专利名称：一种运动控制系统及其位置控制方法
技术领域：
本发明属先进控制领域，具体涉及高速高精度加工的基础技术之一的运动控制系统。基于数据流关联控制，本发明为开放式数控系统提出一种高性能运动控制系统及其位置控制方法。
背景技术：
开放式数控系统、高性能运动控制系统、高精度传感器是高速高精度加工的基础技术。在机床的数字控制中，运动控制系统主要用于控制伺服电机的转速与转角。所谓转速控制又称速度模式，也就是速度控制，用于控制主轴的转速；所谓转角控制又称位置模式，也就是位置控制，用于控制坐标轴的位移。由位置环、速度环、电流环构成的PID控制器是运动控制系统的基本技术方案。速度环中的速度增益和速度积分时间常数、位置环中的比例系数增益是需要调整的基本参数。这些参数值，取决于机械系统中运动副的摩擦力与运动部件的惯量、进给速度与加速度、切削力、电机的转子惯量与输出惯量等众多外部因素以及运动控制系统内部的时滞。从公开的统计资料来看，数控设备中75%以上的故障出自运动控制系统，其主要原因在于，这些因素都是非线性的，在加工过程中必然产生上述参数值的漂移，从而导致工件的加工精度超差。在工程技术中，运动控制系统又称为伺服驱动装置，数控系统与运动控制系统之间的界面则称为运动控制接口。本发明涉及位置模式的运动控制系统，其接收与执行的数字控制信息为坐标轴的离散位置信息，位置反馈信息由运动控制系统内的嵌式入系统处理。运动控制系统的基本问题是单轴的高精度随动控制与多轴联动的协调控制。面对上述种种非线性因素所产生的非线性复杂性，根据现代控制理论与基于IEEE定义的现有开放式数控系统，综述文献《高性能运动控制在数控系统中的应用综述》(《信息与控制》， 2003年第3期，作者王军平，王安，敬忠良，陈全世)评述了现有运动控制系统在高速高精度加工方面存在的主要问题与发展方向。1、复合控制问题在非线性多变量系统中的应用申，复合控制成为当前控制领域的一个研究热点。所谓复合控制就是在PID控制的基础上，结合其他控制算法构建复合控制器。这些附加的补偿控制算法通过在线实时调整位置环与速度环的参数，用于抑制种种非线性扰动所产生的影响。系统辨识、建立误差补偿数学模型与误差补偿方程、确定误差补偿控制算法与补偿控制器，是现有复合控制的基本技术方案。由于环境因素(系统输入的随机扰动与传感器的测量噪声)的不确定性与模型因素(数学模型的参数与结构)的不确定性，对于具有非线性、强耦合、不确定性的复杂系统，很难从理论上进行性能设计和分析，实验数据成为系统辨识的基础，只有高质量的实验数据才能获得良好的数学模型，开发者只能利用历史经验、简化的理论公式、实验数据来确定模型的结构和定义模型的参数，再经过线性化处理得到简化的误差补偿数学模型与误差补偿方程，进而设计误差补偿控制算法，实时计算轮廓误差完成误差的实时补偿。因而，“面向实际工业过程的特点研究发展各种对模型要求低、在线计算简单方便、实时性好、控制效果佳的控制新算法”成为现有复合控制技术的发展方向。2、时滞问题时滞是工业过程中固有的特性，是物理系统中的最难控制的动态环节。任何过程都有时滞，静态下的时滞称为静态时滞。种种非线性因素所产生的非线性复杂性与不确定性都使时滞发生变化，形成动态时滞，导致坐标轴不同步而产生轮廓误差。当数控系统应用高速加工时，进给速度大大提高，时滞产生的坐标轴不同步使工件的轮廓误差显著增加。动态时滞导致的坐标轴不同步所产生的轮廓误差是影响加工精度的重要因素。为了解决因动态时滞导致的多轴不同步所产生的轮廓误差，交叉耦合控制(Cross Coupling Control,CCC)成为现有数字控制技术中的关键技术。所谓交叉耦合控制是将伺服驱动装置的实际位移量两两相互耦合，通过适当的误差数学模型，在线计算轮廓误差，完成轮廓误差的实时补偿。