一种基于误差预估及补偿的伺服定位系统及方法

技术领域

本发明涉及电机调速系统控制领域，尤其涉及一种基于误差预估及补偿的伺服定位系统及方法。

背景技术

伺服系统具有的高带宽带来快速响应、定位平稳及精度高等特点，在工业控制场合的应用越来越广泛。

伺服系统一般都配备有内部位置模式来实现精确定位，定位过程中，传统使用的定位速度曲线多为直线加速规划，且采用实时位置比较计算的算法，在位置规划过程中，其速度、加速度均需要通过当前位置相对目标位置的偏差来计算得到，且速度曲线为直线规划，这种方式具有实现简单、响应快速等优点，但此种方式下，电机的速度变化不平滑，很容易带来较大的机械磨损，特别在刚性交底或者存在齿轮间隙的场合，甚至会对机械寿命产生较大影响，同时由于采用实时计算推导的算法，导致执行过程中包含大部分运算过程，且运算出来最后甚至会导致速度曲线不是均匀直线变化，也会间接带来转矩的不平滑，从而同样影响位置规划平滑程度。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于误差预估及补偿的伺服定位系统及方法，

根据本发明的第一方面，提供了一种基于误差预估及补偿的伺服定位系统，包括：位置给定单元和定位控制单元；

所述位置给定单元根据电机的加速度的状态，将定位规划为多个阶段；

所述位置给定单元包括：定位参数计算模块和定位曲线规划模块；

所述定位参数计算模块根据目标位置、规划目标速度、规划加速时间、规划减速时间和速度S曲线时间，计算各个所述阶段的时长、速度增\减量和加速度增\减量；

所述定位曲线规划模块根据所述定位参数计算模块计算得到的各个所述阶段的时长、速度增\减量和加速度增\减量，对定位规划过程中各个所述阶段的加加速度、加速度、速度和位置的值进行实时更新；

所述定位控制单元根据实时的加加速度、加速度、速度和位置的值对电机进行控制。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

可选的，所述阶段包括：加加速、匀加速、加减速、匀速、减加速、匀减速和减减速，处于各个阶段的时间分别为T

所述位置给定单元根据电机的加速度的状态，将定位规划为多个阶段包括：

加速度大于0且增大时，规划为加加速阶段；

加速度大于0且不变时，规划为匀加速阶段；

加速度大于0且减小时，规划为加减速阶段；

加速度为0时，规划为匀速阶段；

加速度小于0且减小时，规划为减加速阶段；

加速度小于0且不变时，规划为匀减速阶段；

加速度小于0且增大时，规划为减减速阶段。

可选的，所述定位参数计算模块计算各个所述阶段的时长包括：

计算加速过程的总时间T

其中，SPD为位置规划时的目标速度，SPD

计算所述加加速阶段、加减速阶段、减加速阶段和减减速阶段内的速度圆弧时间T

其中，T

计算所述匀加速阶段和匀减速阶段内的速度圆弧时间T

计算所述匀速阶段的速度圆弧时间T

其中，P

可选的，所述定位参数计算模块计算各个所述阶段的速度增\减量包括：计算所述匀加速阶段的速度增量D

其中，T

可选的，所述定位参数计算模块计算各个所述阶段的加速度增\减量包括：

通过计算出来的速度增量、速度减量和位置规划S曲线平滑时间来计算出所述加加速、加减速、减减速和减加速阶段内的加速度增\减量D

可选的，所述定位曲线规划模块对定位规划过程中各个所述阶段的加加速度、加速度、速度和位置的值进行实时更新包括：

在变加速度段，根据所述加速度增量，对加速度进行累加得到实时加速度，根据加速度的累加得到实时速度，对速度进行累加得到实时位置；

在匀加速段内，根据速度递增量对实时速度进行累加得到实时速度，再用实时速度对实时位置进行累加得到实时位置；

在匀速段，速度进行累加得到实时位置。

可选的，所述位置给定单元还包括：定位误差预估模块和定位误差补偿模块；

所述定位误差预估模块用于将定位规划过程中后半程理论走过的位置距离P

所述定位误差补偿模块用于在定位规划过程中的末段起始处，根据所述位置距离P

可选的，根据运动学物理规律计算所述位置距离P

其中，D

其中，P

可选的，所述定位误差补偿模块对误差进行补偿的过程包括：

计算补偿次数为T

对误差进行补偿：

P

根据本发明的第二方面，提供一种基于误差预估及补偿的伺服定位方法，包括：

根据电机的加速度的状态，将定位规划为多个阶段；

根据目标位置、规划目标速度、规划加速时间、规划减速时间和速度S曲线时间，计算各个所述阶段的时长、速度增\减量和加速度增\减量；

根据各个所述阶段的时长、速度增\减量和加速度增\减量，对定位规划过程中各个所述阶段的加加速度、加速度、速度和位置的值进行实时更新；

根据实时的加加速度、加速度、速度和位置的值对电机进行控制。

本发明提供的一种基于误差预估及补偿的伺服定位系统及方法，加入误差补偿算法，能够实现伺服系统位置控制的精准、平稳定位；使用位置误差三角形补偿的策略，实现对位置误差的补偿，保证补偿动作不是瞬时完成，且补偿的量不会对系统带来较大的速度、力矩波动；定位过程中速度平滑，实际工程定位应用过程中，有冲击小、定位快的有点，且通过误差补偿方法，能够实现定位无误差。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于误差预估及补偿的伺服定位系统的原理结构框图；

