TWI361961B - Motion control servo loop apparatus - Google Patents

Description

1361961 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種運動控制伺服迴路裝置，尤指一 種於比例-積分-微分（PID ，Proportional-Integral-Derivative)控制迴路採用數值差分分析（DDA， Digital Differential Analyzer)演算法則之積分控制模 組，可有效提升響應速度、降低穩態誤差、改善暫態響應 及補償受控系統延遲現象之運動控制伺服迴路裝置。 【先前技術】 運動控制技術是各式各樣機械控制器的共同性基礎技 術’其目的在於調控使用於各式機械上之馬達之速度、位 置及扭力，用以帶動刀具或夾頭在三維空間裡，於預期之 時間點，以預期之速度，沿著預期之軌跡遂行切削、加工、 裝配、取放等自動化工作。而習知運動控制伺服迴路有二 • 種，一為開迴路控制，一為可内含比例-積分-微分（ΡΠ)，

Proportional-Integral- Derivative)控制法則之閉迴路 控制。 前述開迴路控制係由控制器内部脈波產生器直接輸出 位置命令進行控制，並無回授訊號可供系統比較和計算誤 差，無法對系統響應速度、穩態誤差等控制性能進行修正， 僅適合精度較低之控制場合。 而比例-積分-微分控制迴路具有比例、積分、微分及 可格配别饋控制器架構，其比例控制器為一固定增益控制 5 器，藉回授訊號野誤 過微分控制器可將祖、,k正，以提升系毵響應速度，透 ，，而積分技：=差騎:分’具改善暫態響 當系統趨_||時 料“撕積分I加運算， 消除穩態誤差，铁 艰日守間增長放大積分項之影響力， 卻會減緩響應迷声 控制迴路雖可消除穩態誤差， 2增益與積‘;反應，若積 陡升而造成系統受 、大合易因為誤差累積量 控制下伺服落後較: ^而處不穩定狀態，且高速 的追縱_與細精度，===影響控制系統 要欠據’為達成高階運動控制器所連-〜 要求，即需要改良現有之運 “之间速冋精度 控制性能，並克服前述積分“ Z架構，增進其 之問題。 、制益所而兼顧精確與穩定性 【發明内容】 有鑑於習知技術之缺失，本發明提出一種運動控制伺 服迴路裝置，於比例-積分-微分（PID ， Proportional-Integral- Derivative)控制迴路採用數值 差分分析（DDA，Digital Differential Analyzer)演算法 則之積分控制模組，可有效提升響應速度、降低穩態誤差、 改善暫態響應及補償受控系統延遲現象。 為達到上述目的，本發明提出一種運動控制伺服迴路 裝置，其包含一前饋控制模組、一比例-積分-微分控制迴 路及一補償項加法器，該前饋控制模組可產生一前饋補償 1361961 項；該比例-積分-微分控制迴路包括一比例控制模組、一 ^ 積分控制模組及一微分控制模組，該比例控制模組可產生 . 一比例補償項，該微分控制模組可產生一微分補償項；該 積分控制模組係採用數值差分分析演算法則，於每次積分 取樣時間對位置誤差於每一數值差分分析脈衝產生之時刻 累加誤差量，逐次進行積分動作並輸出一誤差積分累加 量，再處理該誤差積分累加量產生一積分補償項；再由該 補償項加法器接收該前饋補償項、比例補償項、積分補償 • 項及微分補償項，並計算出驅動器運動位置誤差補償量。 為使貴審查委員對於本發明之結構目的和功效有更 進一步之了解與認同，茲配合圖示詳細說明如后。 【實施方式】 以下將參照隨附之圖式來描述本發明為達成目的所使 用的技術手段與功效，而以下圖式所列舉之實施例僅為輔 助說明，以利貴審查委員暸解，但本案之技術手段並不限 ® 於所列舉圖式。 請參閱第一圖所示，本發明所提供之運動控制伺服迴 路裝置之架構示意圖，該運動控制伺服迴路裝置主要包括 一前饋控制模組10、一比例-積分-微分（Ρ Π)， Proportional-Integral- Derivative)控制迴路 20 及一補 償項加法器30。 該前饋控制模組10係透過一暫存器11及一減法器12 對一位置命令進行微分運算，並產生一位置命令微分量， 再將該位置命令微分量經由一乘法器13與一前饋增益係 7 數14相乘後’產+ —a 該補償項加法H 3G—^補償項，再將絲饋補償項輸入 進行微分處理，在目^由該前饋控制模組10對位置命令 訊號輸人馬達驅動器（®中未示出） 30之訊號，較厚器的修正，使輸入該補償項加法器 系統的延遲或過之目標命令更為超前’以補償受控 衡現象，错以減少因命令變化所引起之追 遇=、σ a加控制系統之追蹤準確性。 / 幻積今—微分（PID，Proportiona卜Integral〜 Deri — )控制迴路2()包括—比例控 控制模組22及—微分㈣餘23。 a八H1控制挺組21係經由一誤差計數器211接收位置 T々以及由馬達編碼器（圖中未示出）所產生之回授命令， 將該位置命令對回授命令相減後得出-位置誤差量，再將 „量經由_乘法器212與一比例增益213相乘 1…η，?:]補償，’再將該比例補償項輸入該補償項 ' °Λ比例補償項之作用在於加速系統響應時間。 控：模组22包括一誤差命令暫存請、一加 二八誠積ίί加器224以及—餘數暫存器223， 數，將位詈分計算時間週期之倒 數將位置邊差讀入該誤差命令暫存 器奶採用數值差分分析⑽，DlgltalDlffe=1: ===算法則，使該誤差積分累加器224於每次積分 ==L誤差量於每一數值差分分析脈衝⑽a

