的坐標為(Xi，Yi)，判別值為Fi＝YiXe-XiYe，，向+X方向插補一步得Fi+x＝Fi-Ye，向+Y方向插補一步得Fi+y＝Fi+Xe，向+X、+Y方向插補一步Fi+1，j+1＝Fi，j+Xe-Ye得Fi+x+y＝Fi+Xe-Ye， 比較Fi+x、Fi+y、Fi+x+y的絕對值，取與其中最小者對應的點作為下一個插補點，即當前的位置移動周期裡反饋控制的目標值。
例如，在第一個插補周期開始，原點(0，0)，向+X、+Y方向插補一步F0+x+y＝+Xe-Ye，那麼點(Ye，Xe)作為下一個插補點，即當前位移伺服周期裡反饋控制的目標值。
由於控制對象的當前值是上一步按偏差最小的方向搜索後計算獲得的，如果起始點在原點位置，按照理想的最小偏差一步一步走下去，所有的控制中間點都在45度直線上；如此，依次類推(2Ye，2Xe)，(3Ye，3Xe)，....作為下一個插補點，最後到達終點(N*Ye，，N*Xe)，從原點到終點的軌跡向兩個坐標軸X、Y投影，投影大小都為N*Xe，從而實現位置同步； 但是，在實際操作中，由於受到實際負載或者電機特性等的影響，有可能會出現中間控制點偏離給定值，那麼下一個中間插補點計算時是以當前實際的(可能偏離45度直線的)位置值來計算的。因而，有可能出現選擇向+X方向插補一步或向+Y方向插補一步的操作周期(而不是向+X、+Y方向插補一步的操作)，以使控制點回歸45度直線。
可以理解的是，在向+X方向插補一步或向+Y方向插補一步的操作周期裡，兩軸的位移是不同步的，具體說就是一個軸移動而另一個軸保持不動。但這種不同步只是微觀的、局部的和暫時的，其不僅不影響兩軸同步的宏觀總體效果，而且恰恰是補償由於實際負載或者電機特性的影響而產生的偏離同步的偏差以獲得總體的宏觀位置同步效果所必需的措施。
(3)實現速度同步 在第一個插補周期T起始點(0，0)，終點(N*Ye，N*Xe)，X軸速度Vx＝Ye/T，Y軸速度Vy＝Xe/T，故X軸與Y軸速度相同。
在理想情況下，在第二個插補周期T起點(Ye，Xe)，終點(2*Ye，2*Xe)，X軸速度Vx＝Ye/T，Y軸速度Vy＝Xe/T，故X軸與Y軸速度相同， 依次類推，在每個插補周期內，X軸與Y軸速度相等，從而實現速度同步。
與位置同步同樣地，在實際操作中，由於受到實際負載或者電機特性等的影響，有可能會出現中間控制點偏離給定值，那麼下一個中間插補點計算時是以當前實際的(可能偏離45度直線的)位置值來計算的。因而，有可能出現選擇向+X方向插補一步或向+Y方向插補一步的操作周期(而不是向+X、+Y方向插補一步的操作)，以使控制點回歸45度直線。
同樣可以理解的是，在向+X方向插補一步或向+Y方向插補一步的操作周期裡，兩軸的速度是不同步的，具體說就是一個軸移動(速度非零)而另一個軸保持不動(速度為零)。但這種不同步只是微觀的、局部的和暫時的，其不僅不影響兩軸速度同步的宏觀總體效果，而且恰恰是補償由於實際負載或者電機特性的影響而產生的偏離速度同步的偏差以獲得總體的宏觀速度同步效果所必需的措施。
從控制理論和實踐的意義上講，「伺服對象」可以是伺服驅動裝置的驅動輸出部分(如伺服電機的輸出軸)，也可以是控制系統所作用於的最終對象，如轉臺、升降臺等，也可以是和該最終對象機械耦合的任何部分。相應地，作為反饋信號發生裝置的測量裝置，可以以伺服驅動裝置的驅動輸出部分作為其測量對象，也可以以上述最終對象，或和該最終對象機械耦合的任何部分，作為其測量對象。這些均取決於伺服系統的具體設計，而且是本領域的人員所熟知的。
上述的兩平行軸對象位置和速度同步控制的方法，兩平行軸的跨距不受任何機械結構的限制，可以解決同步位置和速度的大跨距難題。
更進一步地，可以先採用量具標定兩平行軸的初始同步位置，所述量具可以是遊標卡尺，其精度±0.01mm，初始誤差小。在一個具體實施例中，對於第一軸，利用量具量取其離基準的距離；對於第二軸，同樣利用量具量取其離基準的距離；實際運行過程中，位置精度不受影響。同步控制過程中，精度幾乎完全取決於初始誤差，便於操作和施工。
