專利名稱：運(yùn)動(dòng)控制伺服回路裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種運(yùn)動(dòng)控制伺服回路裝置，尤指一種在比例-積分-微分
(PID， Proportional-Integral-Derivative)控制回路采用數(shù)字差分分析(DDA， Digital Differential Analyzer)演算法則的積分控制模塊，可有效提升響應(yīng)速度、降低穩(wěn)態(tài)誤差、 改善暫態(tài)響應(yīng)及補(bǔ)償受控系統(tǒng)延遲現(xiàn)象的運(yùn)動(dòng)控制伺服回路裝置。
背景技術(shù)：
運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是各式各樣機(jī)械控制器的共同性基礎(chǔ)技術(shù)，其目的在于調(diào)控使用在 各式機(jī)械上的馬達(dá)的速度、位置及扭力，用以帶動(dòng)刀具或夾頭在三維空間里，在預(yù)期的時(shí)間 點(diǎn)，以預(yù)期的速度，沿著預(yù)期的軌跡進(jìn)行切削、加工、裝配、取放等自動(dòng)化工作。而公知運(yùn)動(dòng) 控制伺服回路有二種，一為開回路控制，一為可內(nèi)含比例-積分-微分(PID，Proportional -Integral-Derivative)控制法則的閉回路控制。 前述開回路控制由控制器內(nèi)部脈沖發(fā)生器直接輸出位置命令進(jìn)行控制，并無反饋 信號(hào)可供系統(tǒng)比較和計(jì)算誤差，無法對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)誤差等控制性能進(jìn)行修正，僅適 合精度較低的控制場(chǎng)合。 而比例-積分-微分控制回路具有比例、積分、微分及可搭配前饋控制器結(jié)構(gòu)，其 比例控制器為一固定增益控制器，借反饋信號(hào)對(duì)誤差的修正，以提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，通過微 分控制器可將誤差量對(duì)時(shí)間進(jìn)行微分，具改善暫態(tài)響應(yīng)能力，而積分控制器則可對(duì)誤差量 進(jìn)行積分累加運(yùn)算，當(dāng)系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)，將隨時(shí)間增長(zhǎng)放大積分項(xiàng)的影響力，消除穩(wěn)態(tài)誤 差，然而，積分控制回路雖可消除穩(wěn)態(tài)誤差，卻會(huì)減緩響應(yīng)速度，無法對(duì)系統(tǒng)瞬時(shí)變化即時(shí) 反應(yīng)，若積分項(xiàng)增益與積分時(shí)間參數(shù)設(shè)定過大，容易因?yàn)檎`差累積量陡升而造成系統(tǒng)受控 體發(fā)生振蕩而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且高速控制下伺服落后較大，產(chǎn)生響應(yīng)延遲現(xiàn)象，影響控制 系統(tǒng)的追蹤準(zhǔn)確性與軌跡精度，不利高精度的控制。 據(jù)此可知，為實(shí)現(xiàn)高等運(yùn)動(dòng)控制器所需的高速高精度要求，即需要改良現(xiàn)有的運(yùn) 動(dòng)控制伺服回路結(jié)構(gòu)，增進(jìn)其控制性能，并克服前述積分控制器所需兼顧精確與穩(wěn)定性的 問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于公知技術(shù)的缺失，本發(fā)明提出一種運(yùn)動(dòng)控制伺服回路裝置，在比例-積 分-微分(PID， Proportional-Integral-Derivative)控制回路采用數(shù)字差分分析(DDA， Digital Differential Analyzer)演算法則的積分控制模塊，可有效提升響應(yīng)速度、降低 穩(wěn)態(tài)誤差、改善暫態(tài)響應(yīng)及補(bǔ)償受控系統(tǒng)延遲現(xiàn)象。