專利名稱：：后加減速控制裝置和后加減速控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種運(yùn)動(dòng)控制的控制裝置和控制方法，尤指一種伺服馬達(dá)的加減速控制裝置及加減速控制方法。
背景技術(shù)：
：CNC機(jī)床是利用CNC系統(tǒng)結(jié)合機(jī)床機(jī)械動(dòng)作，并借著輸入加工指令用來(lái)使機(jī)床對(duì)加工件的動(dòng)作進(jìn)行控制。而由于目前對(duì)于機(jī)床的功能性要求越來(lái)越高，除了要求計(jì)算機(jī)體積及驅(qū)動(dòng)設(shè)備更加縮小外，也希望其加工精度能越來(lái)越高。當(dāng)用等速脈沖指令去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)或伺服馬達(dá)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方式為一等速運(yùn)動(dòng)曲線，此運(yùn)動(dòng)方式在馬達(dá)開始和停止時(shí)，會(huì)因?yàn)閼T性運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生很大的振動(dòng)，通常會(huì)在馬達(dá)開始和停止時(shí)加入一線型加減速控制如圖l(A)所示，然而在加速至等速或等速至減速時(shí)因其加減速曲線的斜率變化不連續(xù)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生急沖度(Jerk)現(xiàn)象，因此為求更為平滑的運(yùn)動(dòng)，則有指數(shù)型加減速及鐘型加減速(BellShape)的產(chǎn)生如圖1(B)、(C)所示，由于其加減速曲線具連續(xù)性，可以降低加工所產(chǎn)生的振動(dòng)。現(xiàn)有控制馬達(dá)運(yùn)動(dòng)并使其產(chǎn)生加減速曲線運(yùn)動(dòng)為使用后加減速的指令處理方式，經(jīng)過(guò)三次的移動(dòng)平均(MovingAverage)算法來(lái)達(dá)成，其移動(dòng)平均的速度時(shí)間函數(shù)可表示如下式(1)w(1)其中「'W為經(jīng)處理后的速度，-^)為n個(gè)原始預(yù)設(shè)切線速度，'為第i個(gè)原始預(yù)設(shè)切線速度的加權(quán)值，預(yù)設(shè)的加權(quán)值為l。加減速控制單元20包括第一到第三三個(gè)加減速濾波器21、22、23，如圖2所示，每個(gè)加減速濾波器由預(yù)先設(shè)定數(shù)量的延遲器^1、、Zs…Z"-i、加算器211及乘法器212所組成，如圖3所示。其中第一到第三三個(gè)加減速濾波器分別傳送一輸出值C2、C3及C4至對(duì)應(yīng)的第二及第三濾波器及驅(qū)動(dòng)單元24，第一加減速控制濾波器21處理一由機(jī)床的控制卡傳送來(lái)的加工命令信號(hào)C1，第二加減速控制濾波器22處理由第一加減速控制濾波器21處理后所輸出的信號(hào)C2，第三加減速控制濾波器23處理由第二加減速控制濾波器22處理后所輸出的信號(hào)C3，且傳送至驅(qū)動(dòng)單元24，如上所述由機(jī)床的控制卡傳送來(lái)的加工命令信號(hào)C1，經(jīng)過(guò)三個(gè)濾波器處理后，可以得到平滑且連續(xù)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)曲線，降低伺服馬達(dá)所產(chǎn)生的振動(dòng)。
發(fā)明內(nèi)容鑒于以上內(nèi)容，有必要提供一種后加減速的控制裝置和控制方法，能有效改善伺服馬達(dá)所產(chǎn)生的振動(dòng)。一種后加減速裝置，包括一模擬濾波器，設(shè)定其截取頻率，經(jīng)極零點(diǎn)相符法的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成一數(shù)字低通濾波器；該數(shù)字濾波器包括一信號(hào)輸入單元，用于接收一信號(hào)；一信號(hào)輸入緩存單元，連接該信號(hào)輸入單元，用于暫存該信號(hào)；一信號(hào)運(yùn)算單元，連接于該信號(hào)輸入緩存單元，用于將緩存單元內(nèi)的信號(hào)運(yùn)算；一信號(hào)輸出單元，用于接收該信號(hào)運(yùn)算單元運(yùn)算后的信號(hào)并輸出；以及一信號(hào)輸出緩存單元，連接于該信號(hào)輸出單元及該信號(hào)運(yùn)算單元之間，用于將輸出的信號(hào)暫存以供信號(hào)運(yùn)算單元后續(xù)運(yùn)算。