图2为本发明实施例提供的伺服定位系统中位置、速度、加速度和加加速度分别关于时间的关系曲线对比示意图；

图3为本发明实施例提供的减减速阶段速度和时间的曲线示意图；

图4为本发明实施例提供的位置以及位置补偿之后分别与时间的关系的曲线对比示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

伺服内部位置模式运行时，使用传统直线规划，可能存在软件程序运算量大、力矩会突变、造成较大的机械磨损，减小机械寿命等缺陷。

本发明提供的一种基于误差预估及补偿的伺服定位系统，其特征在于，系统包括：位置给定单元和定位控制单元。

位置给定单元根据电机的加速度的状态，将定位规划为多个阶段。

位置给定单元包括：定位参数计算模块和定位曲线规划模块。

定位参数计算模块根据目标位置、规划目标速度、规划加速时间、规划减速时间和速度S曲线时间，计算各个阶段的时长、速度增\减量和加速度增\减量。

定位曲线规划模块根据定位参数计算模块计算得到的各个阶段的时长、速度增\减量和加速度增\减量，对定位规划过程中各个阶段的加加速度、加速度、速度和位置的值进行实时更新。

定位控制单元根据实时的加加速度、加速度、速度和位置的值对电机进行控制。

本发明采用带误差补偿算法的速度S曲线定位规划，从位置规划的软件算法入手，提供一种实现简单、速度平滑变化的定位方式，定位规划采用提前规划算法，对位置、速度、加速度、加加速度曲线进行提前规划，在实时规划时刻只要执行简单的递增运算即可，以便实现定位精准无偏差，实现伺服的内部定位功能。规划过程中速度平滑变化，不会带来加速度、速度的突变、且不会耗费巨大的芯片运算资源，同时还有定位准确、运行平稳、无超调等优点。

实施例1

本发明提供的实施例1为本发明提供的一种基于误差预估及补偿的伺服定位系统的实施例，如图1所示为本发明实施例提供的一种基于误差预估及补偿的伺服定位系统的原理结构框图。

一般伺服定位过程中，已知的参数如下：目标位置P

其中在位置给定单元中，主要由以下4个模块组成，包括：定位参数计算模块、定位误差预估模块、定位曲线规划模块和定位误差补偿模块，其中定位参数计算模块和定位误差预估模块，即图中的虚线框，在规划前即计算完成，由于模块均由纯软件实现，计算过程仅在一个调度周期即可完成，不会带来大的延迟；而剩余的定位曲线规划模块和定位误差补偿模块则是在定位过程中实时进行计算，最后得到实时的位置给定量，赋值给位置给定单元，再由定位控制单元实现对电机位置给定的实时跟随，最终达到了定位的效果。

位置给定单元根据电机的加速度的状态，将定位规划为多个阶段。

具体的，如图2所示为本发明实施例提供的伺服定位系统中位置、速度、加速度和加加速度分别关于时间的关系曲线对比示意图，结合图2可知，

阶段包括：加加速、匀加速、加减速、匀速、减加速、匀减速和减减速，处于各个阶段的时间分别为T

位置给定单元根据电机的加速度的状态，将定位规划为多个阶段包括：

速度增大，加速度大于0且增大时，规划为加加速阶段。

速度增大，加速度大于0且不变时，规划为匀加速阶段。

速度增大，加速度大于0且减小时，规划为加减速阶段。

速度不变，加速度为0时，规划为匀速阶段。

速度减小，加速度小于0且减小时，规划为减加速阶段。

速度减小，加速度小于0且不变时，规划为匀减速阶段。

速度减小，加速度小于0且增大时，规划为减减速阶段。

定位参数计算模块根据目标位置、规划目标速度、规划加速时间、规划减速时间和速度S曲线时间，计算各个阶段的时长、速度增\减量和加速度增\减量。

优选的，计算各个阶段的时长包括：

计算加速过程的总时间T

其中，SPD为位置规划时的目标速度，SPD

计算加加速阶段、加减速阶段、减加速阶段和减减速阶段内的速度圆弧时间T

其中，T

通过将加速总时间T

计算匀加速阶段和匀减速阶段内的速度圆弧时间T

计算匀速阶段的速度圆弧时间T

其中，P

具体实施中，对各个阶段的时长进行累加，得到位置规划总时长；通过将总时长除以数字调度周期计算出最终每个规划段内需要执行的数字周期值，记做Seg1Cnt，Seg2Cnt，Seg3Cnt，Seg4Cnt，Seg5Cnt，Seg6Cnt，Seg7Cnt。

