一种电机的速度控制方法及控制系统与流程

本发明属于运动控制技术领域，具体涉及一种电机的速度控制方法以及电机的速度控制系统。

背景技术：

在机械的运动控制中，电机和机械往往无法做到直接高速启动和停止，因此需要设计合理的加减速曲线，使得启动过程和停止过程快速且平滑。尤其在加减速的过程中，希望达到在给定最高速度的情况下，加减速的时间越短越好，被控电机的运转越平稳越好，同时在基于微处理器的数字控制中，还要求控制算法的可实现性也要好。目前，常见的加减速曲线包括梯形加减速和对称的s型加减速曲线，其中，梯形速度曲线是指从启动速度到目标速度的加减速，在运动过程中是按直线方式以一定的比例进行加速和减速。对称的s型速度曲线加速和减速开始阶段速度变化比较缓慢，然后逐渐加快。在加速和减速接近结束时速度变化率再次减慢，从而使整个运动过程较为稳定。对称的s型加减速曲线的实现类型有主要有正弦曲线、2次方抛物线曲线、3次方曲线。以上梯形速度曲线和s型速度曲线速度控制方法各有特点，在实际应用中，通常是选择易于实现、平滑性较好、效率较高的算法作为运动控制过程中的加减速控制策略。

其中，梯形速度曲线是一个恒定加速度的过程，它的快速性较好，计算过程简单，在工业控制领域应用非常广泛。完整的梯形速度曲线由匀加速、匀速和匀减速三个阶段组成，在变速过程中，加速度始终保持不变。但是，梯形速度曲线在加减速开始和结束时刻加速度存在明显的阶跃突变，会造成电机的过冲和对设备的冲击，严重时会影响整机的性能和寿命。因为现有电机驱动元件的性能无法达到比较理想的动态响应，造成实际使用过程中，设备的启停速度轨迹并不是理想的斜线，还存在明显的波动，主要表现在启动时的滞后以及到达恒速时的过冲。

其次，目前对称的s型速度曲线的速度和加速度都是一个连续的变化过程，所以机械运动的平稳性较好，振动和噪音都可以控制在较低的水平。具体的，当速度曲线由正弦曲线构成时，加速度曲线也是连续的正弦曲线；速度曲线为2次方或3次方曲线时，加速度曲线是1次方或2次方连续曲线。完整的s型曲线是由七个阶段组成的，具体包括：加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段、减减速段，上述这七个阶段的运行时间可以取不同值，即加速曲线和减速曲线不是对称相等的，可以各自采用不同的曲线，进而得到很多情况下的功率耗散。s型速度曲线柔性较好，克服了梯形速度曲线中加速度突变的不利情况，大幅度减少了对机械的冲击。但是，有些要求比较特殊的设备或场合，比如高速包装机、高速制袋机，对相同时间内的加工效率、高速运行状态下停机的平稳性要求很高。常用s型速度曲线，加速和减速阶段都很平滑，可以满足高速运行状态下平稳停机的要求；但s型曲线在加速和减速阶段，其速度响应不够快速，造成相同时间内电机运转的相对行程不高，或者在相同的期望速度下，运动同样的距离所需的时间更长，进而造成设备的加工速度和效率达不到要求。

因此，为了解决常用s型曲线加速阶段速度响应不够、加速效率低下的问题，有必要开发一种速度曲线，以在不影响高速停机平稳性的前提下，提升设备的加工速度和效率。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种电机的速度控制方法，以及一种电机的速度控制系统。