一種后加減速控制方法，其步驟包括提供一模擬濾波器，設(shè)定濾波器的截取頻率，通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換運(yùn)算，將此模擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器；該數(shù)字濾波器的信號(hào)輸入單元，接收來(lái)自插補(bǔ)運(yùn)算器的信號(hào)，該輸入單元的信號(hào)暫存于一信號(hào)輸入緩存單元；提供一信號(hào)運(yùn)算單元，將緩存單元內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后傳送到一信號(hào)輸出單元，輸出信號(hào)予一伺服電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)一伺服馬達(dá)，同時(shí)將輸出信號(hào)暫存于信號(hào)輸出緩存單元中進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)算。當(dāng)所下的命令指令受到處理后，可產(chǎn)生較平順的信號(hào)，伺服馬達(dá)所產(chǎn)生的振動(dòng)可有效的改善。圖l(A)是現(xiàn)有后加減速函數(shù)規(guī)劃圖。圖l(B)是現(xiàn)有后加減速函數(shù)規(guī)劃圖。圖l(C)是現(xiàn)有后加減速函數(shù)規(guī)劃圖。圖2是現(xiàn)有后加減速控制單元的示意圖。圖3是現(xiàn)有第一加減速濾波器的示意圖。圖4是本發(fā)明后加減速控制方法與裝置的數(shù)字低通濾波器實(shí)施方式示意圖。圖5是信號(hào)緩存單元及信號(hào)運(yùn)算單元連接示意圖。圖6是加減速控制方法的步驟流程圖。圖7是加減速控制方法的指令輸入示意圖。圖8是顯示截取頻率定在lkHz經(jīng)整數(shù)處理后的數(shù)值計(jì)算輸出信號(hào)示意圖。圖9是顯示截取頻率定在300Hz經(jīng)整數(shù)處理后的數(shù)值計(jì)算輸出信號(hào)示意圖。具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖4，一種后加減速裝置，包括一數(shù)字濾波器44。該數(shù)字濾波器44為一低通濾波器，由三階巴特沃斯(Butterworth)模擬濾波器經(jīng)由設(shè)定的截取頻率(Cut-0ffFrequency)運(yùn)算之后，再經(jīng)由極零點(diǎn)相符(Pole-ZeroMatched)的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換運(yùn)算，可獲得此數(shù)字濾波器44。該數(shù)字濾波器44，具有一信號(hào)輸入單元45用于接收來(lái)自插補(bǔ)運(yùn)算器42的信號(hào)，該信號(hào)暫存于一信號(hào)輸入緩存單元461內(nèi)，一信號(hào)運(yùn)算單元47將該信號(hào)輸入緩存單元461內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后傳送到一信號(hào)輸出單元48，信號(hào)輸出單元48輸出信號(hào)予一伺服電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)一伺服馬達(dá)，同時(shí)將輸出的該信號(hào)暫存于一信號(hào)輸出緩存單元462中用來(lái)進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)算該信號(hào)運(yùn)算單元47由輸入乘法器471、輸出乘法器472及一加法器473所組成。請(qǐng)參閱圖5，該信號(hào)輸入緩存單元461具有n-l個(gè)延遲單元^，將插補(bǔ)運(yùn)算器42傳來(lái)的輸入速度脈沖信號(hào)^W，經(jīng)由n-l個(gè)延遲單元Z，儲(chǔ)存前n-l次的輸入速度脈沖信號(hào)d、"卜2)、^—3)^—("))在這些延遲單元^內(nèi)，^^)及儲(chǔ)存在這些延遲單元Z'內(nèi)的輸入速度脈沖信號(hào)^^—d、—2)、^———d)和這些相對(duì)應(yīng)的n個(gè)輸入乘法器471相乘后，該n個(gè)乘法器各具有預(yù)設(shè)的因子aO、al、a2…an-l，經(jīng)該加法器473加總后，再加上輸出乘法器472的回授信號(hào)，得到一輸出速度脈沖信號(hào)傳送到該信號(hào)，出單元48。輸出速度脈沖信號(hào)「'^)經(jīng)由信號(hào)輸出緩存單元462所具有的m-l個(gè)延遲單元Z，儲(chǔ)存前m-l次的輸出速Jt脈沖信號(hào)「^—d、—2)、—^…丄—W在這些延，單元^內(nèi)。該信號(hào)輸出緩存單元462共具有m-l個(gè)延遲單元^，儲(chǔ)存在這些延遲單元z內(nèi)的輸出速度脈沖信號(hào)「'&—d、2)、巧…—W，和這些相對(duì)應(yīng)的m-l個(gè)輸出乘法器472相乘后，傳入加法器473加總，用來(lái)產(chǎn)生實(shí)際的輸出速度脈沖信號(hào)「'W傳送到該信號(hào)輸出單元48。