计算各个阶段的速度增\减量包括：计算匀加速阶段的速度增量D

其中，T

计算各个阶段的加速度增\减量包括：

通过计算出来的速度增量、速度减量和位置规划S曲线平滑时间来计算出加加速、加减速、减减速和减加速阶段内的加速度增\减量D

具体的，以加加速段为例：

定位曲线规划模块根据定位参数计算模块计算得到的各个阶段的时长、速度增\减量和加速度增\减量，对定位规划过程中各个阶段的加加速度、加速度、速度和位置的值进行实时更新。

优选的，该实时更新的过程包括：

在变加速度段，根据在参数计算模块中得到的加速度增量，对加速度进行累加得到实时加速度，同时根据加速度的累加得到实时速度，最后对速度进行累加得到实时位置。

在匀加速段内，此时由于加加速度为零，则此时在每个数字调度周期内，根据参数计算模块中的速度递增量对实时速度进行累加得到实时速度，再用实时速度对实时位置进行累加得到实时位置。

在匀速段，由于加加速度、加速度均为零，此时只要对规划过程中设置的匀速段速度进行累加得到实时位置即可。

优选的，定位误差预估模块用于将定位规划过程中后半程理论走过的位置距离P

定位误差补偿模块用于在定位规划过程中的末段起始处，根据位置距离P

定位误差预估模块主要为后续的误差校正补偿模块作计算准备，如图3所示为本发明实施例提供的减减速阶段速度和时间的曲线示意图，结合图3可知，主要通过计算定位规划中，后半程中理论走过的位置距离PTHEROY，作为中间变量进行存储，在程序内部规划到误差补偿时刻，将此理论位置距离变量作为误差校正补偿模块的输入变量，最后协助误差补偿模块，完成定位误差的校正补偿动作。定位误差补偿模块主要实现对规划过程中存在的误差进行补偿。误差补偿算法的加入，能够实现伺服系统位置控制的精准、平稳定位。

具体的，根据运动学物理规律计算位置距离P

其中，D

其中，P

优选的，将此位置补偿到位置给定模块中，为了在位置给定过程中不会带来较大的位置突变从而影响系统速度的稳定性，对误差位置的给定也需要进行平滑给定，此方法中使用位置误差三角形补偿的策略，实现对位置误差的补偿，保证补偿动作不是瞬时完成，且补偿的量不会对系统带来较大的速度、力矩波动。具体方法为：

在末端规划过程中，需要将此偏差量同步加入到位置规划中，但为了防止位置偏差在一个调度周期内加入到实时位置累加变量中带来的速度波动，在补偿过程中，采用位置误差三角形补偿算法，即按照如下规则，对误差变量进行补偿。具体可以包括：

计算补偿次数为T

对误差进行补偿：

P

补偿之后细节图如图4所示，图中如果再最后一段开始时刻，误差为正，则进行正向补偿，反之则进行负向补偿，从图中也可以看出，补偿后不会对曲线平滑性产生影响，从而也不会带来较大机械冲击。

定位控制单元根据实时的加加速度、加速度、速度和位置的值对电机进行控制。

具体的，定位控制单元主要实现对位置规划过程中实时位置量的控制，优选的，该定位控制单元可以采用三环控制方法，即位置环、速度环、力矩环控制，控制策略采用矢量控制方法。

实施例2

本发明提供的实施例2为本发明提供的一种基于误差预估及补偿的伺服定位方法的实施例，该方法的实施例包括：

根据电机的加速度的状态，将定位规划为多个阶段。

根据目标位置、规划目标速度、规划加速时间、规划减速时间和速度S曲线时间，计算各个阶段的时长、速度增\减量和加速度增\减量。

根据各个阶段的时长、速度增\减量和加速度增\减量，对定位规划过程中各个阶段的加加速度、加速度、速度和位置的值进行实时更新。

根据实时的加加速度、加速度、速度和位置的值对电机进行控制。

可以理解的是，本发明提供的一种基于误差预估及补偿的伺服定位方法与前述各实施例提供的基于误差预估及补偿的伺服定位系统相对应，基于误差预估及补偿的伺服定位方法的相关技术特征可参考基于误差预估及补偿的伺服定位系统的相关技术特征，在此不再赘述。

本发明实施例提了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

根据电机的加速度的状态，将定位规划为多个阶段。

根据目标位置、规划目标速度、规划加速时间、规划减速时间和速度S曲线时间，计算各个阶段的时长、速度增\减量和加速度增\减量。

根据各个阶段的时长、速度增\减量和加速度增\减量，对定位规划过程中各个阶段的加加速度、加速度、速度和位置的值进行实时更新。

根据实时的加加速度、加速度、速度和位置的值对电机进行控制。

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：

根据电机的加速度的状态，将定位规划为多个阶段。

根据目标位置、规划目标速度、规划加速时间、规划减速时间和速度S曲线时间，计算各个阶段的时长、速度增\减量和加速度增\减量。

根据各个阶段的时长、速度增\减量和加速度增\减量，对定位规划过程中各个阶段的加加速度、加速度、速度和位置的值进行实时更新。

根据实时的加加速度、加速度、速度和位置的值对电机进行控制。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。