对于三轴及三轴以上的多轴系统，由于交叉耦合控制必然产生组合爆炸，一般只能用于2轴系统。因而，采用零相差跟踪控制原理(Zero phase error tracking control, ZPETC)结合前馈控制(look-ahead)，提高单轴随动控制的精度，成为解决时滞的技术途径之一。发明人认为，现有运动控制系统存在下述缺陷。1、现有运动控制系统的技术方法上述综述文献认为，“控制策略的实现问题实际上就是开放式体系结构的研究，这也是实现高性能、智能化数控的关键技术”，控制策略对用户的开放性成为运动控制系统的研究重点。现有运动控制系统的基本控制方法是，将现代控制理论的研究方法，系统辨识、建立数学模型、推导微分方程等过程形式化，套换为技术方法。为叙述方便，将这种方法简称为理论形式化方法。对于运动控制系统中的非线性复杂性，这种方法很难从理论上进行性能设计和分析，整个控制结构的确定缺乏理论依据，多是凭借开发者的经验选定。系统辨识获得的实验数据、数学模型、微分方程组均依赖具体控制对象及其具体环境，都必须进行线性化处理。 这种方法所得到的结论只是宏观性质的指导性意见，导致参数调整特别困难，缺乏广泛的实用性，与工程技术领域的技术方法差异很大。特别是，这种方法势必导致运动控制系统成为所谓的专家型系统，即只有精通现代控制理论且实际经验丰富的专家才能开发的系统， 用户无法进行二次开发，从而完全丧失了开放性。另一方面，现有开放式数控系统基于IEEE关于开放式数控系统的定义，完全被 IEEE定义“计算机化”，成为需要配置实时操作系统的通用计算机系统，数控软件系统则只是其中的一个专用应用系统。实时操作系统中关于内外资源的管理机制以及关于内外环境变化的应变机制与插补迭代控制算法的运算规则紧密耦合在一起构成一种普适的数字控制方法即插补迭代控制方法。囿于IEEE定义，现有运动控制系统遵循插补迭代控制方法的基本原则，力求寻找误差补偿数学模型、建立误差补偿方程、研发在线计算简单、实时性好、控制效果佳的插补迭代控制算法。这种方法不仅难以充分利用某个变量的未来信息与历史信息，更难以处理多个变量的未来信息与历史信息。2、运动控制接口现有运动控制系统通过现场总线(Field bus)与数控系统连接，国标“GB/T 18759. 2-2006 ·机械电气设备·开放式数控系统·第2部分体系结构”设置了 5. 6款，要求支持各类现场总线(例如CAN、Prof ibus、Sercos等)，国标〈〈GB/T 18759. 3-2009 ·机械电气设备·开放式数控系统 第3部分总线接口与通信协议》进一步对现场总线予以规范。为此，现有运动控制系统必须耗费大量实时计算资源处理通信周期掌控下的实时通信任务。3、标准化问题在基于IEEE定义的现有运动控制系统中，位置环在其采样周期中读取位置指令时，必须与数控系统的插补周期严格保持同步。换言之，现有运动控制系统只能与同品牌的数控系统匹配，不具备互换性。这样一来，插补周期与通信周期便成为制约现有运动控制系统标准化的难以逾越的障碍。本发明基于数据流关联控制，从上述方面重新审视运动控制系统及其位置控制方法。
发明内容