乘法器471中的n個(gè)乘法器及乘法器472中的m-l個(gè)乘法器，乘法器的個(gè)數(shù)n和m不一定要相等。步驟3(如下述)的零極點(diǎn)相符法(Pole-ZeroMatched)求得a0、al、a2…an-l和bl、b2、b3…bm-l兩組乘算因子及這些輸出速度脈沖信號(hào)r'W、r(t—1)、r(A—2)、r(t—3)…r(t—(附—1))。請(qǐng)參閱圖6，是顯示本發(fā)明的后加減速控制方法的步驟流程圖，其中利用一模擬三階巴特沃斯(Butterworth)低通濾波器，取代三個(gè)移動(dòng)平均(MovingAverage)濾波器，因?yàn)樵鹊囊苿?dòng)平均濾波器猶如一個(gè)積分器，所以設(shè)計(jì)一個(gè)模擬三階巴特沃斯低通濾波器，選取截切頻率(Cut-PassFrequency)之后，再經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理，可得到一數(shù)字低通濾波器，其相關(guān)步驟說(shuō)明如下步驟S1:選取連續(xù)系統(tǒng)的三階巴特沃斯濾波器巴特沃斯濾波器是一種接近理想低通濾波器的濾波器架構(gòu)，在低通或是卨通的部分不會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)的響應(yīng)。連續(xù)系統(tǒng)的巴特沃斯濾波器.經(jīng)過(guò)線性化之后，設(shè)定直流增益(DCGain卜l及截切頻率-1md/s，則線性化的巴特沃斯濾波器可表示如下11<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>依照n的奇偶數(shù)的關(guān)系，S^)可表示如下I-jt+1，^j爭(zhēng)+,^a--■『2^fe",1--、^其中n為偶數(shù)其中n為奇數(shù)若將所有的系數(shù)以小數(shù)點(diǎn)四位來(lái)表示，依照不冋階數(shù)可表示如下:n1s2+1.4142s+l34(s2+0:.7654s+lj(s2+l:8478s+l):(f+■+0JlS(te+ij^3+1.6lSOs+1〕6。寸效■口.w、7(s+l),+0.445lk+l|^+1.247Ck+l|s+l.gOi,+l).我們將通g又三階的巴特沃斯濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)我們的系統(tǒng)，線性化的巴特沃斯濾波器為通常輸入驅(qū)動(dòng)器的位置指令，經(jīng)過(guò)插補(bǔ)運(yùn)算器42插補(bǔ)(Interpolation)之后，便可由步階指令來(lái)表示。位置指令經(jīng)過(guò)此三階巴特沃斯三次微分運(yùn)算得到的急沖度(Jerk)指令，若用時(shí)間響應(yīng)表示時(shí)，依然是連續(xù)的函數(shù)。步驟S2:選取截切頻率巴特沃斯濾波器的截切頻率選取方式，將依照控制系統(tǒng)的控制頻寬而決定，一般控制系統(tǒng)的控制頻寬約為200Hz-500Hz，較佳的巴特沃斯濾波器的截取頻率為系統(tǒng)控制頻寬的兩倍，因此針對(duì)500Hz系統(tǒng)控制頻寬的最佳巴特沃斯濾波器截切頻率為lkHz。則將此巴特沃斯濾波器的截取頻率定在lkHz之后，可得到新的低通濾波器為7「〗—3.1006*1010s3+(6.1832，3>2+(1.9730*10》+3.1006*1010步驟S3:連續(xù)濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器步驟S2所獲得的低通濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)G(s)為一連續(xù)轉(zhuǎn)移函數(shù)，利用零極點(diǎn)相符(pole-zeromatched)的方式，將連續(xù)轉(zhuǎn)移函數(shù)濾波器G(s)轉(zhuǎn)成數(shù)字轉(zhuǎn)移函數(shù)濾波器G(z)，并保證轉(zhuǎn)換完成的極零點(diǎn)皆與連續(xù)濾波器相符。進(jìn)行數(shù)字化必須與截取頻率相依，目前使用的位置控制器的截取頻率為lkHz，因此利用零極點(diǎn)相符的轉(zhuǎn)換方式，所得的數(shù)字濾波器為n—0.3403+0.6,z+0.3403+(3.3626*10，+(2.6815*10-》-(18674*10_"整理如下sfz、_r'(z)_0.3403Z-1+0扁6z-2+0.3403z-3—1+(3.3626*10-1)z_1+〔2.6815*lCr，_(1.8674*10-31++&z_2+'一l其中Z即是代表一個(gè)延遲因子，在一個(gè)時(shí)間域的連續(xù)數(shù)列中，V(k)為第k次取樣時(shí)間下的的數(shù)列數(shù)據(jù)，v(k)經(jīng)過(guò)z"的延遲因子處理，則「^—1)=「^^_1表示前一次取樣的數(shù)據(jù)，若經(jīng)過(guò)P次的延遲因子處理后，可得「^—^z「(Wf表示前P次取樣的數(shù)據(jù)，因此可將G(Z)的數(shù)字濾波轉(zhuǎn)移函數(shù)，將其輸入輸出信號(hào)，轉(zhuǎn)成每次取樣的數(shù)列函數(shù)，表示如下rW=a。