[發明專利]一種智能圓軸類校直機主軸自適應速度控制方法

有效

• 申請號: 201910034650.0
• 申請日: 2019-01-15
• 公開（公告）號: CN109856962B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 董輝;周祥清;劉白龍;季祥;張宇;付建偉
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G05B13/02
• 分類號: G05B13/02;B21D3/00
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

1.一種智能圓軸類校直機主軸自適應速度控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

1)首先根據圓軸類校直機主軸的機械結構、采用電機的型號屬性以及現場測試，確定主軸在進行上下移動動作時，電機能允許運行的最大加速度a_max，最小加速度a_min，最大速度V_max，高速階段最小速度V_con2，勻加速階段最小速度V_con1和勻加速度a_c；

2)在加速度值低于主軸電機的最大加速度a_max的條件下，根據加階段加速度控制算法，可以得出加速階段的各個加速度(a₁,a₂,···,a_n)，a表示加速度的值，下標1到n表示加速度的規劃順序；

3)根據實際圓軸類校直機主軸負載的重量M和設定的目標速度V_m，再根據自適應減速階段加速度算法與速度控制算法，可以得出減速階段的加速度與加速階段加速度之間的關系a_d＝a_u/k和減速階段的加速度(a₁',a₂',···,a_m')，其中，a_d表示減速階段的速度，a_u表示加速階段的速度，k表示加速階段的加速度與減速階段的加速度的比例關系；

4)根據步驟2)和步驟3)得到加速階段的加速度(a₁,a₂,···,a_n)和減速階段的加速度(a₁',a₂',···,a_m')依次可得到電機的加速階段的速度(v₁,v₂,···,v_n+1)及相對應的脈沖步長數(P₁,P₂,···,P_n+1)和減速階段的各個階段的速度(v₁',v₂',···,v_m+1')和相對應的脈沖步長數(P₁',P₂',···,P_m+1')，在加速階段達到勻加速階段最小速度V_con1對應的脈沖步長數P_con1和高速階段最小速度V_con2對應的脈沖步長數P_con2，達到最大速度V_max對應的脈沖步長數P_max；

5)將主軸運動的目標距離L、設定的目標速度V_m，與步驟2)、步驟3)和步驟4)中得到的各個階段速度及相對應的脈沖步數進行比對，利用加速階段正推和減速階段倒推法調整電機實際能達到的最大速度，并實時規劃出電機加減速曲線；

所述步驟2)中，令首個加速度值等于最大加速度，即a₁＝a_max，再根據加速階段加速控制算法依次遞減得出a₁～a_j的值，jn；同時為使主軸電機運轉速度盡可能達到目標速度V_m，保持速度的穩定提升；加速階段加速度(a₁,a₂,···,a_n)具體計算公式如下：

a_i＝a₁-2·(i-1)²(a_c＝a_i) (1)

a_i＝a_c-(i-c)²(a_i＞＝a_min) (2)

其中a₁＝a_max，即電機的起跳加速度設為最大加速度，i是大于0的整數，公式(1)是加速段低速減加速階段的加速度計算公式，公式(2)是加速段高速減加速階段的加速度計算公式，其中a_c計算公式：

a_c＝a_min+(a_max-a_min)/40 (3)

a_i表示第i個規劃周期的加速度值，當i滿足a_i＜＝a_min＜a_i-1時，令j＝i，即此時a_i＝a_j，因此得a_j～a_n的計算公式為：

a_j＝a_j+1＝···＝a_n (4)

其中a_j近似等于最小加速度，能夠滿足電機在任意速度下進行速度的突變；

所述步驟3)中，實際圓軸類校直機主軸負載的重量M和設定的目標速度V_m，再根據自適應減速階段加速度算法與速度控制算法，得出減速階段的加速度與加速階段加速度之間的關系a_d＝a_u/k和減速階段的加速度(a₁',a₂',···,a_m')，其中a_d表示減速階段的速度，a_u表示加速階段的速度，k表示加速階段的加速度與減速階段的加速度的比例關系，其計算公式為：

k＝1+0.01·(lgM+lgV_m) (5)

其中M代表的是主軸負載的重量，單位是千克，V_m代表的是目標速度；

在步驟4)中，當電機運轉到實際速度或者目標速度V_m后，進行減速運動，再根據步驟3)和加減速控制算法中加速階段的加速度控制算法依次遞減得出加速度v₁',v₂',···,v_m+1'的值，減速階段加速度(a₁',a₂',···,a_m')計算公式如下：

a_i'＝-[(a_n+1+(i-c)²)·j/k](-a_i'＜＝a_c) (6)

a_i'＝-[(a_c+2*(i-1)²)·j/k](-a_i'＜＝a_max) (7)