本发明基于数据流关联控制，为开放式数控系统提出一种开放的标准化的运动控制系统及其位置控制方法。本发明采用联动接口接收联动命令，在轴联动表文件中配置特征表与调整表，从而舍弃现有技术中的理论形式化方法，将工程技术领域处理非线性多变量的常规技术手段引入运动控制系统，提出一种存储信息控制方法。对于负载的确定性变化所产生的动态时滞与位置误差，本发明在电流环中设置电流前馈控制，为控制动态时滞提供了一种新的技术手段。本发明的技术方案说明如下。 一种运动控制系统，其特征在于，包括PID控制器，文件存储器，扇区分析模块，联动接口，串行接口 ；所述PID控制器包括位置环、速度环、电流环及传感器，用于控制伺服电机的转角；所述文件存储器通过所述串行接口与上位机连接，用于接收并存储所述上位机发送的轴联动表文件；所述轴联动表文件包括轴联动表；所述轴联动表用于存储坐标值增量，控制坐标轴产生轴位移；所述扇区分析模块用于读取所述轴联动表文件中的数字控制信息；所述联动接口用于接收上位机发送的联动命令；所述联动命令为一个同步脉冲；所述串行接口用于接收上位机发送的所述轴联动表。进一步地，所述串行接口包括现场总线、RS232与RS485接口、USB接口、移动存储器、无线接口。进一步地，所述轴联动表文件还包括特征表；所述特征表用于标识该坐标轴的逻辑属性；所述逻辑属性包括进给当量、数据的字节数。进一步地，所述轴联动表文件还包括伺服参数的调整表；所述伺服参数包括位置环比例系数、速度环比例系数、速度环积分常数、速度前馈系数、加速度前馈系数、电流前馈增量、电子齿轮传动比等；所述调整表用于标识所述伺服参数的调整方向与调整量进一步地，所述伺服参数还包括电流前馈增量；对于电流环的每个采样周期，所述电流前馈增量为电流给定值的修正量。进一步地，所述运动控制系统，其特征还在于，对于每个预期要调控的坐标值增量，设置相应的调整表。进一步地，所述运动控制系统，其特征还在于，所述电流前馈增量按照下述公式估算AIijj = KifAFijX/m (i = 1，· · ·，n，j = 1，· · ·，m)式中，Δ Iy为电流前馈增量，AFi,χ为坐标轴的进给速度增量，m为速度环采样周期中包含的电流环采样周期的个数，η为轴联动表中坐标值增量的个数，Kif为修正系数。一种运动控制的位置控制方法，其特征在于，包括下述步骤步骤1、轴联动表接收存储步骤所述步骤1用于所述串行接口从上位机接收所述轴联动表并存储在所述文件存储器中；步骤2、逻辑属性设置步骤所述步骤2用于所述扇区分析模块从所述文件存储器读取特征表，设置坐标轴的逻辑属性；所述逻辑属性包括进给当量、数据的字节数。步骤3、联动命令接收步骤，所述联动接口从上位机接收所述联动命令；步骤4、伺服参数设置步骤，所述扇区分析模块从所述文件存储器读取调整表，设置并调整伺服参数；所述伺服参数包括位置环比例系数、速度环比例系数、速度环积分常数、速度前馈系数、加速度前馈系数、电流前馈增量、电子齿轮传动比；步骤5、位置环写入步骤，所述扇区分析模块从所述轴联动表读取坐标值增量并写入位置环，驱动坐标轴进给，直至所述轴联动表的终点。进一步地，所述位置控制方法，其特征还在于，对于每个需要调控的坐标值增量， 在电流环的每个采样周期，根据电流前馈增量△ Ii,χ修正电流给定值。本发明与现有技术对比所具有的有益效果是1、从公开的统计资料来看，数控系统中75%以上的故障出自运动控制系统(伺服驱动装置)。在基于IEEE定义的现有运动控制系统中，运动控制系统通过现场总线与数控系统连接。为此，现有运动控制系统必须耗费大量实时计算资源处理通信周期掌控下的实时通信任务。本发明基于数据流关联控制，所提出的运动控制系统通过实时联动接口和非实时串行接口与数控系统连接。所述运动控制系统通过联动接口接收上位机发送的联动命令。 在发送端，联动接口类似按Ati(i = 1，...，n)的节律不断地单向传输状态字的并行接口 ； 在接收端，一个运动控制系统分别与联动接口的一个数据位连接，类似一根中断控制线。因而，本发明提出的运动控制系统无须设置通信周期，实时通信接口极为简单，节省了大量实时计算资源，维护调试方便，显著提高了运动控制系统的可靠性。2、高性能运动控制系统是高速高精度加工的基础技术。