7(t-1)+。2-2)+。3-5)—W(t—1)—V(U)-W(t—3)其中i:>0，且r(—1)=r(—2)=r(—3=r'(—1)=r'(—2)=r'(—3)=0在本實(shí)施方式中，因?yàn)樗x取連續(xù)系統(tǒng)的巴特沃斯濾波器為三階，在圖5所顯示的該輸入乘法器預(yù)設(shè)因子a0、al、a2…an-l及該輸出乘法器預(yù)設(shè)因子bl、b2、b3…bm-1，其中n及m在本實(shí)施方式中為一特殊解，其值皆為4，所以該輸入乘法器預(yù)設(shè)因子為aO、al、a2及a3，該輸出乘法器預(yù)設(shè)因子為bl、b2、b3;將計(jì)算所得的數(shù)字濾波器系數(shù)代入該數(shù)字濾波器44。假設(shè)我們輸入的指令，如圖7所示，前三十次速度指令為100pps，經(jīng)本發(fā)明后加減速控制方法處理后，因?yàn)閷?shí)際輸出的脈沖信號(hào)，不能有小于一步的指令，因此在經(jīng)過(guò)巴特沃斯濾波器之后的數(shù)值，必須將小于l的小數(shù)部分，累積到下次再輸出。圖7的速度指令，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器及取整數(shù)的處理之后，由Matlab數(shù)值計(jì)算的輸出數(shù)據(jù)如圖8，每次計(jì)算的速度指令為表一所示，其結(jié)果亦能完成加減速的功能。表一<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>若依照系統(tǒng)控制頻寬，選擇不同的截切頻率，如300Hz的截切頻率，可依照步驟S2至步驟S4的順序，重新設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，并得到加減速的驗(yàn)證結(jié)果如圖9所示，并由表二所示。表二<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>本發(fā)明解決現(xiàn)有方式需對(duì)每個(gè)濾波器選取其延遲單元的數(shù)目，現(xiàn)有方式當(dāng)選取的延遲單元的數(shù)目不同時(shí)，將會(huì)造成不同的平滑效果，如移動(dòng)平均的個(gè)數(shù)太大，將會(huì)造成指令的回應(yīng)變的太慢；若移動(dòng)平均的個(gè)數(shù)太小，將會(huì)造成指令幾乎沒有處理就輸出了，原本要防止急沖度不連續(xù)的效能便消失了。若針對(duì)不同的延遲組合，也無(wú)法預(yù)估其指令的平滑效果及所造成的延遲效應(yīng)，若針對(duì)不同的控制機(jī)臺(tái)，必須逐一的測(cè)試適當(dāng)?shù)难舆t組合，如此將會(huì)增加調(diào)機(jī)的時(shí)程及困難度。綜上所述，本發(fā)明選擇低通濾波器的頻寬有所依據(jù)，能依照系統(tǒng)的響應(yīng)決定數(shù)字濾波器的頻寬。權(quán)利要求1.一種后加減速裝置，包括一模擬濾波器，設(shè)定其截取頻率，經(jīng)極零點(diǎn)相符法的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成一數(shù)字濾波器；該數(shù)字濾波器包括一信號(hào)輸入單元，用于接收一速度命令信號(hào)或脈沖頻率信號(hào)；一信號(hào)輸入緩存單元，連接該信號(hào)輸入單元，該信號(hào)緩存單元包括多個(gè)連接于信號(hào)輸入單元的延遲單元，用于暫存該速度命令信號(hào)或脈沖頻率信號(hào)；一信號(hào)運(yùn)算單元，連接于該信號(hào)輸入緩存單元，該信號(hào)運(yùn)算單元包括一輸入乘法器，連接于這些延遲單元；一輸出乘法器，連接于這些延遲單元，該輸入乘法器和該輸出乘法器各具有一組相對(duì)應(yīng)的乘算因子，該兩組乘算因子由所設(shè)定的截取頻率和極零點(diǎn)相符法的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換運(yùn)算求得；一加法器，和這些乘法器連接，用于將緩存單元內(nèi)的速度命令信號(hào)或脈沖頻率信號(hào)運(yùn)算；一信號(hào)輸出單元，用于接收該信號(hào)運(yùn)算單元運(yùn)算后的信號(hào)并輸出；以及一信號(hào)輸出緩存單元，連接于該信號(hào)輸出單元及該信號(hào)運(yùn)算單元之間，用于將輸出的信號(hào)暫存以供信號(hào)運(yùn)算單元后續(xù)運(yùn)算。