一种高精度和高动态响应的伺服电机主轴准停控制方法与流程

本发明涉及电子领域，具体为一种高精度和高动态响应的伺服电机主轴准停控制方法。

背景技术：

伺服电机主轴准停功能指的是当伺服控制系统接收到准停命令时，主轴能够停止在一个固定的位置或角度，并保持一定的力矩。主轴准停功能是数控机床自动换刀所必需的功能。精度和响应时间，是伺服电机主轴准停功能的核心技术指标。

主轴准停基本过程为：当伺服控制系统接收到准停命令时，电机先加速或减速到规定速度，当检测到电机轴编码器的z相脉冲或原点定位开关到达信号时，再运转固定的位置或角度完成准停到位。速度环和位置环组成的双环结构，是目前被普遍认可的主轴准停控制系统结构，其中速度环一般采用pi调节器，位置环为不引起位置超调，一般采用纯比例调节器。速度环和位置环的基本工作过程为：主轴准停控制系统通过速度环控制伺服电机加速或减速到规定速度，当检测到电机轴编码器的z相脉冲或原点定位开关到达信号时，由速度环控制切换到位置环控制，实现固定位置或角度的准停。

如果旋转轴以较高的速度进行从速度环控制向位置环控制的切换，容易由于速度环和位置环切换过程中速度指令的不连续，引发电机比较大的机械振动。因此现有技术中速度环不得不采用较小的规定速度。可是，由于规定速度较小，因此导致准停响应时间较长。

为进一步压缩准停响应时间，同时避免速度环向位置环切换过程中可能出现的机械振动，发明专利“旋转轴的准停控制装置(cn200610168773.6)”提出采用经平滑处理的移动指令，实现速度环向位置环切换过程中速度或加速度的平滑变化，从而抑制可能的机械振动。此方法通过平滑处理，可以实现在更高的规定速度下，实现从速度环向位置环的平稳切换，由于速度环的规定速度更高，因此达到了压缩速度环响应时间的目的。但切换到位置环控制后，其位置环增益设定太小时，最后的定位过程会变慢，设定值大时，最后的定位过程会变快，但可能造成机械系统振荡。综上所述，该发明专利提出的方法，仅在速度环实现了缩短响应时间，而位置环的响应时间并没有得到有效压缩。

此外，研究人员还提出了速度环加分阶段减速的准停控制方法；速度、加速度和位置并行输入到同一个调节器中，组成多状态变量输入的并行结构；位置单环系统结构等等。上述结构或者在缩短准停响应时间方面并没有表现出明显的改善，或者或多或少地牺牲了系统的准停精度。

技术实现要素：

本发明采取的技术方案如下：本发明包括如下步骤，

1)速度环控制方式判别；

如果为速度环控制方式，则继续第2)步；否则跳转到15)步。第一次判断时，控制方式默认为速度环控制方式。

2)计算电机轴反馈频率，电机轴反馈频率为hzf；

hzf＝△pls×plsg1，其中△pls为△t时间步长内伺服电机轴编码器脉冲累计值的增量，plsg1为电机轴编码器增益1，其中△t＝0.192ms，0<plsg1≤64；

3)计算速度差，速度差为hfd；

速度环控制方式：hfd＝maxhz-hzf，其中maxhz为速度环规定速度，50≤maxhz≤1000。

位置环控制方式：hfd＝hzs-hzf，其中hzs为位置环输出频率。

4)限幅；

如果hfd>trqb1，则hfd＝trqb1，否则hfd保持不变，其中trqb1为限幅值，0≤trqb1≤64。

5)计算pio数据；

计算积分数据，积分数据为i；

i＝∑hfd/icr，其中icr为积分系数，其中10≤icr≤1000。

计算比例数据，比例数据为p；

p＝hfd/pga，其中pga为比例系数，其中10≤pga≤120。

计算pio数据pio；

pio＝p+i+o，其中o为补偿值，其中0≤o≤80。

6)限幅；

如果pio>trqb2，则pio＝trqb2，否则pio保持不变，其中trqb2为限幅值，0≤trqb2≤100。

7)计算负载电流，负载电流为id；

id＝k1×pio，其中k1为负载电流增益，1≤k1≤100。

8)计算励磁电流，励磁电流为im；

im＝k2×pio，其中k2为励磁电流增益，1≤k2≤150。

9)计算相位差，相位差为pd；

pd＝hfd×△t，其中△t为时间步长，△t＝0.192ms。

10)计算当前相位，当前相位为ph；

ph＝hzf×t+pd，其中t为系统时间。

11)计算三相电流值，u相电流值为iu；v相电流值为iv；w相电流值为iw；

iu＝im×cos(ph)-id×sin(ph)，其中cos(ph)和sin(ph)分别为余弦值和正弦值，iv＝im×sin(ph)+id×cos(ph)，iw＝-iu-iv。

