[发明专利]多轴联动经济型数控系统的运动控制方法

权利要求书

1.一种多轴联动经济型数控系统的运动控制方法，被控对象的X、Y、Z以及W向的运动由运动电机拖动，其特征是对运动电机的驱动方式是指令脉冲结合方向信号的方式；

运动电机的驱动方式是指令脉冲方式时，运动电机的驱动信号包括驱动脉冲与方向控制两个信号；其中，驱动脉冲的频率决定运动电机的转速，脉冲频率越高，转速越快；频率越低，转速越慢；运动电机的旋转角度通过指令脉冲的个数控制，指令脉冲的个数越多，运动电机的转角越大；

方向信号的电平状态决定运动电机的旋转方向，控制运动电机实现逆时针或顺时针方向的旋转运动；

X、Y、Z或W的运动控制包括：

1)加减速控制

X、Y、Z或W向的进给运动通过梯形曲线加减速实现：

假定进给运动的加速度值a_M，指令速度v_M，初始速度值为“0”；

根据速度变化特征，将梯形加减速的全过程划分为加速段、匀速段与减速段3个过程，分别对应于0-t₀、t₀-t₁与t₁-t₂时间段；假定时刻t的加速度、速度分别为a(t)、v(t)，则t时刻的加速度a(t)为：

t时刻的速度v(t)为：

假定运动的初始速度v₀，速度v(t)还可以描述为：

假定系统采样时间为Δt，k时刻的速度、加速度分别设置为v_k、a_k，k时刻的速度v_k离散化为：

根据公式(1)与(4)，计算各个运动时刻的瞬时加速度与速度；而后，根据瞬时速度计算相应驱动脉冲计数值，产生符合运动速度与位移的运动电机驱动脉冲，即可实现相应方向运动的速度与位移控制；

2)进给运动控制策略

2.1)运动分析及规划

假定进给运动的当前速度v，指令速度v_M，按照v与v_M的对比关系、当前方向运动下一段是否继续条件，将X、Y、Z轴的进给运动分为4种类型：升速结束运动、降速结束运动、升速持续运动、降速持续运动，分别设计控制策略；

(1)升速结束运动

①运动特征：A.当前速度v≤指令速度v_M；B.当前运动结束，该方向运动停止；C.运动包含升速、匀速与刹车3个运动段；

②运动规划：根据进给所处的运动段规划运动速度与位移量；

A.升速段，定时执行加速度积分，计算即时速度与速度计数值，输出对应驱动脉冲，直到指令速度v_M；

B.匀速段，根据v_M计算刹车位移，速度不变，定时采集位移，刹车位移到，进入刹车段；

C.刹车段，定时执行加速度积分，计算速度与计数值，输出驱动脉冲，直至达到目标位移；

(2)降速结束运动

①运动特征：A.当前速度v≥指令速度v_M；B.当前运动结束，该方向运动停止；C.运动包含降速、匀速与刹车3个运动段；

②运动规划：根据进给所处的运动段规划运动速度与位移量；

A.降速段，定时执行加速度积分，计算即时速度与速度计数值，输出对应驱动脉冲，直到指令速度v_M；

B.匀速段，根据v_M计算刹车位移，速度不变，定时采集位移，刹车位移到，进入刹车段；

C.刹车段，定时执行加速度积分，计算速度与计数值，输出驱动脉冲，直至达到目标位移；

(3)升速持续运动

①运动特征：A.当前速度v≤指令速度v_M；B.当前运动结束，该方向运动持续；C.运动包含升速、匀速2个运动段；

②运动规划：根据进给所处的运动段规划运动速度与位移量；

A.升速段，定时执行加速度积分，计算即时速度与速度计数值，输出对应驱动脉冲，直到指令速度v_M；

B.匀速段，定时采集位移，直到目标位移；

(4)降速持续运动

①运动特征：A.当前速度v≥指令速度v_M；B.当前运动结束，该方向运动持续；C.运动包含降速、匀速2个运动段；

②运动规划：根据进给所处的运动段规划运动速度与位移量；

A.降速段，定时执行加速度积分，计算即时速度与计数值，输出对应驱动脉冲，直到指令速度v_M；

B.匀速段，定时采集位移，直到目标位移；

2.2)进给控制策略

A.相关概念

刹车速度：系统执行刹车时的速度

刹车位移：执行刹车时，运动由刹车速度降至速度0，期间产生的位移；假定刹车速度值v_BRK，则根据梯形加减速的参数曲线，刹车位移s_BRK为：

刹车位移的实质是系统执行刹车操作时，当前运动剩余的未完成位移量；

B.运动准备：获取运动参数，判断当前运动结束后该方向运动是否停止，运动停止，获取指令速度v_M并作为刹车速度计算刹车位移；运动继续，则不执行刹车位移计算；比较当前速度v与指令速度v_M，判别升/降速类型，确定加速度a，升速段取值a_M，降速段取值-a_M，进入对应的升/降速控制；

