[发明专利]一种伺服电机S曲线加减速控制方法

摘要

本发明公开了一种伺服电机S曲线加减速控制方法，目的在于解决传统的嵌入式伺服电机控制系统S曲线加减速控制方法以加加速度或最大加减速度为变量进行速度规划，计算过程复杂，需要大量的速度和脉冲频率之间的转换计算，求解时间长，不利于实时运动控制的问题。本发明结合嵌入式伺服电机控制系统的实际应用，提出一种以脉冲频率为表达形式的五段S曲线加减速控制方法，以最大频加速度为变量，分析加减速过程中各时刻所需的PWM脉冲频率，避免现有嵌入式伺服电机控制系统S曲线加减速控制的复杂运算。本发明提出嵌入式伺服电机控制系统S曲线加减速控制方法的硬件实现方法，以简化伺服电机系统运动控制过程，提高伺服电机系统实时控制能力。

主权项

1.一种伺服电机S曲线加减速控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)S曲线算法的脉冲频率表达形式假设电机加减速的需要的开始脉冲频率和结束脉冲频率相等，并且为f0；需要达到的最大脉冲频率为fMax，此时的加速度为频加速度αf，允许的最大值为αm，T1～T5分别为第一至第五阶段的用时时间；在0～T1时间内，f‑t曲线为一二次多项式，设如下计算式(1)：f＝mt2+nt+k   (1)，式(1)中，m,n,k分别为待定系数；频加速度为脉冲频率关于时间的导数，则有计算式(2)：αf＝2mt+n       (2)；取f‑t曲线中点(0,f₀)和取a_f‑t曲线中点(0,0)和(T₁,α_m)带入公式(1)和公式(2)，得：将af‑t曲线中点(T1,am)和m,n带入公式(2)，有公式(3)：则由公式(4)：故在0～T1时间内，f‑t函数如下式(5)：采用前述类似推导过程，得到不同时间点PWM输出的脉冲频率值计算公式(6)：2)加减速曲线的实现嵌入式伺服电机控制系统加减速曲线的实现主要依靠芯片输出PWM脉冲，在嵌入式系统中，PWM的输出由定时器控制，假设芯片时钟频率为fMCU，定时器自动重装载的值为arr和时钟预分频值为psc，则PWM的输出脉冲频率fPWM如下式(7)：2.1)初始化参数配置根据实际允许的电机起始转速和最大转速，可以得到f0和fMax的计算公式如下式(9)：式(9)中，v为电机加减速的起始速度或允许的最大速度，r/min；NPus_Per为电机旋转一圈需要的脉冲数；计算完成加减速需要的脉冲数NPu_N，公式如下式(10)：式(10)中，Δang为给定角度与实际角度的差值，Rate为电机的减速比；2.2)根据实际情况重新计算最大脉冲频率根据公式9计算得到f0和fMax后，计算得到按最大速度要求需要的脉冲数NMax，计算公式如下式(11)：若NMax＞NPu_N，说明电机此次加速需要的脉冲数小于按最大速度要求需要的脉冲数，即电机不需要加速到初始化设置的最大速度，此时电机的匀速段总时间T＝0，并且需要重新计算此次加速需要的最大脉冲频率，计算公式如下式(12)：如果NMax≤NPu_N，说明电机此次加速需要加速到初始化设置的最大速度，并且加速到最大速度后会产生一段匀速时间，此时f′Max＝fMax，匀速时间T计算公式如下式(13)所示：2.3)计算各阶段时间由公式3推导得到各个时间点的计算公式如下式(14所示)：2.3)加减速控制假设电机加减速需要达到的最大脉冲频率与电机起始脉冲频率的差值Δf＝fMax‑f0，通过定时器得到某时刻的时间为t；通过公式(6)计算得到PWM需要输出的脉冲频率值f后，修改定时器PWM周期和占空比，来控制速度。