Pu 1 se)產生之時刻累加誤差量，並將 及餘數暫存哭t μ房差命令暫存器221 及餘數暫存g 223之值之總和與積分時間内總時脈數進行 1361961 比較，若發生溢位，則輸出溢位訊號觸發該誤差積分累加 器224進行位置誤差量累加，逐次進行積分累加動作，再 將比較結果之餘數回授存入該餘數暫存器223,最後輸出 一誤差積分累加量。該誤差積分累加量再經由一乘法器225 ^ 與一積分增益226相乘後，產生一積分補償項，再將該積 分補償項輸入該補償項加法器30。 該補償項加法器30即可根據所接收之前饋補償項、比 例補償項、積分補償項及微分補償項，計算出驅動器運動 • 位置誤差補償量。 關於上述該積分控制模組22之運算步驟，請參閱第二 圖實施例說明如下： -假設若某單一積分時間内之時脈（clock)總數為8， 觸發次數為k，位置誤差量為p，輸出溢位訊號為ΔΖ，該 餘數暫存器223之初始值q(0) = 0 ; 一當每次時脈觸發發生時，進行q(k-l)+p動作.（位置 誤差量P與餘數暫存器之值相加）； 春 一若 q(k-l)+p>8，即溢位發生，則△ Z(k) = l，q(k) = q (k-1)+p - 8 (輸出溢位訊號△ Z進行位置誤差量累加，餘 數回存入該餘數暫存器223); -否則ΔΖ(1〇 = 0，q(k)=q(k-l)+p (無溢位訊號發生， 餘數回存入該餘數暫存器223)。 —重複上述步驟，當完成整個積分時間内之8次運算 後，必將有P次溢位訊號發生，輸出P個脈波（即位置誤 差積分所需之累加量），該積分控制模組22即於每一數值 9 1361961 差分分析脈衝（DDA Pulse)發生時對位置誤差量累加一，逐 次完成單一積分時間内所需之積分累加動作，藉由不斷累 積之誤差量推動輸出增大，從而消除穩態誤差，達到高精 度之運動控制要求，此外，利用數值差分分析（DDA，D i g i ta 1 Differential Analyzer)演算法則可均勻送出脈波、平滑 化加速曲線之概念，可將數位積體電路硬體電路之離散行 為逼近實際之連續系統，強化積分運算之連續性，避免單 一積分時間内所累加之誤差量瞬間陡升，並在系統過衝超 φ 調（overshoot)時具備飽和保護功能，改善一般積分控制迴 路可能因增益參數與取樣周期調整不當而造成系統受控體 • 發生振盪或發散現象等不穩定狀態。 該微分控制模組23係透過一暫存器231與一減法器 232，於每一取樣時間内，透過位置誤差減去誤差量之延遲 而完成微分運算，並產生一誤差微分量，該誤差微分量再 經由一乘法器233與一微分增益234相乘後，產生一微分 補償項，再將該微分補償項輸入該補償項加法器30，該微 • 分補償項之作用在於改善暫態響應。 上述該積分取樣時間與微分取樣時間係可透過設定一 時脈控制器（圖中未示出）而產生，此外，該前饋控制模組 10、比例控制模組21、積分控制模組22及微分控制模組 23可透過硬體描述語言設計數位電路之方式製成。 請參閱第三圖所示本發明與習知積分控制之誤差累積 項差異比較示意圖。假設某單一積分時間内所需之誤差積 分累加量為6，習知未採用數值差分分析演算法之積分器 於單一積分時脈上升瞬間即將所需誤差量6 —次累加完 1361961 畢，如第二圖曲線L1所示；而本發明採用數值差分分析方 式實現之積分控制模組，對位置命令與回授命令之位置誤 差量係以數值差分分析計算法則，於每一數值差分分析脈 衝產生時刻累加誤差量，每次皆對其位置誤差累加一，逐 ' 次且均勻地完成六次積分累加動作，如第三圖虛線曲線L2 • 所示，避免單一積分時間内因所累加之誤差量瞬間陡升， 而可能造成誤差修正時來回超出過量，產生振盪或發散現 象的不穩定狀態，並推動控制器的輸出增大而使穩態誤差 φ 進一步減小，直到等於零。如前所述，本發明積分取樣時 間與微分取樣時間可透過設定時脈控制器而產生，以第三 • 圖實施例為例，若其控制迴路内之誤差計數器211(顯示於 第一圖）採用16位元時，其積分時間最小週期為2的15次 方減1(32767)個系統時脈週期。 綜上所述，本發明提供之運動控制伺服迴路裝置，於 比例-積分-微分控制迴路採用利用數值差分分析（DDA， Digital Differential Analyzer)演算法則之積分控制模 φ 組並結合前饋控制模組，可透過比例、積分、微分以及前 饋控制項分別對受控系統之響應速度、穩態誤差、暫態響 應、系統響應延遲落後等控制性能指標進行誤差修正，可 有效提升響應速度、降低穩態誤差、改善暫態響應及補償 受控系統延遲現象。 惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以 之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範 圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之 範圍内，謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。 1361961 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明之架構示意圖。 第二圖係本發明該積分控制模組之數值差分分析法進 行誤差積分累加之時序實施例示意圖。 第三圖係本發明與習知積分控制之誤差累積項差異比 較示意圖。 【主要元件符號說明】 1-運動控制伺服迴路裝置 10 _前饋控制模組 Π-暫存器 12- 減法器 13- 乘法器 14- 前饋增益係數 20- 比例-積分-微分（卩10，？1'(^〇1'1^〇11&1-11^68『31-Deri vative)控制迴路 21- 比例控制模組 211- 誤差計數器 212- 乘法器 213- 比例增益 22- 積分控制模組 221- 誤差命令暫存器 222- 加法器 223- 餘數暫存器 1361961 224- 誤差積分累加器 225- 乘法器 226- 積分增益 23-微分控制模組 231- 暫存器 232- 減法器 233- 乘法器 234- 微分增益 30-補償項加法器 LI、L2-積分累加量曲線