12)计算三相pwm占空比，u相pwm占空比为udc，v相pwm占空比为vdc，w相pwm占空比为wdc；

udc＝zrcut+(iu-ufeed)×igain，其中zrcut为偏置值，大小为pwm周期的一半，ufeed为u相反馈电流值，igain为电流增益，1≤igain≤100。

vdc＝zrcut+(iv-vfeed)×igain，其中vfeed为v相反馈电流值。

wdc＝zrcut+(iw-wfeed)×igain，其中wfeed为w相反馈电流值。

13)判断z相脉冲或原点定位开关信号是否到达；

如果z相脉冲或原点定位开关信号到达，继续第14)步；否则跳转到第1)步。

14)位置环控制方式设定

将系统控制方式设定为位置环控制方式，跳转到第1)步。

15)判断是否为脉冲差控制方式；

如果pls<pos-pd，则系统控制方式仍为位置环控制方式，继续第16)步；否则将系统控制方式更改为脉冲差控制方式，并跳转到第17)步，其中pls为伺服电机轴编码器脉冲累计值，pos为伺服电机轴编码器目标位置，pd为脉冲差数。

16)计算位置环输出频率，位置环输出频率为hzs；

其中plsg2＝minhz²/pd为电机轴编码器增益2，minhz为脉冲差控制方式时的最小速度，minhz≤50，跳转到第2)步。

17)计算三相电流斜率，u相斜率为ku，v相斜率为kv，w相斜率为kw；

ku＝(udc-dc)/pd，kv＝(vdc-dc)/pd，kw＝(wdc-dc)/pd，其中dc为目标占空比，10≤dc≤90，pc＝pd，其中pc为脉冲计数值。

18)计算pwm占空比；

udc＝dc+ku×pc，vdc＝dc+kv×pc，wdc＝dc+kw×pc，pc＝pc-1。

19)pwm发送单个脉冲；

发送周期为0.192ms，三相占空比分别为udc，vdc和wdc的单周期pwm脉冲。

20)判断是否继续发送pwm脉冲；

如果pls≥pos或者pc＝0，继续第21)步，否则跳转到第18)步。

21)准停到位，即结束。

注：系统有三种控制方式，分别为：速度环控制方式、位置环控制方式和脉冲差控制方式。第3)步的hfd依据系统控制方式不同，计算方法不同。

有益效果：由速度环和位置环组成的双环结构，是目前被普遍认可的主轴准停控制系统结构，其中速度环一般采用pi调节器，位置环为不引起位置超调，一般采用纯比例调节器。位置环增益设定太小时，最后的定位过程会变慢，设定值大时，最后的定位过程会变快，但可能造成机械系统振荡。这种双环串联的结构，虽然控制精度高，但也降低了准停的动态响应性能。

本发明在速度环和位置环组成的双环结构基础上，增加脉冲差补偿结构，且速度环向位置环切换过程中，也采用平滑处理的方式来获得较为平滑的速度，从而抑制可能的机械振动。不同的是为压缩准停时间，速度环采用更高的规定速度，位置环采用更大的位置环增益，为保证准停时不发生机械系统振荡，位置环要在准停到位前将速度降到足够低(小等于50hz)，再通过脉冲差补偿实现在极短的时间内，以较低的速度实现高精度准停。

综上所述，速度环负责快速接近准停位置，位置环负责在准停到位前以高的加速度减速接近准停位置，最后的脉冲差补偿负责高精度准停，从而实现在保证准停高精度的前提下，达到了进一步压缩准停时间的目的。本发明可实现准停精度±1个脉冲，准停时间小于500ms。

附图说明

图1是本发明控制系统框图。

图2是本发明速度曲线。

图3是本发明控制流程图。

具体实施方式

伺服电机主轴准停控制系统由三部分组成，伺服控制系统、伺服电机和编码器，如图1所示。伺服控制系统根据系统参数及编码器反馈值，控制交流伺服电机停止在一个固定的位置或角度，并保持一定的力矩。

本发明提出的一种高精度和高动态响应的伺服电机主轴准停控制方法，是在速度环和位置环组成的双环结构基础上，增加脉冲差补偿结构，以实现在保证高精度准停的前提下，进一步压缩准停时间。此新控制方法的速度曲线如图2所示。速度环将当前电机转速加速或减速到规定速度maxhz，并保持不变。当检测到电机轴编码器的z相脉冲或原点定位开关到达信号时，由速度环切换到位置环控制。位置环在pos-pd的位置将速度降为minhz，其中pos为目标位置，pd为脉冲差数。此时由位置环切换到脉冲差控制，伺服控制系统对pwm占空比进行平滑处理，再发送pd个脉冲后或达到pos目标位置后，完成主轴准停。