2.如權(quán)利要求l所述的后加減速裝置，其特征在于，該數(shù)字濾波器為一低通濾波器。3.如權(quán)利要求l所述的后加減速裝置，其特征在于，該信號(hào)輸出單元和信號(hào)輸入單元相同，可輸出數(shù)字濾波信號(hào)予伺服電路。4.一種后加減速控制方法，包括提供一模擬濾波器，設(shè)定濾波器的截取頻率，通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換運(yùn)算，將此模擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器；該數(shù)字濾波器的信號(hào)輸入單元，接收來(lái)自插補(bǔ)運(yùn)算器的信號(hào)，該輸入單元的信號(hào)暫存于一信號(hào)輸入緩存單元；提供一信號(hào)運(yùn)算單元，將緩存單元內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后傳送到一信號(hào)輸出單元，輸出信號(hào)予一伺服電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)一伺服馬達(dá)，同時(shí)將輸出信號(hào)暫存于信號(hào)輸出緩存單元中進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)算。5如權(quán)利要求4所述的后加減速控制方法，其特征在于，該模擬濾波器為三階巴特沃斯濾波器，信號(hào)截取頻率范圍為lkHz以下。6如權(quán)利要求4所述的后加減速控制方法，其特征在于，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換運(yùn)算是利用極零點(diǎn)相符法運(yùn)算，該數(shù)字濾波裝置為一低通濾波器。7如權(quán)利要求4所述的后加減速控制方法，其特征在于，該信號(hào)暫存單元包括多個(gè)延遲單元，連接于信號(hào)輸入單元。8如權(quán)利要求4所述的后加減速控制方法，其特征在于，該信號(hào)運(yùn)算單元包括一輸入乘法器，連接于這些延遲單元；一輸出乘法器，連接于這些延遲單元，該輸入乘法器和該輸出乘法器各具有一組相對(duì)應(yīng)的乘算因子，該兩組乘算因子由所設(shè)定的截取頻率和極零點(diǎn)相符法的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換運(yùn)算求得；將信號(hào)緩存單元中的所有延遲的輸入及輸出信號(hào)，各別乘上一預(yù)設(shè)的因子；一加法器，連接于該乘法器，并將該些信號(hào)相加。9如權(quán)利要求4所述的后加減速控制方法，其特征在于，該信號(hào)輸出單元和信號(hào)輸入單元相同，可輸出數(shù)字濾波信號(hào)予伺服電路。10如權(quán)利要求4所述的后加減速控制方法，其特征在于，實(shí)際輸出的訊號(hào)，小數(shù)部分累積到下次再輸出。全文摘要本發(fā)明提供一種后加減速控制裝置，包括一數(shù)字濾波器。該數(shù)字濾波器為一低通濾波器，由模擬濾波器實(shí)現(xiàn)，經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換運(yùn)算以后獲得。該數(shù)字濾波器包括一信號(hào)輸入單元，用來(lái)接收指令信號(hào)；一信號(hào)緩存單元，連接該輸入單元及一輸出單元，用在暫存饋入的信號(hào)；一信號(hào)運(yùn)算單元，連接該信號(hào)緩存單元，用在將緩存單元內(nèi)的數(shù)字信號(hào)運(yùn)算后傳送到該信號(hào)輸出單元；該信號(hào)輸出單元，用在輸出一信號(hào)至一伺服電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)一伺服馬達(dá)。經(jīng)選取適當(dāng)?shù)慕厝☆l率，經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理，將使速度指令的增加或減少呈現(xiàn)連續(xù)且緩和變化。當(dāng)所下的命令指令受到處理后，可產(chǎn)生較平順的信號(hào)，伺服馬達(dá)所產(chǎn)生的振動(dòng)可有效的改善。本發(fā)明另提供一種后加減速控制方法。文檔編號(hào)G05B19/416GK101620436SQ200810302548公開日2010年1月6日申請(qǐng)日期2008年7月4日優(yōu)先權(quán)日2008年7月4日發(fā)明者唐偉德,洪榮煌,賴幼仙,邱志豪申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司;賜福科技股份有限公司