本发明的第一方面，提供一种电机的速度控制方法，采用非对称s型速度曲线，所述速度控制方法具体包括：

在所述电机的加速阶段，根据预设的抛物线曲线方程计算确定加速曲线方程，并以所述加速曲线方程控制所述电机加速运行；

在所述电机的匀速阶段，根据所述加速阶段加速终止时刻对应的速度控制所述电机匀速运行；

在所述电机的减速阶段，采用预设的加加速度恒定的s型速度曲线，并以所述加加速度恒定的s型速度曲线控制所述电机减速运行。

可选的，所述根据预设的抛物线曲线方程计算确定加速曲线方程，包括：

分别设置加速开始时刻对应的加速初始速度以及加速终点时刻对应的加速终点速度；

根据所述加速初始速度、所述加速终点速度以及所述抛物线曲线方程计算确定所述加速曲线。

可选的，所述分别设置加速开始时刻对应的加速初始速度以及加速终点时刻对应的加速终点速度，之后还包括：

设置加速终点时刻对应的加速度为零；

所述根据所述加速初始速度、所述加速终点速度以及所述抛物线曲线方程计算确定所述加速曲线，包括：

根据所述加速初始速度、所述加速终点速度、所述加速终点时刻的加速度以及所述抛物线曲线方程计算确定所述加速曲线。

可选的，所述加速曲线方程满足下述关系式：

式中，v代表所述加速阶段任意时刻t对应的速度；

vs代表所述加速阶段的起始加速初始速度；

v1代表所述加速阶段的加速终点速度；

ta代表所述加速阶段的加速时间。

可选的，所述加加速度恒定的s型速度曲线包括加减速阶段速度曲线、匀减速阶段速度曲线以及减减速阶段速度曲线；其中，所述在所述电机的减速阶段，采用预设的加加速度恒定的s型速度曲线，并以所述加加速度恒定的s型速度曲线控制所述电机减速运行，包括：

加减速阶段，采用加速度数值按照线性规律增加的方式计算得到加减速曲线方程，并以所述加减速曲线方程控制所述电机加减速运行；

匀减速阶段，以所述加减速阶段结束时对应的加速度恒定的匀减速曲线方程控制所述电机匀减速运行；

减减速阶段，采用加速度数值按照线性规律减小的方式计算得到减减速曲线方程，并以所述减减速曲线方程控制所述电机减减速运行。

可选的，所述加减速曲线方程满足下述关系式：

式中，v代表所述加减速阶段的任意时刻t对应的速度；

jd代表所述加减速阶段的加加速度；

td1代表所述加减速阶段的运行时间。

可选的，所述匀减速曲线方程满足下述关系式：

式中，v代表所述匀减速阶段的任意时刻t对应的速度；

jd代表所述加减速阶段的加加速度；

td2代表所述匀减速阶段的运行时间。

所述减减速曲线方程满足下述关系式：

式中，v代表所述减减速阶段的任意时刻t对应的速度；

jd代表所述减减速阶段的加加速度；

td3代表所述减减速阶段的运行时间。

可选的，还包括根据所述加速曲线方程计算所述加速阶段的加速行程；

根据所述加加速度恒定的s型速度曲线计算所述减速阶段的减速行程；

获取所述电机的总行程，并根据所述总行程与所述加速行程和所述减速行程之间的关系，判断所述电机是否存在匀速阶段的步骤，具体如下：

当所述总行程大于所述加速行程和所述减速行程之和时，判定所述电机存在匀速阶段；

当所述总行程不大于所述加速行程和所述减速行程之和时，判定所述电机不存在匀速阶段。

可选的，在判定所述电机不存在匀速阶段之后，所述方法还包括：

获取所述电机在整个运行阶段的实际最大速度；

根据所述实际最大速度分别修正所述加速度曲线方程以及所述加加速度恒定的s型曲线方程。

本发明的第二方面，提供一种电机的速度控制系统，所述系统采用非对称s型速度曲线控制系统，所述系统包括：加速控制模块、匀速控制模块以及减速控制模块；其中，

所述加速控制模块，用于在所述电机的加速阶段，根据预设的抛物线曲线方程计算确定加速曲线方程，并以所述加速曲线方程控制所述电机加速运行；

所述匀速控制模块，用于在所述电机的匀速阶段，根据所述加速阶段加速终止时刻对应的速度控制所述电机匀速运行；

所述减速控制模块，用于在所述电机的减速阶段，采用预设的加加速度恒定的s型速度曲线，并以所述加加速度恒定的s型速度曲线控制所述电机减速运行。

本发明提供的电机速度控制方法及控制系统，通过设计一种开口向下的2次方抛物线的加速曲线，使得加速阶段电机扭矩满足负载扭矩要求，在相同的加速时间内较大幅度提升电机运转的行程，进而提高加速的效率。其次，减速阶段采用加加速度恒定的s型速度曲线，按照加加速度恒定、加速度呈一次方直线变化的规律，以尽可能小的计算量，设计一种减速过程平滑程度可调的减速曲线，满足高速运行状态下快速平稳停机的要求。同时，本发明提供的电机加速控制方法自动按照预设要求的最大速度、加减速时间和总体行程，对整个运动过程进行合理的轨迹规划，使得各个运动阶段之间的衔接平滑无冲击。本发明提供的电机速度控制方法以及控制系统解决了常用s型曲线加速阶段速度响应不够、加速效率低下的问题，在不影响高速停机平稳性的前提下，提升设备的加工速度和效率，加大s型速度曲线在高速加工设备中的应用范围。