Claims (1)

1361961 七、申請專利範圍： 1. 一種運動控制伺服迴路裝置，其係用以補償驅動器運動 位置誤差，而該運動控制伺服迴路裝置包含有： 一前饋控制模組，用以產生一前饋補償項； 一比例-積分-微分（PID，Proportional-Integral-Derivative)控 制迴路 ，其更 包含有 ： 一比例控制模組，用以產生一位置誤差量，並處理該位 置誤差量以產生一比例補償項輸入； 一積分控制模組，用以接收該位置誤差量，並採用數值 差分分析（DDA，Digital Differential Analyzer)演算 法則，於每次積分取樣時間内，對位置誤差於每一數值 差分分析脈衝（DDA Pu 1 se)產生之時刻累加誤差量，逐次 進行積分動作，並輸出一誤差積分累加量，再處理該誤 差積分累加量以產生一積分補償項； 一微分控制模組，用以接收位置誤差量，於每次微分取 樣時間内，產生一微分補償項；以及 一補償項加法器，用以接收該前饋補償項、比例補償項、 積分補償項及微分補償項，並計算出驅動器運動位置誤 差補償量。 2. 如申請專利範圍第1項所述之運動控制伺服迴路裝置， 其中，該積分控制模組包含有： 一誤差命令暫存器，用以接收位置誤差量； 一加法器，用以對位置誤差量與回授餘數相加，執行數 值差分分析運算，並輸出溢位訊號； 一誤差積分累加器，用以對位置誤差量進行累加積分， 14 1361961 並產生一誤差積分累加量；以及 一餘數暫存器，用以存放該加法器所產生之餘數，並將 餘數送入該加法器進行數值差分分析運算。 3.如申請專利範圍第1項所述之運動控制伺服迴路裝置， 其中，該積分控制模組積分取樣頻率為每單一次完整積 分計算時間週期之倒數。