本发明采取的技术方案如下：本发明包括如下步骤，

1)速度环控制方式判别；

如果为速度环控制方式，则继续第2)步；否则跳转到15)步。第一次判断时，控制方式默认为速度环控制方式。

2)计算电机轴反馈频率，电机轴反馈频率为hzf；

hzf＝△pls×plsg1，其中△pls为△t时间步长内伺服电机轴编码器脉冲累计值的增量，plsg1为电机轴编码器增益1，其中△t＝0.192ms，0<plsg1≤64；

3)计算速度差，速度差为hfd；

速度环控制方式：hfd＝maxhz-hzf，其中maxhz为速度环规定速度，50≤maxhz≤1000。

位置环控制方式：hfd＝hzs-hzf，其中hzs为位置环输出频率。

4)限幅；

如果hfd>trqb1，则hfd＝trqb1，否则hfd保持不变，其中trqb1为限幅值，0≤trqb1≤64。

5)计算pio数据；

计算积分数据，积分数据为i；

i＝∑hfd/icr，其中icr为积分系数，其中10≤icr≤1000。

计算比例数据，比例数据为p；

p＝hfd/pga，其中pga为比例系数，其中10≤pga≤120。

计算pio数据pio；

pio＝p+i+o，其中o为补偿值，其中0≤o≤80。

6)限幅；

如果pio>trqb2，则pio＝trqb2，否则pio保持不变，其中trqb2为限幅值，0≤trqb2≤100。

7)计算负载电流，负载电流为id；

id＝k1×pio，其中k1为负载电流增益，1≤k1≤100。

8)计算励磁电流，励磁电流为im；

im＝k2×pio，其中k2为励磁电流增益，1≤k2≤150。

9)计算相位差，相位差为pd；

pd＝hfd×△t，其中△t为时间步长，△t＝0.192ms。

10)计算当前相位，当前相位为ph；

ph＝hzf×t+pd，其中t为系统时间。

11)计算三相电流值，u相电流值为iu；v相电流值为iv；w相电流值为iw；

iu＝im×cos(ph)-id×sin(ph)，其中cos(ph)和sin(ph)分别为余弦值和正弦值，iv＝im×sin(ph)+id×cos(ph)，iw＝-iu-iv。

12)计算三相pwm占空比，u相pwm占空比为udc，v相pwm占空比为vdc，w相pwm占空比为wdc；

udc＝zrcut+(iu-ufeed)×igain，其中zrcut为偏置值，大小为pwm周期的一半，ufeed为u相反馈电流值，igain为电流增益，1≤igain≤100。

vdc＝zrcut+(iv-vfeed)×igain，其中vfeed为v相反馈电流值。

wdc＝zrcut+(iw-wfeed)×igain，其中wfeed为w相反馈电流值。

13)判断z相脉冲或原点定位开关信号是否到达；

如果z相脉冲或原点定位开关信号到达，继续第14)步；否则跳转到第1)步。

14)位置环控制方式设定

将系统控制方式设定为位置环控制方式，跳转到第1)步。

15)判断是否为脉冲差控制方式；

如果pls<pos-pd，则系统控制方式仍为位置环控制方式，继续第16)步；否则将系统控制方式更改为脉冲差控制方式，并跳转到第17)步，其中pls为伺服电机轴编码器脉冲累计值，pos为伺服电机轴编码器目标位置，pd为脉冲差数。

16)计算位置环输出频率，位置环输出频率为hzs；

其中plsg2＝minhz²/pd为电机轴编码器增益2，minhz为脉冲差控制方式时的最小速度，minhz≤50，跳转到第2)步。

17)计算三相电流斜率，u相斜率为ku，v相斜率为kv，w相斜率为kw；

ku＝(udc-dc)/pd，kv＝(vdc-dc)/pd，kw＝(wdc-dc)/pd，其中dc为目标占空比，10≤dc≤90，pc＝pd，其中pc为脉冲计数值。

18)计算pwm占空比；

udc＝dc+ku×pc，vdc＝dc+kv×pc，wdc＝dc+kw×pc，pc＝pc-1。

19)pwm发送单个脉冲；

发送周期为0.192ms，三相占空比分别为udc，vdc和wdc的单周期pwm脉冲。

20)判断是否继续发送pwm脉冲；

如果pls≥pos或者pc＝0，继续第21)步，否则跳转到第18)步。

21)准停到位，即结束。

系统有三种控制方式，分别为：速度环控制方式、位置环控制方式和脉冲差控制方式。第3)步的hfd依据系统控制方式不同，计算方法不同。