本發明技術方案的突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在 本發明兩平行軸位置速度同步控制的方法，把兩平行軸位置的起始點作為兩軸的零位，兩軸按平面插補的方式運動的目標軌跡是在第一象限斜率為1的直線，採用直接搜索法進行插補運算，最終軌跡在兩軸上的投影距離相等，達到兩軸位置同步，在同一個插補周期內兩軸運動位移相等，達到兩軸速度。直接搜索法插補斜率為1的直線，最大限度地避免了插補周期內的誤差。與現有技術相比，不設置主動被動軸，能充分達到位置同步和速度同步，可在普通運動卡上成功獲得實現，產生良好的實際意義，社會經濟效益顯著。
在實際操作中，可以使用量具確定同步位置的零點，兩平行軸同步運動前都有一個起始位置，起始位置一般在機械基準上或者離基準有一定距離，如果起始位置離基準有一定距離，那麼可以採用遊標卡尺等量具標定好兩軸的起始位置，然後把標定的位置作為同步運動的零點。
本發明技術方案採用直接搜索法作為同步運動的核心方法，直接搜索法計算在X、Y和斜率為1的三個方向各走一步，哪一步的終點離理想軌跡最近，哪一步就作為下一個插補點。同步運動插補斜率為1的直線，本發明的方案比現有技術有顯著的優越性。
以上僅是結合本發明的具體應用範例對本發明進行了描述，這種描述是說明性的而非限定性的。凡採用等同變換或者等效替換而形成的技術方案，均落在本發明權利保護範圍之內。
權利要求
1、用於實現兩個平行軸的同步移動的伺服系統的控制設備，所述伺服系統包括
分別用於驅動所述兩個平行軸的位移的兩個伺服執行機構；
所述控制設備，用於控制所述兩個伺服執行機構，
其特徵在於所述控制設備進一步包括
控制基準發生裝置，用於根據一個當前控制周期開始時所述兩個對象的當前位置(Xi和Yi)，確定所述當前控制周期的控制目標值；以及
比較裝置，用於比較所述兩個對象的即時位置與所述當前控制周期的所述控制目標值，並根據比較的結構生成一個控制信號，
其中所述控制設備根據所述控制信號對所述兩個伺服執行機構進行控制。
2.根據權利要求1的控制設備，其特徵在於所述控制基準發生裝置進一步包括
候選基準值發生部分(模塊)，用於計算
Fi+x＝Fi-Ye，其對應於兩個軸中的第一軸從當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態；
Fi+y＝Fi+Xe，其對應於兩個軸中的第二軸從當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態；
Fi+x+y＝Fi+Xe-Ye，其對應於兩個軸各從各自的當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態；
其中，Xe和Ye分被為第一軸和第二軸同步控制目標，Fi＝YiXe-XiYe，Xi表示所述第一控制對象的當前位置，Yi表示所述第二控制對象的當前位置；
以及
控制目標值確定部分，用於比較Fi+x、Fi+y、Fi+x+y的絕對值大小，並取與Fi+1，j、Fi，j+1、Fi+1，j+1中絕對值最小者所對應的所述狀態，作為所述當前控制周期的所述控制目標值。
3.根據權利要求1的控制設備，其中所述伺服系統進一步包括
位置檢測裝置，用於檢測所述兩個對象的當前位置(Xi和Yi)。
4、用於實現兩個平行軸的同步移動的伺服系統，包括
分別用於驅動所述兩個平行軸的位移的兩個伺服執行機構；
一個控制設備，用於控制所述兩個伺服執行機構，
其特徵在於所述控制設備進一步包括
控制基準發生裝置，用於根據一個當前控制周期開始時所述兩個軸的當前位置(Xi和Yi)，確定所述當前控制周期的控制目標值；以及
比較裝置，用於比較所述兩個對象的即時位置與所述當前控制周期的所述控制目標值，並根據比較的結構生成一個控制信號，