附图说明

图1为本发明第一实施例的一种电机的速度控制方法流程示意图；

图2为本发明第一实施例的一种电机的速度曲线整体示意图；

图3为本发明第一实施例的一种电机的实际速度曲线整体示意图；

图4为本发明第二实施例的一种电机的速度控制系统的组成示意框图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本发明的第一方面，提供一种电机的速度控制方法，采用非对称s型速度曲线，速度控制方法具体包括：在电机的加速阶段，根据预设的抛物线曲线方程计算确定加速曲线方程，并以加速曲线方程控制电机加速运行。在电机的匀速阶段，根据加速阶段加速终止时刻对应的速度控制电机匀速运行。在电机的减速阶段，采用预设的加加速度恒定的s型速度曲线，并以加加速度恒定的s型速度曲线控制电机减速运行。

也就是说，本发明的电机速度控制方法通过设计开口向下的2次方抛物线的加速曲线，使得加速阶段电机扭矩满足负载扭矩要求，在相同的加速时间内较大幅度提升电机运转的行程，进而提高加速的效率，此外，减速阶段按照加加速度恒定，设计一种减速过程平滑程度可调的减速曲线，满足高速运行状态下快速平稳停机的要求，以解决常规的s型曲线加速阶段速度响应不够、加速效率低下的问题，本发明的电机速度控制方法在不影响高速停机平稳性的前提下，提升了设备的加工速度和效率。

具体地，如图1和图2所示，本发明完整阶段的速度曲线由加速、匀速和减速三部分曲线构成，首先，对三个运行阶段的参数进行设置，具体有，ta为加速阶段运行时间，tv为匀速阶段运行时间，td为加速阶段运行时间，vs为整个运行阶段的起始速度即vs为加速阶段加速开始时刻对应的加速初始速度，ve为整个运行阶段终点速度，v1为设定的最大运行速度，即v1对应加速终点时刻对应的加速终点速度，其中，整个运行行程的起始速度vs和终点速度ve不一定为0。另外，假设整个运行阶段的总行程为s，加速阶段从0到ta，速度从vs加速到v1，假定加速阶段走过的行程为sa；匀速阶段从ta到tv，匀速运行速度保持最大速度v1不变，假定匀速阶段走过的行程为sv；减速阶段从tv到td，速度从v1减速到ve，假定减速阶段走过的行程为sd。

具体地，在电机的加速阶段，根据预设的抛物线曲线方程计算确定加速曲线方程，其中，预设的抛物线曲线为开口向下的2次方抛物线曲线，假设曲线方程为：

v＝at²+bt+c；

根据上述假设的两个已知条件，即加速开始时刻的速度(0，vs)和加速终点时刻的速度(0，v1)。此外，本实施例中从加速阶段进入匀速阶段的过渡时刻，为了让电机运行的更加平稳，最大程度减少对机械设备的冲击，将加速终点时刻的加速度设置为0，这样，根据上述已知条件与预设的抛物线曲线方程，可计算求出加速阶段曲线方程，具体地，加速曲线方程满足下述关系式：

式中，v代表加速阶段任意时刻t对应的速度；

vs代表加速阶段的起始加速初始速度；

v1代表加速阶段的加速终点速度；

ta代表加速阶段的加速时间。

这样，在电机的加速阶段，根据上述计算得到的加速曲线方程控制电机加速运行。

进一步地，对上述加速曲线方程在0到ta时间段的速度进行积分运算，得到加速阶段的加速行程，具体关系式如下：

式中：sa代表加速阶段的加速行程。

需要说明的是，本发明还在相同的加速条件下，进一步计算了梯形速度曲线和s型速度曲线的运行行程，即从0时刻开始加速，直到ta时刻，速度从vs加速到v1计算两者的运行行程，其中，两者加速阶段的运行行程均为以下关系式：

式中，sa1代表梯形速度曲线或s型速度曲线加速阶段的运行行程。

之后，将该运行行程与本发明在加速阶段的运行行程进行比较，可以得到两者的差值，即具体差值关系式如下：

通过以上差值关系式可知，按照本发明设计的加速曲线控制电机的运行，不仅速度做到了平滑过渡，加速度也做到了连续自然变化，并在加速终点加速度变为0，能够保证对机械的冲击最小；在满足起始速度vs不大于设定速度v1的前提下，加速阶段的运行行程比相同条件下梯形速度曲线和s型速度曲线大，由此表明采用本发明设计的加速曲线可以提高整机的加速效率，两者速度v1和vs之间的差值越明显，加速效率的提升幅度越大。

