本發(fā)明屬于電機(jī)控制，具體的說是一種基于實(shí)時(shí)控制器的多軸伺服時(shí)序控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、多軸伺服控制系統(tǒng)是一種常用于實(shí)現(xiàn)多軸控制的技術(shù)，能準(zhǔn)確控制多個(gè)電機(jī)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)以閉環(huán)的方式控制部件完成期望的位置、速度或力矩指令的控制系統(tǒng)，主要由伺服電機(jī)、位置傳感器、控制器和運(yùn)動(dòng)控制算法組成，伺服電機(jī)是通過傳感器來(lái)測(cè)量電機(jī)的位置，并將位置信號(hào)傳回給控制器，控制器利用位置信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，然后輸出控制電壓以控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

2、多軸伺服控制系統(tǒng)主要包括電機(jī)技術(shù)、控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，其中，電機(jī)技術(shù)是多軸伺服控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，控制理論是多軸伺服控制系統(tǒng)的核心，計(jì)算機(jī)技術(shù)是多軸伺服控制系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。在20世紀(jì)60年代以前，多軸伺服控制系統(tǒng)主要采用模擬電路實(shí)現(xiàn)控制，電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)，存在控制精度和穩(wěn)定性較低、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)工作量大的缺點(diǎn)，20世紀(jì)60年代到80年代，多軸伺服控制系統(tǒng)開始采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)控制，電機(jī)的選擇也開始多樣化，如直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)，20世紀(jì)80年代以后，多軸伺服控制系統(tǒng)逐漸向智能化、高精度、高穩(wěn)定性的方向發(fā)展，到目前為止，多軸伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、航空航天領(lǐng)域。

3、如授權(quán)公告號(hào)為cn113311787b的中國(guó)專利公開了一種多軸伺服控制系統(tǒng)，包括控制主板、pc機(jī)、示教控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器；pc機(jī)、示教控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器均與控制主板通訊；控制主板包括控制芯片、存儲(chǔ)電路、第一通訊接口電路、伺服控制接口電路和i/o接口電路；伺服控制接口電路配置有至少6個(gè)，每一個(gè)伺服控制接口電路分別與一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器電連接，每一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器分別與一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的伺服電機(jī)電連接；控制芯片運(yùn)行有系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序至少包括：數(shù)據(jù)處理單元、手動(dòng)操作單元、至少兩個(gè)控制單元、教導(dǎo)單元和參數(shù)編輯單元。

4、如授權(quán)公告號(hào)為cn108663993b的中國(guó)專利公開了一種基于實(shí)時(shí)控制器的多軸伺服控制系統(tǒng)，所述電機(jī)用于向機(jī)器人或數(shù)控機(jī)床提供工作動(dòng)力，還包括伺服驅(qū)動(dòng)器、實(shí)時(shí)控制器以及上位機(jī)，所述實(shí)時(shí)控制器用于執(zhí)行控制算法程序生成多軸電機(jī)控制量信息；所述伺服驅(qū)動(dòng)器用于根據(jù)所述多軸電機(jī)控制量信息驅(qū)動(dòng)所述電機(jī)控制所述機(jī)器人或數(shù)控機(jī)床的工作并反饋實(shí)際位置信息；所述上位機(jī)，用于顯示并保存所述實(shí)時(shí)控制器的多軸電機(jī)控制量信息和所述伺服驅(qū)動(dòng)器反饋的實(shí)際位置信息。本發(fā)明的一種基于實(shí)時(shí)控制器的多軸伺服控制系統(tǒng)，能夠提供開放式的軟件開發(fā)環(huán)境和豐富的硬件接口，為用戶提供快速便捷的二次開發(fā)。