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種運(yùn)動(dòng)控制伺服回路裝置，其包含一前饋控制模 塊、一比例_積分_微分控制回路及一補(bǔ)償項(xiàng)加法器，該前饋控制模塊可產(chǎn)生一前饋補(bǔ)償 項(xiàng)；該比例_積分_微分控制回路包括一比例控制模塊、一積分控制模塊及一微分控制模 塊，該比例控制模塊可產(chǎn)生一比例補(bǔ)償項(xiàng)，該微分控制模塊可產(chǎn)生一微分補(bǔ)償項(xiàng)；該積分控制模塊采用數(shù)字差分分析演算法則，在每次積分抽樣時(shí)間對(duì)位置誤差于每一數(shù)字差分分析脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻累加誤差量，逐次進(jìn)行積分動(dòng)作并輸出一誤差積分累加量，再處理該誤差積分累加量產(chǎn)生一積分補(bǔ)償項(xiàng)；再由該補(bǔ)償項(xiàng)加法器接收該前饋補(bǔ)償項(xiàng)、比例補(bǔ)償項(xiàng)、積分補(bǔ)償項(xiàng)及微分補(bǔ)償項(xiàng)，并計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)位置誤差補(bǔ)償量。 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明該積分控制模塊的數(shù)字差分分析法進(jìn)行誤差積分累加的時(shí)序?qū)嵤├疽鈭D； 圖3為本發(fā)明與公知積分控制的誤差累積項(xiàng)差異比較示意圖。 1-運(yùn)動(dòng)控制服務(wù)回路裝置 10-前饋控制模塊 11-暫存器 12-減法器 13-乘法器 14-前饋增益系數(shù) 20-比例-積分-微分(PID， Proportional-Integral-Derivative)控制回路 21-比例控制模塊 211-誤差計(jì)數(shù)器 212-乘法器 213-比例增益 22-積分控制模塊 221-誤差命令暫存器 222-加法器 223-余數(shù)暫存器 224-誤差積分累加器 225-乘法器 226-積分增益 23-微分控制模塊 231-暫存器 232-減法器 233-乘法器 234-微分增益 30-補(bǔ)償項(xiàng)加法器 Ll、L2-積分累加量曲線
具體實(shí)施例方式
以下將參照隨附附圖來描述本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)技術(shù)目的所使用的技術(shù)手段與效果，所述附圖所列舉的實(shí)施例僅為輔助說明，但本發(fā)明的技術(shù)手段并不限于所列舉的附圖。
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明所提供的運(yùn)動(dòng)控制服務(wù)回路裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該運(yùn)動(dòng)控制服務(wù)回路裝置主要包括一前饋控制模塊10、一比例-積分-微分(PID， Proportional-Integral-Derivative)控制回路20及一補(bǔ)償項(xiàng)加法器30。 該前饋控制模塊10通過一暫存器11及一減法器12對(duì)一位置命令進(jìn)行微分運(yùn)算，并產(chǎn)生一位置命令微分量，再將該位置命令微分量通過一乘法器13與一前饋增益系數(shù)14相乘后，產(chǎn)生一前饋補(bǔ)償項(xiàng)，再將該前饋補(bǔ)償項(xiàng)輸入該補(bǔ)償項(xiàng)加法器30 。通過該前饋控制模塊10對(duì)位置命令進(jìn)行微分處理，在目標(biāo)信號(hào)輸入馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器(圖中未示出)之前，先經(jīng)過前饋控制器的修正，使輸入該補(bǔ)償項(xiàng)加法器30的信號(hào)，較原先設(shè)定的目標(biāo)命令更為超前，以補(bǔ)償受控系統(tǒng)的延遲或過沖現(xiàn)象，以減少因命令變化所引起的追隨誤差，可增加控制系統(tǒng)的追蹤準(zhǔn)確性。 