具体地，如图1和图2所示，本发明的减速阶段采用加加速度恒定的s型速度曲线，具体该速度曲线包括加减速阶段速度曲线、匀减速阶段速度曲线以及减减速阶段速度曲线，这样，在电机的减速阶段，采用预设的加加速度恒定的s型速度曲线，通过以上三个减速阶段进一步地控制电机减速运行。

首先，对减速阶段的各参数进行设置，假定加加速度为jd，整个减速阶段的行程为sd，加减速阶段运行时间为td1，运行的行程为sd1。匀减速阶段运行时间为td2，运行的行程为sd2。减减速阶段运行时间为td3，运行的行程为sd3，显然有td＝td1+td2+td3。一般的，设计加减速阶段和减减速阶段的运行时间相同，通过引入平滑系数kd(0<kd<0.5)，并将kd开放给用户可调，内部做好限值处理，这样，用户可根据电机的实际负载和机械高速运行时刹车的平稳度，灵活调整kd的数值。

具体地，令td1＝kd×td，则有以下关系式：

td1＝kd×td，

td3＝kd×td，

td2＝(1-2×kd)×td。

进一步地，根据以上各参数以及关系式，在加减速阶段，采用加速度数值按照线性规律增加的方式计算得到加减速曲线方程，并以加减速曲线方程控制电机加减速运行，具体加减速曲线方程满足下述关系式：

式中，v代表加减速阶段的任意时刻t对应的速度；

jd代表加减速阶段的加加速度；

td1代表加减速阶段的运行时间。

更进一步地，对以上加减速曲线方程进行积分，得到加减速阶段的运行行程，具体关系式如下：

式中，sd1代表加减速阶段的运行行程。

之后，在匀减速阶段，以加减速阶段结束时对应的加速度恒定的匀减速曲线方程控制电机匀减速运行，即加速度保持不变，加速度大小为加减速阶段终点时刻的值，得到匀减速曲线方程满足下述关系式：

式中，v代表匀减速阶段的任意时刻t对应的速度；

jd代表加减速阶段的加加速度；

td2代表匀减速阶段的运行时间。

进一步地，对以上匀减速曲线方程进行积分，得到匀减速阶段的运行行程，具体关系式如下：

式中，sd2代表匀减速阶段的运行行程。

同样的，对于减减速阶段，采用加速度数值按照线性规律减小的方式计算得到减减速曲线方程，并以减减速曲线方程控制电机减减速运行。其中，终点速度为ve，终点加速度为0，得到如下减减速曲线方程和减减速阶段的运行行程。

其中，减减速曲线方程满足下述关系式：

式中，v代表减减速阶段的任意时刻t对应的速度；

jd代表所述减减速阶段的加加速度；

td3代表所述减减速阶段的运行时间。

具体地，减减速阶段的加加速度为

进一步地，对以上减减速曲线方程进行积分，得到减减速阶段的运行行程，具体关系式如下：

式中，sd3代表减减速阶段的运行行程。

更进一步地，根据上述三个减速阶段的运行行程得到整个减速阶段的运行行程，具体关系式如下：

式中，sd代表减速阶段的运行行程。

进一步地，本发明还根据加速曲线方程计算加速阶段的加速行程，根据加加速度恒定的s型速度曲线计算减速阶段的减速行程，以及获取电机的总行程，并根据该总行程与加速行程和减速行程之间的关系，进一步判断电机是否存在匀速阶段的步骤，具体如下：当总行程大于加速行程和减速行程之和时，判定电机存在匀速阶段，如图2所示，说明整个运行阶段包含匀速运行阶段，系统能够加速到期望的最大速度v1，即当s>sa+sd时，存在匀速运行阶段，匀速阶段的运行行程和运行时间如下，

sv＝s-sa-sd

式中，sv代表匀速阶段的运行行程；

s代表整个运行阶段的总行程；

tv代表匀速阶段的运行时间。

当总行程不大于加速行程和减速行程之和时，判定电机不存在匀速阶段，如图3所示，说明整个运行阶段不包含匀速运行阶段，整个运行过程中，系统能够加速到的最大速度不大于期望速度v1，假定v2是本次运动过程中实际运行的最大速度。即当s<＝sa+sd时，不存在匀速运行阶段，则需要对整个运行阶段重新进行计算规划。