现有运动控制系统采用64 位高速DSP芯片，具有强大的信息处理能力。然而，由于电流环中的矢量控制算法以及其它种种PID复合控制算法都是实时算法，实时计算资源极为稀缺，“在线计算简单方便、实时性好”的控制算法始终是现有技术的发展方向。在基于IEEE定义的现有运动控制系统中，运动控制系统通过现场总线接收数控系统发送的数字控制信息。特别是，按照插补周期的节律，坐标轴的离散位置信息在实时插补迭代过程中生成并在通信周期掌控下的实时通信过程中发送给运动控制系统，加工刀路曲线所需要的历史信息湮灭了，其未来信息则弄巧成拙，需要高速程序预处理技术来预先挖掘。在本发明中，除联动命令外，在轴联动表文件中事先配置了运动控制系统所需要的其它全部数字控制信息，包括刀路曲线的历史信息、当前信息与未来信息，坐标轴的逻辑属性与运动学/动力学特征、伺服参数的调整策略等。所述轴联动表文件采用符合FAT等标准文件系统的标准文件格式，可以携带加工刀路曲线所需要的全部数字控制信息。与基于IEEE定义的现有运动控制系统对比，本发明通过联动接口与轴联动表文件两方面显著节省了实时计算资源，克服了前馈环节的采样周期长、算法复杂等缺陷，为研发新算法创造了有利条件。3、时滞是工业过程中固有的特性，是物理系统中的最难控制的动态环节。在刀路曲线的加工过程中，坐标轴的轴向进给力随曲率的变化而变化，从而导致坐标轴的负载随曲率的变化而变化，这是坐标轴的离散运动必然产生的结果。负载的确定性变化所产生的动态时滞成为PID控制器的内生变量。在基于IEEE定义的现有运动控制系统中，负载的确定性变化与PID控制的基本原理相悖，既使采用速度、加速度前馈控制，也不可能校正速度环的采样周期内经电流环而累积的动态时滞与位置误差。本发明在电流环中设置电流前馈增量，对于电流环的每个采样周期，调整电流前馈增量以补偿负载的确定性变化所产生的动态时滞与位置误差，为控制动态时滞提供了一种新的技术手段。4、在基于IEEE定义的现有运动控制系统中，将现代控制理论的研究方法，系统辨识、建立数学模型、推导微分方程等过程形式化，套换为技术方法即理论形式化方法。这种方法导致现有运动控制系统成为所谓的专家型系统，即只有精通现代控制理论且实际经验丰富的专家才能开发的系统，用户无法进行二次开发，从而完全丧失了开放性。本发明将工程技术领域处理非线性多变量的常规技术手段引入运动控制系统，在轴联动表文件中配置特征表与调整表，提出一种存储信息控制方法。所述特征表与调整表包括刀路曲线的历史信息、当前信息与未来信息，坐标轴的逻辑属性与运动学/动力学特征、伺服参数的调整策略等，对用户完全开放。因此。本发明所提出的运动控制系统及其位置控制方法是完全开放的。5、标准化 现有运动控制系统基于IEEE定义，位置环在其采样周期中读取位置指令时，必须与数控系统的插补周期严格保持同步。换言之，现有运动控制系统只能与同品牌的数控系统匹配，不具备互换性，难以标准化。本发明基于数据流关联控制，其上位机不存在插补周期，所提出的运动控制系统可以与任何上位机连接，是一种通用的运动控制系统，从根本上解决了运动控制系统的标准化问题。
图1为一种运动控制系统的体系结构示意图。
具体实施例方式众所周知，在机械系统的数字控制过程中，所谓实时过程就是控制相关坐标轴联动以合成刀路曲线(Tool Path)。所谓数字控制就是将刀路曲线离散为坐标轴所需要的离散位置信息并以一定的时间间隔发送给伺服驱动装置，控制坐标轴的合成位移。在一般情况下，设联动的坐标轴为X、y、Z、A、B等5轴，刀路曲线为X、y、Z、A、B等 5个变量的函数。将X、y、Z、A、B等5个伺服驱动装置接收的坐标值增量依时序列为表1。表 权利要求