該比例-積分-微分(PID，Proportional-Integral-Derivative)控制回路20包括一比例控制模塊21、一積分控制模塊22及一微分控制模塊23。 該比例控制模塊21通過一誤差計(jì)數(shù)器211接收位置命令以及由馬達(dá)編碼器(圖中未示出)所產(chǎn)生的反饋命令，將該位置命令對(duì)反饋命令相減后得出一位置誤差量，再將該位置誤差量通過一乘法器212與一比例增益213相乘后，產(chǎn)生一比例補(bǔ)償項(xiàng)，再將該比例補(bǔ)償項(xiàng)輸入該補(bǔ)償項(xiàng)加法器30，該比例補(bǔ)償項(xiàng)的作用在于加速系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。
該積分控制模塊22包括一誤差命令暫存器221、一加法器222、一誤差積分累加器224以及一余數(shù)暫存器223，其積分抽樣頻率為每單一次完整積分計(jì)算時(shí)間周期的倒數(shù)，將位置誤差量輸入該誤差命令暫存器221，由該加法器222采用數(shù)字差分分析(DDA， DigitalDifferential Analyzer)演算法則，使該誤差積分累加器224在每次積分抽樣時(shí)間內(nèi)，對(duì)位置誤差量在每一數(shù)字差分分析脈沖(DDA Pulse)產(chǎn)生的時(shí)刻累加誤差量，并將該誤差命令暫存器221及余數(shù)暫存器223的值的總和與積分時(shí)間內(nèi)總時(shí)鐘脈沖數(shù)進(jìn)行比較，若發(fā)生溢位，則輸出溢位信號(hào)觸發(fā)該誤差積分累加器224進(jìn)行位置誤差量累加，逐次進(jìn)行積分累加動(dòng)作，再將比較結(jié)果的余數(shù)反饋存入該余數(shù)暫存器223，最后輸出一誤差積分累加量。該誤差積分累加量再通過一乘法器225與一積分增益226相乘后，產(chǎn)生一積分補(bǔ)償項(xiàng)，再將該積分補(bǔ)償項(xiàng)輸入該補(bǔ)償項(xiàng)加法器30。 該補(bǔ)償項(xiàng)加法器30即可根據(jù)所接收的前饋補(bǔ)償項(xiàng)、比例補(bǔ)償項(xiàng)、積分補(bǔ)償項(xiàng)及微分補(bǔ)償項(xiàng)，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)位置誤差補(bǔ)償量。 關(guān)于上述該積分控制模塊22的運(yùn)算步驟，請(qǐng)參閱圖2實(shí)施例說明如下-假設(shè)若某單一積分時(shí)間內(nèi)的時(shí)鐘脈沖(clock)總數(shù)為8，觸發(fā)次數(shù)為k，位置誤差
量為P，輸出溢位信號(hào)為AZ，該余數(shù)暫存器223的初始值q(O) = 0 ;-當(dāng)每次時(shí)鐘脈沖觸發(fā)發(fā)生時(shí)，進(jìn)行q(k-l)+p動(dòng)作(位置誤差量p與余數(shù)暫存器之值相加)；-若q(k-l)+p > 8，即溢位發(fā)生，則<formula>formula see original document page 5</formula>(輸出溢位信號(hào)AZ進(jìn)行位置誤差量累加，余數(shù)回存入該余數(shù)暫存器223);-否則<formula>formula see original document page 5</formula> (無溢位信號(hào)發(fā)生，余數(shù)回存入該余數(shù)暫存器223)。