5、通過對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的多軸伺服控制系統(tǒng)易受算法和參數(shù)的限制，難以實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)控制，容易出現(xiàn)不同步和配合不協(xié)調(diào)的問題，如cn113311787b需要穩(wěn)定的電源來(lái)保證正常運(yùn)行，易受到外部信號(hào)的干擾，且單元間耦合性過高，一旦需要進(jìn)行升級(jí)或替換某個(gè)單元，可能需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；此外，現(xiàn)有的多軸伺服控制系統(tǒng)通常采用固定的硬件架構(gòu)，難以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)展或調(diào)整，無(wú)法保證實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸和控制，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)控制的誤差，如cn108663993b涉及多個(gè)軸和多個(gè)組件的協(xié)同工作，系統(tǒng)的調(diào)試變得復(fù)雜和耗時(shí)。為了解決這些問題，本發(fā)明提供了一種基于實(shí)時(shí)控制器的多軸伺服時(shí)序控制系統(tǒng)，通過優(yōu)化算法和參數(shù)調(diào)整，提高了控制精度，實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)和協(xié)同控制，提高了多軸協(xié)同工作的穩(wěn)定性和效率，同時(shí)采用單元化設(shè)計(jì)，具有良好的可擴(kuò)展性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于實(shí)時(shí)控制器的多軸伺服時(shí)序控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)控制器模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器模塊、傳感器模塊、上位機(jī)、多軸時(shí)序控制模塊和控制板進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，通過軌跡控制單元進(jìn)行高精度的軌跡控制，實(shí)現(xiàn)了加工和運(yùn)動(dòng)過程中的準(zhǔn)確性和平滑性的要求，通過時(shí)序規(guī)劃單元和同步控制單元實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)和同步各軸伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，避免各軸電機(jī)之間的碰撞和干涉，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于實(shí)時(shí)控制器的多軸伺服時(shí)序控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)控制器模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器模塊、傳感器模塊、上位機(jī)、多軸時(shí)序控制模塊和控制板，

4、所述實(shí)時(shí)控制器模塊，用于處理輸入信號(hào)、執(zhí)行控制算法程序并生成控制指令發(fā)送給伺服電機(jī)；

5、所述伺服驅(qū)動(dòng)器模塊，用于執(zhí)行實(shí)時(shí)控制器發(fā)出的指令，驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)并反饋實(shí)際位置信息；

6、所述傳感器模塊，用于檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)和位置信息，并將狀態(tài)和位置信息反饋給實(shí)時(shí)控制器模塊；

7、所述上位機(jī)，用于顯示并保存實(shí)時(shí)控制器的多軸電機(jī)控制量信息和伺服驅(qū)動(dòng)器反饋的實(shí)際位置信息，提供人機(jī)交互界面；

8、所述多軸時(shí)序控制模塊，用于協(xié)調(diào)各軸間的運(yùn)動(dòng)和時(shí)序關(guān)系；

9、所述控制板，用于協(xié)調(diào)和管理各個(gè)模塊之間的通訊和控制流程，提供對(duì)底層硬件資源的訪問和控制。

10、具體的，所述實(shí)時(shí)控制器模塊包括任務(wù)調(diào)度單元、通信單元和軌跡控制單元，

11、所述任務(wù)調(diào)度單元，用于管理伺服控制系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度；

12、所述通信單元，用于實(shí)時(shí)控制器與伺服電機(jī)、傳感器和人機(jī)界面之間的數(shù)據(jù)交換和通信；

13、所述軌跡控制單元，用于接收控制指令，根據(jù)預(yù)設(shè)的軌跡算法和控制邏輯，計(jì)算各軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡和狀態(tài)，輸出相應(yīng)的控制電壓，同時(shí)，接收傳感器信號(hào)并進(jìn)行反饋控制。

14、具體的，所述伺服驅(qū)動(dòng)器模塊包括伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器，

15、所述伺服電機(jī)，用于將控制指令轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)操作，進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)；

16、所述伺服驅(qū)動(dòng)器，用于接收控制指令，將接收的控制指令轉(zhuǎn)化成控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器的開關(guān)信號(hào)，同時(shí)將伺服電機(jī)的狀態(tài)信息反饋給軌跡控制器。