C.升/降速控制：定时执行梯形加速度积分，计算即时速度与速度计数值，输出驱动脉冲，直到指令速度v_M；

D.匀速控制：若当前运动结束后该方向运动停止，系统定时采集位移，到达刹车位移后进入刹车控制；若当前运动结束后该方向运动持续，定时采集位移，直到指令位移；

E.刹车控制，加速度a取值-a_M，定时执行加速度积分，计算速度与速度计数值，输出驱动脉冲，直到指令位移；

F.异常控制，无论何种控制模式，达到指令位移，禁止系统输出，运动结束；升速控制时，达到指令位移1/2，系统进入刹车控制；

W向运动只有速度控制，而无位移或旋转角度控制；

通过协调X、Y及Z、W向的动作，以实现X、Y和Z、W轴的联动运动，联动动作包括各轴的直线联动运动与曲线联动运动：

1)直线联动的步骤包括：

1.1)数据预处理：

先计算各轴的速度和位移；

1.2)联动执行：

首先，根据参与联动的轴的序号，禁止各联动轴动作；

而后，根据运动方向，设置参与联动的各个轴的方向信号；

之后，获取参与联动的轴的速度、位移参数；

最后，启动参与联动的各个轴，生效相应轴的方向、速度和位移参数，开始联动运动；

1.3)联动原理：

执行联动控制时，由联动各轴的使用同一基准时钟CLK，通过对CLK的分频控制运动电机的每一步动作，来保证参与联动各轴按指定速度实现联动位移，从而保证联动运动的速度、位移、轨迹要求；

1.4)多轴联动实现：

对于有XYZW向联动要求的运动，实现三维打印二维层面扫描边界或经济型数控任意角度空间斜线的加工轨迹；实现空间斜线扫描轨迹时，先计算X、Y、Z、W轴的扫描分速度与分位移；接着：

首先，禁止X、Y、Z、W运动，获取并设置XYZW方向信号；

而后，获取并设置X、Y、Z的速度及位移与W的速度；

最后，再次同时启动X、Y、Z、W轴，执行即实现X、Y、Z、W的任意角度斜线运动；

2)曲线联动运动

三维曲线运动轨迹通过多段空间直线逼近，即粗、精插补实现；

2.1)数据预处理：

执行粗插补时，结合控制精度，先对空间曲线执行离散化操作，将三维曲线离散成一系列的空间直线段；针对这些空间直线段，对各个直线段分别计算各轴的运动速度、位移和方向参数；基于这些参数，控制参与联动的各个轴，依次实现上述的直线段运动，从而完成三维曲线运动，完成精插补；

2.2)联动执行：

首先，禁止参与联动的轴运动；

而后，获取参与联动的轴的速度、位移和方向参数；

最后，同时启动参与联动的轴，并以相应的速度、位移和方向参数，逐段执行各个直线段的运动；

速度计算方法为：

a、速度计算原理

设置速度单位“步/s”，加速度单位“mm/s”，设定运动步当量0.01mm，积分周期Δt与运动控制周期选择一致，设置为10μs，根据公式(4)，k时刻的速度v_k可表述为：

定义积分余数sigMa_k，sigMa_k为积分对除数1000的余数，公式(6)演变为：

其中的int为取整运算，Rm为取小数运算，定义参数Spd_k：

由于以“步/s”为单位的速度不存在小数值，Spd_k实际为时刻k的运动速度：

b、计算公式

总结公式(6)-(9)，速度计算采用公式(10)实现，其中的Rem()运算为对1000求余运算：

c、速度计数计算实现方法：

利用速度计数值对基准时钟计数，定时拉高/清零运动控制电机的脉冲输出端口，实现伺服电机等距驱动脉冲的脉宽与脉间；假定运动速度v，单位“步/s”，基准时钟CLK频率f_CLK，则速度计数值k_C为：

k_C＝f_CLK/2v    (11)

根据公式(11)的原理，CalCnt获取状态转换控制StaCon送出的当前速度Spd，计算对应计数值tSpdCnt，将其返回StaCon备用；设置运动步当量0.01mm，基准时钟CLK频率f_CLK设置1MHz，确定计数值tSpdCnt为：

tSpdCnt＝5×10⁵/Spd      (12)。