-重復(fù)上述步驟，當(dāng)完成整個(gè)積分時(shí)間內(nèi)的8次運(yùn)算后，必將有p次溢位信號(hào)發(fā)生，輸出P個(gè)脈沖(即位置誤差積分所需的累加量)，該積分控制模塊22即在每一數(shù)字差分分析脈沖(DDA Pulse)發(fā)生時(shí)對(duì)位置誤差量累加一，逐次完成單一積分時(shí)間內(nèi)所需的積分累加動(dòng)作，通過不斷累積的誤差量推動(dòng)輸出增大，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差，達(dá)到高精度的運(yùn)動(dòng)控制要求，此外，利用數(shù)字差分分析(DDA， Digital Differential Analyzer)演算法則可均勻送出脈沖、平滑化加速曲線的概念，可將數(shù)字集成電路硬件電路的離散行為逼近實(shí)際的連續(xù)系統(tǒng)，強(qiáng)化積分運(yùn)算的連續(xù)性，避免單一積分時(shí)間內(nèi)所累加的誤差量瞬間陡升，并在系統(tǒng)過沖超調(diào)(overshoot)時(shí)具備飽和保護(hù)功能，改善一般積分控制回路可能因增益參數(shù)與抽樣周期調(diào)整不當(dāng)而造成系統(tǒng)受控體發(fā)生振蕩或發(fā)散現(xiàn)象等不穩(wěn)定狀態(tài)。 該微分控制模塊23通過一暫存器231與一減法器232，在每一抽樣時(shí)間內(nèi)，通過位置誤差減去誤差量的延遲而完成微分運(yùn)算，并產(chǎn)生一誤差微分量，該誤差微分量再經(jīng)一乘法器233與一微分增益234相乘后，產(chǎn)生一微分補(bǔ)償項(xiàng)，再將該微分補(bǔ)償項(xiàng)輸入該補(bǔ)償項(xiàng)加法器30，該微分補(bǔ)償項(xiàng)的作用在于改善暫態(tài)響應(yīng)。 上述該積分抽樣時(shí)間與微分抽樣時(shí)間可通過設(shè)定一時(shí)鐘脈沖控制器(圖中未示出)而產(chǎn)生，此外，該前饋控制模塊10、比例控制模塊21、積分控制模塊22及微分控制模塊23可通過硬件描述語言設(shè)計(jì)數(shù)字電路的方式制成。 請(qǐng)參閱圖3，其為本發(fā)明與公知積分控制的誤差累積項(xiàng)差異比較示意圖。假設(shè)某單一積分時(shí)間內(nèi)所需的誤差積分累加量為6，公知的未采用數(shù)字差分分析演算法的積分器在單一積分時(shí)鐘脈沖上升瞬間即將所需誤差量6 —次累加完畢，如圖3曲線Ll所示；而本發(fā)明采用數(shù)字差分分析方式實(shí)現(xiàn)的積分控制模塊，對(duì)位置命令與反饋命令的位置誤差量以數(shù)字差分分析計(jì)算法則，在每一數(shù)字差分分析脈沖產(chǎn)生時(shí)刻累加誤差量，每次皆對(duì)其位置誤差累加一，逐次且均勻地完成六次積分累加動(dòng)作，如圖3虛線曲線L2所示，避免單一積分時(shí)間內(nèi)因所累加的誤差量瞬間陡升，而可能造成誤差修正時(shí)來回超出過量，產(chǎn)生振蕩或發(fā)散現(xiàn)象的不穩(wěn)定狀態(tài)，并推動(dòng)控制器的輸出增大而使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。如前所述，本發(fā)明積分抽樣時(shí)間與微分抽樣時(shí)間可通過設(shè)定時(shí)鐘脈沖控制器而產(chǎn)生，以圖3實(shí)施例為例，若其控制回路內(nèi)的誤差計(jì)數(shù)器211(顯示于圖1圖1)采用16比特時(shí)，其積分時(shí)間最小周期為2的15次方減1 (32767)個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖周期。 綜上所述，本發(fā)明提供的運(yùn)動(dòng)控制服務(wù)回路裝置，在比例_積分_微分控制回路采用利用數(shù)字差分分析(DDA， Digital Differential Analyzer)演算法則的積分控制模塊并結(jié)合前饋控制模塊，可通過比例、積分、微分以及前饋控制項(xiàng)分別對(duì)受控系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)誤差、暫態(tài)響應(yīng)、系統(tǒng)響應(yīng)延遲落后等控制性能指標(biāo)進(jìn)行誤差修正，可有效提升響應(yīng)速度、降低穩(wěn)態(tài)誤差、改善暫態(tài)響應(yīng)及補(bǔ)償受控系統(tǒng)延遲現(xiàn)象。 