17、具體的，所述傳感器模塊包括傳感器單元和數(shù)據(jù)處理單元，

18、所述傳感器單元，用于檢測(cè)和采集機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)，并將采集的系統(tǒng)信息反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器；

19、所述數(shù)據(jù)處理單元，用于對(duì)接收的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取機(jī)械運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)和位置信息。

20、具體的，所述多軸時(shí)序控制模塊包括時(shí)序規(guī)劃單元和同步控制單元，

21、所述時(shí)序規(guī)劃單元，用于根據(jù)加工工藝和運(yùn)動(dòng)需求，規(guī)劃各軸之間的時(shí)序關(guān)系；

22、所述同步控制單元，用于控制各軸之間的運(yùn)動(dòng)同步。

23、具體的，所述實(shí)時(shí)控制器模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器模塊、傳感器模塊、上位機(jī)和多軸時(shí)序控制模塊均與控制主板通訊。

24、具體的，所述軌跡控制單元采用一種軌跡優(yōu)化控制策略，具體步驟包括：

25、步驟101：設(shè)定傳感器反饋的運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)為系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間為t，初始位置為x0，初始速度為v0，加速度為a；

26、步驟102：將所述x0、v0、a代入公式，生成運(yùn)動(dòng)軌跡信息，公式為：

27、

28、e(t)＝[[ex′,1(t)；…；ex′,i(t)],[e′y,1(t)；…；e′y,i(t)]],i＝1,...,n

29、

30、其中，t表示運(yùn)動(dòng)時(shí)間，ex(t)表示坐標(biāo)系中x軸運(yùn)動(dòng)位移誤差，ey(t)表示坐標(biāo)系中y軸運(yùn)動(dòng)位移誤差，e′x,1(t)表示坐標(biāo)系x軸運(yùn)動(dòng)位移中多軸控制系統(tǒng)第一個(gè)軸誤差的列向量，e′y,1(t)表示坐標(biāo)系y軸運(yùn)動(dòng)位移中多軸控制系統(tǒng)第一個(gè)軸誤差的列向量，e′x,i(t)表示坐標(biāo)系x軸運(yùn)動(dòng)位移中多軸控制系統(tǒng)第i個(gè)軸誤差的列向量，e′y,i(t)表示坐標(biāo)系y軸運(yùn)動(dòng)位移中多軸控制系統(tǒng)第i個(gè)軸誤差的列向量，n表示多軸控制系統(tǒng)的軸數(shù)，e(t)表示運(yùn)動(dòng)軌跡誤差，d(t)表示運(yùn)動(dòng)軌跡信息，λp、λq、λm分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。

31、具體的，所述伺服電機(jī)，采用了一種轉(zhuǎn)矩控制策略，具體步驟包括：

32、步驟201：設(shè)定電機(jī)運(yùn)行角速度為w，傳感器獲取的電機(jī)角速度為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為j；

33、步驟202：根據(jù)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩方程，計(jì)算多軸電機(jī)控制量，轉(zhuǎn)矩方程公式為：

34、

35、其中，e表示輸出轉(zhuǎn)矩，aw表示角加速度，d表示阻尼系數(shù)，m表示電機(jī)質(zhì)量；

36、步驟203：根據(jù)轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值和當(dāng)前電機(jī)狀態(tài)計(jì)算多軸電機(jī)控制量，多軸電機(jī)控制量計(jì)算公式為：

37、

38、其中，δu表示多軸電機(jī)控制量，表示傳感器獲取的電機(jī)中的電流，ix表示電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流，η表示轉(zhuǎn)矩常數(shù)，pn表示極對(duì)數(shù)；

39、步驟204：將計(jì)算出的多軸電機(jī)控制量輸入伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過電機(jī)編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩，并將實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩反饋給實(shí)時(shí)控制器。

