一种基于CAN网络的多轴数控系统的轮廓误差控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103353736A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103353736103353736A(43)申请公布日2013.10.16(21)申请号201310250210.1(22)申请日2013.06.21(71)申请人合肥工业大学地址230009安徽省合肥市屯溪路193号(72)发明人王跃飞陶绍源王标吴祥曹三峰曾志成张本宏张利许若愚(74)专利代理机构安徽合肥华信知识产权代理有限公司34112代理人余成俊(51)Int.Cl.G05B19/18(2006.01)权权利要求书3页利要求书3页说明书5页说明书5页附图5页附图5页(54)发明名称一种基于CAN网络的多轴数控系统的轮廓误差控制方法(57)摘要本发明公开了一种基于CAN网络的多轴数控系统的轮廓误差控制方法，轴控制器周期性发送轴位置信息CAN帧，协同控制器以该帧为输入，获取轴位置信息和系统时延，预测实际位置点，进而计算当前轮廓误差；以该轮廓误差为被控量，通过一种考虑网络时延的网络控制器，计算控制器输出及其分配在各轴上的补偿控制量；将各轴补偿控制量封装成补偿控制量CAN帧，发送到各轴控制器，进而加载到各轴控制回路，完成多轴数控系统轮廓误差的控制。本发明适应性更强，扩展性更好，可靠性更高，尤其当轴间距离较远时，本发明可得到更稳定的控制量输出与更精确的轮廓误差精度。CN103353736ACN103576ACN103353736A权利要求书1/3页1.一种基于CAN网络的多轴数控系统的轮廓误差控制方法，其特征在于：轴控制器周期性发送轴位置信息CAN帧，协同控制器以该帧为输入，获取轴位置信息和系统时延，预测实际位置点，进而计算当前轮廓误差；以该轮廓误差为被控量，通过一种考虑网络时延的网络控制器，计算控制器输出及其分配在各轴上的补偿控制量；将各轴补偿控制量封装成补偿控制量CAN帧，发送到各轴控制器，进而加载到各轴控制回路，完成多轴数控系统轮廓误差的控制；具体实现方法如下：（1）基于位置点预测的轮廓误差计算；设k-2、k-1、k三个时刻的参考点，及k-1、k时刻实际位置点分别为，曲率半径为R，求k时刻的轮廓误差ε；由几何关系有：k时刻**的轮廓误差ε近似等于Pk处曲率圆圆心到Pk的距离减去Pk处曲率圆半径，即其中；设网络时延为τ，采样周期为T，轴位置信息CAN帧中包含该数据采样时刻的时间戳，系统时延τ为帧收到时刻减去采样时刻；当前实际轮廓点可由瞬间速度vx、vy与τ计算，即，其中，；用代替式(1)中，实际轮廓误差为，其中，；（2）考虑网络时延的网络控制器；利用已知的控制对象模型和李雅普诺夫稳定性条件，确定控制器参数；具体实现步骤为：2CN103353736A权利要求书2/3页（a）将控制器与执行器间的网络视为开关，ε(kT)、u(kT)、v(kT)分别为控制器的输入、执行器的输入、控制器的输出；网络开关具有两种状态：1)闭合时表示数据包成功通过网络，此时u(k)=v(k)；2)断开时表示数据包丢失，此时u(k)=u(k-1)；（b）假设控制对象的模型为其中：x，u和y分别为对象的状态、控制输入和输出；其离散模型为其中：G=eAT，，；（c）定义控制器与执行器间网络数据传输成功率为r，则相应的数据包丢失率为1-r；根据已知的被控对象模型参数、网络数据传输成功率r、网络延时τ，选取标量a1、a2，使满r1-r足a1a2＞1，利用Matlab求取满足的正定矩阵W，X，Y，Z和矩阵P，Q，R，S，然后得到指数稳定的控制器状态空间模型为其中，，，；通过上述公式求解出的控制器，对于（1）计算出的轮廓误差可实现轮廓误差控制量的计算；（3）轮廓误差补偿控制量的分配；控制器输出为uε，分配到x轴和y轴上的补偿为uεx、uεy，其中uεx=uεNx，uεy=uεNy，Nx、Ny为轮廓误差补偿系数；轮廓误差ε分配到x轴y轴上的分量与其比值3CN103353736A权利要求书3/3页、，分别为，，则轮廓误差补偿系数，；考虑存在网络时延τ，可由预测点代替，有（4）轴位置信息帧和补偿控制量帧；所述CAN网络协议符合ISO11898标准，数据帧为标准帧，数据域长度为6个Byte；将各个轴的实时点的位置各包装成轴位置信息帧，控制器输出包装成补偿控制量帧；轴位置信息帧优先级高于补偿控制量帧；补偿控制量帧的标志符取值范围0x0F1-0x0FF，轴位置信息帧标志符取值范围0x101-0x10F；位置信息帧数据域中前2个Byte对应于实际位置，后2个Byte对应于参考位置，中间2个Byte为记录采样时刻的时间戳，位置精度为微米；补偿控制量帧中前3个Byte对应于x轴补偿电压，后3个Byte对应于y轴补偿电压，补偿精度微伏。4CN103353736A