1.一种运动控制系统，其特征在于，包括PID控制器，文件存储器，扇区分析模块，联动接口，串行接口 ；所述PID控制器包括位置环、速度环、电流环及传感器，用于控制伺服电机的转角； 所述文件存储器通过所述串行接口与上位机连接，用于接收并存储所述上位机发送的轴联动表文件；所述轴联动表文件包括轴联动表；所述轴联动表用于存储坐标值增量，控制坐标轴产生轴位移；所述扇区分析模块用于读取所述轴联动表文件中的数字控制信息； 所述联动接口用于接收上位机发送的联动命令；所述联动命令为一个同步脉冲。
2.如权利要求1所述的运动控制系统，其特征还在于，所述串行接口包括现场总线、 RS232与RS485接口、USB接口、移动存储器或无线接口。
3.如权利要求1所述的运动控制系统，其特征还在于，所述轴联动表文件还包括特征表；所述特征表用于标识该坐标轴的逻辑属性；所述逻辑属性包括进给当量、数据的字节数。
4.如权利要求1所述的运动控制系统，其特征还在于，所述轴联动表文件还包括伺服参数的调整表；所述调整表用于标识所述伺服参数的调整方向与调整量；所述伺服参数包括位置环比例系数、速度环比例系数、速度环积分常数、速度前馈系数、加速度前馈系数、电子齿轮传动比。
5.如权利要求4所述的运动控制系统，其特征还在于，所述伺服参数还包括电流前馈增量；对于电流环的每个采样周期，所述电流前馈增量为电流给定值的修正量。
6.如权利要求4或5所述的运动控制系统，其特征还在于，对于每个预期要调控的坐标值增量，设置相应的调整表。
7.如权利要求5所述的运动控制系统，其特征还在于，所述电流前馈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为电流前馈增量，AFi,χ为坐标轴的进给速度增量，m为速度环采样周期中包含的电流环采样周期的个数，η为轴联动表中坐标值增量的个数，Kif为修正系数。
8.一种运动控制系统的位置控制方法，其特征在于，包括下述步骤 步骤1、轴联动表接收存储步骤，所述串行接口从上位机接收所述轴联动表并存储在所述文件存储器中； 步骤2、逻辑属性设置步骤，所述扇区分析模块从所述文件存储器读取特征表，设置坐标轴的逻辑属性；所述逻辑属性包括进给当量、数据的字节数；步骤3、联动命令接收步骤，所述联动接口从上位机接收所述联动命令；步骤4、伺服参数设置步骤，所述扇区分析模块从所述文件存储器读取调整表，设置并调整伺服参数；所述伺服参数包括位置环比例系数、速度环比例系数、速度环积分常数、速度前馈系数、加速度前馈系数、电流前馈增量△ Ii, ”电子齿轮传动比； 步骤5、位置环写入步骤，所述扇区分析模块从所述轴联动表读取坐标值增量并写入位置环，驱动坐标轴进给， 直至所述轴联动表的终点。
9.如权利要求8所述的运动控制系统的位置控制方法，其特征还在于，对于每个需要调控的坐标值增量，在电流环的每个采样周期，根据电流前馈增量△ Iy修正电流给定值。
全文摘要
本发明为开放式数控系统提出一种完全开放的标准化的运动控制系统及其位置控制方法。在本发明中，无须设置通信周期，实时通信接口极为简单，节省了大量实时计算资源，维护调试方便，显著提高了运动控制系统的可靠性。本发明中的联动接口与轴联动表文件显著节省了实时计算资源，克服了前馈环节的采样周期长、算法复杂等缺陷，为研发新算法创造了有利条件。对于负载的确定性变化所产生的动态时滞与位置误差，本发明在电流环中设置电流前馈控制，为控制动态时滞提供了一种新的技术手段。
文档编号G05B19/18GK102354146SQ201110206659
公开日2012年2月15日 申请日期2011年7月22日 优先权日2011年7月22日
发明者江俊逢 申请人:江俊逢