40、具體的，所述時(shí)序規(guī)劃單元，采用改進(jìn)的任務(wù)調(diào)度策略，具體步驟包括：

41、步驟301：利用任務(wù)調(diào)度算法按照運(yùn)動(dòng)軌跡信息分配任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，設(shè)定時(shí)間片長(zhǎng)度，按照任務(wù)的優(yōu)先級(jí)順序，將任務(wù)放入隊(duì)列，再按照隊(duì)列順序，逐個(gè)取出任務(wù)并執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片，當(dāng)一個(gè)時(shí)間片用完時(shí)，當(dāng)前任務(wù)被掛起，系統(tǒng)轉(zhuǎn)到下一個(gè)任務(wù)，直至所有任務(wù)按時(shí)完成，獲得任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間和調(diào)度順序；

42、步驟302：根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間和調(diào)度順序，計(jì)算時(shí)序參數(shù)s＝{t1,ex,y(t),φx,y(t),v,a,e,el}，確定各軸的運(yùn)動(dòng)時(shí)序和時(shí)間間隔t1，并采用閉環(huán)控制策略，根據(jù)傳感器反饋的運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)與運(yùn)動(dòng)軌跡信息d(t)進(jìn)行比較，生成控制指令，其中，ex,y(t)表示坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)位移誤差，φx,y(t)表示坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)相位差，el表示負(fù)載力矩，生成控制指令的具體公式為：

43、

44、e1(s)＝r(s)-d(s),d(t)∈{d(s)}

45、

46、其中，表示傳感器反饋的數(shù)據(jù)中x軸中的多軸控制系統(tǒng)第1個(gè)到第i個(gè)軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)的列向量，表示傳感器反饋的數(shù)據(jù)中y軸中的多軸控制系統(tǒng)第1個(gè)到第i個(gè)軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)的列向量，r(s)表示傳感器反饋的運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)的列向量，e1(s)表示傳感器反饋的運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)的誤差，d(s)表示實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)，d1(s)表示生成的控制指令；

47、步驟303：根據(jù)控制指令，對(duì)各個(gè)軸進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)和參數(shù)變化，及時(shí)調(diào)整控制指令。

48、具體的，所述同步控制單元，采用的時(shí)間補(bǔ)償策略具體步驟包括：

49、步驟401：同步控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各軸的位置、速度狀態(tài)信息，并接收步驟202中發(fā)送的時(shí)序參數(shù)s＝{t1,ex,y(t),φx,y(t),v,a,e,el}；

50、步驟402：將監(jiān)測(cè)到的狀態(tài)信息與運(yùn)動(dòng)時(shí)序參數(shù)進(jìn)行比較，判斷是否存在偏差，若存在偏差，則施加補(bǔ)償，并將軸的狀態(tài)信息和實(shí)時(shí)控制指令反饋給時(shí)序規(guī)劃單元，補(bǔ)償策略的具體公式為：

51、δt＝k×(t1-t)

52、其中，δt表示時(shí)間補(bǔ)償量，k表示時(shí)間補(bǔ)償系數(shù)。

53、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

54、1.本發(fā)明提出一種基于實(shí)時(shí)控制器的多軸伺服時(shí)序控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了架構(gòu)、運(yùn)行步驟和流程上的優(yōu)化改進(jìn)，系統(tǒng)具備流程簡(jiǎn)單，投資運(yùn)行費(fèi)用低廉，生產(chǎn)工作成本低的優(yōu)點(diǎn)，在原有伺服控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提高了同步控制的精度。

55、2.本發(fā)明提出一種基于實(shí)時(shí)控制器的多軸伺服時(shí)序控制系統(tǒng)，根據(jù)傳統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)不同步和配合不協(xié)調(diào)的問題，采用一種優(yōu)化控制策略和轉(zhuǎn)矩控制策略，通過高速計(jì)算和精確的控制算法，實(shí)現(xiàn)高精度的位置、速度和加速度控制，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜軌跡的控制，提高了系統(tǒng)的定位精度和穩(wěn)定性。