具体地，在判定电机不存在匀速阶段之后，还包括：获取电机在整个运行阶段的实际最大速度v2，对v2重新计算进行修正，具体关系式如下：

式中，v2代表修正后的运动过程中实际运行的最大速度。

之后，根据实际最大速度分别修正加速度曲线方程以及加加速度恒定的s型曲线方程，具体有：根据修正的实际最大速度v2，进一步对加速阶段的速度曲线进行修正，修正速度曲线关系式如下：

式中，v代表修正后的加速阶段任意时刻t对应的速度。

也就是说，将修正后的最大运行速度v2代入加速阶段的速度曲线，并替换关系式中的设定的最大速度v1，以得到修正后的加速阶段的速度曲线。并且，同样的将修正后的加速阶段速度曲线对时间做积分运算，可得到加速阶段具体时刻的行程。

进一步地，再对减速阶段的加加速度进行修正，修正的加加速度关系式如下：

式中，jd2代表修正后减速阶段的加加速度。

之后，同样将修正后的加加速度jd2和修正后的最大速度v2替换减速阶段全部速度曲线中设定的加加速度jd和最大速度v1，并对时间做积分运算，即可得到减速阶段具体时刻的行程。也就是说，通过对匀速阶段的修正，本发明的速度曲线始终能保持预设的三个运动阶段，通过对整个运动过程进行合理的轨迹规划，使得各个运动阶段之间的衔接平滑无冲击。

本发明的减速阶段按照加加速度恒定、加速度呈一次方直线变化的规律，以尽可能小的计算量，设计一种减速过程平滑程度可调的减速曲线，满足高速运行状态下快速平稳停机的要求。同时，自动按照要求的最大速度、加减速时间和总体行程，对整个运动过程进行合理的轨迹规划，使得各个运动阶段之间的衔接平滑无冲击。将本发明设计的非对称的s型速度曲线应用在高速制袋机送料电机的控制上，在相同机械、相同产品规格的前提下，每分钟的加工速度能提高5％～10％，由此带来的产能的提升幅度非常可观，给用户创造了很大的经济价值。

本发明的第二方面，如图4所示，提供一种电机的速度控制系统100，该系统100采用非对称s型速度曲线控制系统，系统包括：加速控制模块101、匀速控制模块102以及减速控制模块103；其中，

加速控制模块101，用于在电机的加速阶段，根据预设的抛物线曲线方程计算确定加速曲线方程，并以加速曲线方程控制电机加速运行。

匀速控制模块102，用于在电机的匀速阶段，根据加速阶段加速终止时刻对应的速度控制电机匀速运行。

减速控制模块103，用于在电机的减速阶段，采用预设的加加速度恒定的s型速度曲线，并以加加速度恒定的s型速度曲线控制所述电机减速运行。

将本发明设计的速度控制系统应用在高速制袋机控制上，在相同机械、相同产品规格的前提下，每分钟的加工速度能提高5％～10％，由此带来的产能的提升幅度非常可观，给用户创造了很大的经济价值。另外，本发明提供的一种电机的速度控制系统在速度提升的同时，还可以保证运行过程中的平稳程度与应用常规s型曲线的设备不相上下，这有利于降低设备的故障率，并有利于延长设备的寿命。

本发明提供的电机速度控制方法及控制系统，通过设计一种开口向下的2次方抛物线的加速曲线，使得加速阶段电机扭矩满足负载扭矩要求，在相同的加速时间内较大幅度提升电机运转的行程，进而提高加速的效率。其次，减速阶段采用加加速度恒定的s型速度曲线，按照加加速度恒定、加速度呈一次方直线变化的规律，以尽可能小的计算量，设计一种减速过程平滑程度可调的减速曲线，满足高速运行状态下快速平稳停机的要求。同时，本发明提供的电机加速控制方法自动按照预设要求的最大速度、加减速时间和总体行程，对整个运动过程进行合理的轨迹规划，使得各个运动阶段之间的衔接平滑无冲击。本发明提供的电机速度控制方法以及控制系统解决了常用s型曲线加速阶段速度响应不够、加速效率低下的问题，在不影响高速停机平稳性的前提下，提升设备的加工速度和效率，加大s型速度曲线在高速加工设备中的应用范围。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。