其中，j表示加速度臨時計數，此值是從1開始計數，每次加1，當加到k時，從1開始重新計數；

在步驟4)中，主軸電機以V_min為起跳速度，即v₁＝V_min，再根據加速度(a₁,a₂,···,a_n)依次遞增得出加速階段速度(v₁,v₂,···,v_n+1)，其計算公式如下：

v_n＝v_n-1+a_n-1 (8)

其中v₁＝V_min，v_n表示第n個規劃周期時電機達到的速度，單位為電機每秒運行的脈沖量；再結合規劃周期2ms可得出脈沖步長(P₁,P₂,···,P_n+1)和(P₁',P₂',···,P_m+1')的計算公式：

P_n＝2v_n·10^-3+P_n-1 (9)

P_m'＝2v_m'·10^-3+P_m-1' (10)

其中P₁＝2v₁·10^-3，P₁'＝2v_n·10^-3，P_n表示電機以初速度V_min為起跳速度，加速度階段每經過一個規劃周期2ms按照加速度(v₁,v₂,···,v_n+1)進行一次提速，當速度提升到v_n時其所運行的脈沖量；P_m'表示電機從最大速度v_n開始減速運行到v_m時其所運行的脈沖量；

所述步驟5)中，根據加速階段加速度(v₁,v₂,···,v_n+1)對相應脈沖步長(P₁,P₂,···,P_n+1)和減速階段加速度(v₁',v₂',···,v_m+1')對相應脈沖步長(P₁',P₂',···,P_m+1')再結合目標速度V_m以及目標位置L，用加速階段正推和減速階段倒推法計算出最接近目標速度V_m的實際最大速度v_p、加速距離P_p和減速距離P_p'，加速階段正推和減速階段倒推法，就是從加速度階段加速度v₁,v₂,···,v_n+1中從第一個速度開始推導，計算某個速度v_j對應的脈沖數P_j加上這個速度在減速階段到最小速度的脈沖數P_j'和目標距離L相比，減速階段脈沖數利用倒推法計算公式為：

其中j從1開始，為速度v_j對應減速階段的脈沖步長量；根據最大速度V_max，可以分為兩種距離情況：

(a)如果推到速度V_max時，P_j+P_j'＜L；則v_p＝V_max，P_p＝P_max；

(b)如果沒有推到速度v_j＜V_max時，P_j+P_j'＞L；則v_p＝v_j，P_p＝P_j；

在根據上面得到的電機速度v_p與目標速度V_m相比，以此又可分為兩種情況：

(a)如果行程v_p＜＝V_m＜V_max，此時圖2內電機運行過程中實際能夠達到的最大速度為v_p，此時的加速距離為：

S₁＝P_p (12)

減速階段的距離為：

S₂＝P_p' (13)

(b)如果行程v_m＜＝v_p＜＝V_max，此時電機運行過程中實際能夠達到的最大速度為v_p，此時的加速距離為：

S₁＝P_m (14)

減速階段的距離為：

S₂＝P_m' (15)

勻速階段的距離為：

S₃＝L-S₁-S₂ (16)

主軸電機加減速曲線是將速度控制整體分為低速減加速、勻加速、高速減加速、高速減減速、勻減速和低速減減速七段的不對稱速度曲線，當速度達到目標速度V_m或運動步長達到L/2時，運行狀態進入勻速階段或者減速階段。

2.如權利要求1所述的一種智能圓軸類校直機主軸自適應速度控制方法，其特征在于：所述步驟1)中，現場測試出的最大加速度a_max需滿足當滾主軸帶動質量為M的負載時，電機在當前負載下以起始速度V_min突增a_max速度都能夠保持穩定運行；測試出的最小加速度a_min需滿足電機在接近最大速度V_max高速運動時突增a_min不會引起電機過載和堵轉丟步等現象；在步驟4)中，勻加速階段最小速度V_con1，是V_min通過減加速階段加速度達到勻加速度a_c(a_c＝[a_min+(a_max-a_min)/40])時對應的速度；測試出的高速階段最小速度V_con2，需滿足電機在以加速度a_c勻加速加到不會引起電機過載和堵轉丟步時最大的速度。