當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種運(yùn)動(dòng)控制服務(wù)回路裝置，其用以補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)位置誤差，其特征在于，該運(yùn)動(dòng)控制服務(wù)回路裝置包含有一前饋控制模塊，用以產(chǎn)生一前饋補(bǔ)償項(xiàng)；一比例-積分-微分控制回路，其更包含有一比例控制模塊，用以產(chǎn)生一位置誤差量，并處理該位置誤差量以產(chǎn)生一比例補(bǔ)償項(xiàng)輸入；一積分控制模塊，用以接收該位置誤差量，并采用數(shù)字差分分析演算法則，在每次積分抽樣時(shí)間內(nèi)，在每一數(shù)字差分分析脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻對(duì)位置誤差累加誤差量，逐次進(jìn)行積分動(dòng)作，并輸出一誤差積分累加量，再處理該誤差積分累加量以產(chǎn)生一積分補(bǔ)償項(xiàng)；一微分控制模塊，用以接收位置誤差量，在每次微分抽樣時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生一微分補(bǔ)償項(xiàng)；以及一補(bǔ)償項(xiàng)加法器，用以接收該前饋補(bǔ)償項(xiàng)、比例補(bǔ)償項(xiàng)、積分補(bǔ)償項(xiàng)及微分補(bǔ)償項(xiàng)，并計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)位置誤差補(bǔ)償量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)控制服務(wù)回路裝置，其特征在于，該積分控制模塊包含有一誤差命令暫存器，用以接收位置誤差量；一加法器，用以對(duì)位置誤差量與反饋余數(shù)相加，執(zhí)行數(shù)字差分分析運(yùn)算，并輸出溢位信號(hào)；一誤差積分累加器，用以對(duì)位置誤差量進(jìn)行累加積分，并產(chǎn)生一誤差積分累加量；以及 一余數(shù)暫存器，用以存放該加法器所產(chǎn)生的余數(shù)，并將余數(shù)送入該加法器進(jìn)行數(shù)字差 分分析運(yùn)算。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)控制服務(wù)回路裝置，其特征在于，該積分控制模塊積分 抽樣頻率為每一次完整積分計(jì)算時(shí)間周期的倒數(shù)。
全文摘要
一種運(yùn)動(dòng)控制伺服回路裝置，其包含一前饋控制模塊、一比例-積分-微分控制回路及一補(bǔ)償項(xiàng)加法器，該前饋控制模塊可產(chǎn)生一前饋補(bǔ)償項(xiàng)；該比例-積分-微分控制回路包括一比例控制模塊、一積分控制模塊及一微分控制模塊，該比例控制模塊可產(chǎn)生一比例補(bǔ)償項(xiàng)，該微分控制模塊可產(chǎn)生一微分補(bǔ)償項(xiàng)；該積分控制模塊采用數(shù)字差分分析演算法則，在每次積分抽樣時(shí)間對(duì)位置誤差量在每一數(shù)字差分分析脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻累加誤差量，逐次進(jìn)行積分動(dòng)作并輸出一誤差積分累加量，再處理該誤差積分累加量產(chǎn)生一積分補(bǔ)償項(xiàng)；再由該補(bǔ)償項(xiàng)加法器接收該前饋補(bǔ)償項(xiàng)、比例補(bǔ)償項(xiàng)、積分補(bǔ)償項(xiàng)及微分補(bǔ)償項(xiàng)，并計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)位置誤差補(bǔ)償量。
文檔編號(hào)G05B11/42GK101776861SQ20091000302
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月8日
發(fā)明者吳承學(xué), 林家慶, 沈萬凱, 陳文泉, 陳英敏, 黃靜宜 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院