其中所述控制設備根據所述控制信號對所述兩個伺服執行機構進行控制。
5.根據權利要求4的伺服系統，其特徵在於所述控制基準發生裝置進一步包括
候選基準值發生部分，用於計算
Fi+x＝Fi-Ye，其對應於兩個軸中的第一軸從當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態；
Fi+y＝Fi+Xe，其對應於兩個軸中的第二軸從當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態；
Fi+x+y＝Fi+Xe-Ye，其對應於兩個控制對象各從各自的當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態；
其中，Xe和Ye分別為第一個軸和第二個軸同步控制目標，Fi＝YiXe-XiYe，Xi表示所述第一控制對象的當前位置，Yi表示所述第二控制對象的當前位置；
以及
控制目標值確定部分，用於比較Fi+x、Fi+y、Fi+x+y的絕對值大小，並取與Fi+1，j、Fi，j+1、Fi+1，j+1中絕對值最小者所對應的所述狀態，作為所述當前控制周期的所述控制目標值。
6.根據權利要求4的伺服系統，進一步包括
位置檢測裝置，用於檢測所述兩個對象的當前位置(Xi和Yi)。
7、實現兩個平行軸的同步移動的伺服方法，其特徵在於包括
控制基準發生步驟，其根據一個當前控制周期開始時所述兩個對象的當前位置(Xi和Yi)，確定所述當前控制周期的控制目標值；
比較步驟，其比較所述兩個對象的即時位置與所述當前控制周期的所述控制目標值，並根據比較的結構生成一個控制信號，
控制步驟，其根據所述控制信號對分別用於驅動所述兩個對象的兩個伺服執行機構進行控制。
8.根據權利要求7的伺服方法，其特徵在於所述控制基準發生步驟進一步包括
候選基準值發生步驟，其計算
Fi+x＝Fi-Ye，它對應於兩個軸中的第一軸從當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態；
Fi+y＝Fi+Xe，它對應於兩個軸中的第二軸從當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態；
Fi+x+y＝Fi+Xe-Ye，它對應於兩個軸各從各自的當前位置向其控制目標位置移動一個控制周期對應的移動距離的狀態；
其中，Xe/Ye等於所述第一軸的伺服位移距離與所述第二軸的伺服位移距離之比，Fi＝YiXe-XiYe，Xi表示所述第一軸的當前位置，Yi表示所述第二軸的當前位置；
以及
控制目標值確定步驟，其比較Fi+x、Fi+y、Fi+x+y的絕對值大小，並取與Fi+1，j、Fi，j+1、Fi+1，j+1中絕對值最小者所對應的所述狀態，作為所述當前控制周期的所述控制目標值。
9.根據權利要求7的伺服方法，進一步包括
位置檢測步驟，其檢測所述兩個軸的當前位置(Xi和Yi)。
全文摘要
本發明提供一種兩平行軸位置速度同步控制的算法，利用量具標定兩平行軸的初始同步位置，並把對應的兩個初始點作為兩個軸的零點，採用直接搜索法，將兩平行軸中的一根看作X軸，另外一根看作Y軸，在XOY平面插補斜率為1的直線，直線在兩軸上的投影相等，實現兩軸的位置同步，按直接搜索法，在同一個插補周期內兩軸的位移相等，實現兩軸速度同步。本發明技術方案實現大跨距兩平行軸採用兩伺服電機單獨驅動在速度和位置上同步運行，不設置主動被動軸，充分達到位置同步和速度同步，可在普通運動控制卡上成功獲得實現，具有極好的實際意義。
文檔編號G05B19/18GK101581925SQ200810111789
公開日2009年11月18日 申請日期2008年5月16日 優先權日2008年5月16日
發明者偉 王, 劉相權, 趙雪峰, 超 貟 申請人:北京航空航天大學