阅读说明：本技术 一种智能手套机电机的柔性速度控制方法 (Flexible speed control method for motor of intelligent glove knitting machine ) 是由 董辉 董高锋 金雨芳 吴祥 罗立锋 于 2020-07-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种智能手套机电机的柔性速度控制方法,包括以下步骤：确定智能手套机电机动作时允许的最大加速度,并设定电机的初始速度、结束速度、最大速度、加速度和目标位置距离；将电机的速度控制轨迹依照梯形曲线划分为加速阶段、匀速阶段和减速阶段,并根据初始速度、结束速度、最大速度和加速度计算出加速阶段、匀速阶段和减速阶段对应的运行距离,并判断是否存在匀速阶段；以时间周期为速度规划周期进行实时速度规划,当系统位置脉冲发送时间大于或等于速度规划周期时,即进行一次加减速控制直至智能手套机运动至目标位置。本发明满足了加减速平稳、加速度连续且运算量小,非常适合嵌入式系统。(The invention discloses a flexible speed control method of an intelligent glove machine motor, which comprises the following steps: determining the maximum acceleration allowed by the motor of the intelligent glove knitting machine during action, and setting the initial speed, the finishing speed, the maximum speed, the acceleration and the target position distance of the motor; dividing the speed control track of the motor into an acceleration stage, a constant speed stage and a deceleration stage according to a trapezoidal curve, calculating the corresponding running distances of the acceleration stage, the constant speed stage and the deceleration stage according to the initial speed, the final speed, the maximum speed and the acceleration, and judging whether the constant speed stage exists or not; and performing real-time speed planning by taking the time period as a speed planning period, and performing acceleration and deceleration control once when the pulse sending time of the system position is greater than or equal to the speed planning period until the intelligent glove knitting machine moves to the target position. The invention meets the requirements of stable acceleration and deceleration, continuous acceleration and small operand, and is very suitable for an embedded system.)

一种智能手套机电机的柔性速度控制方法

技术领域

本申请属于运动控制技术领域，具体涉及一种智能手套机电机的柔性速度控制方法。

背景技术

随着纺织业的需求增加，全自动智能手套机得到了广泛的应用，目前的智能手套机采用了多电机单元代替传统的齿轮结构。比如，智能手套机的选针系统主要依靠步进电机驱动滚筒转动一定距离，使得滚筒销将选针鸟片顶起，从而选中与选针鸟片间接相连的织针。然而，要顶起选针鸟片就会使得步进电机承受很大负载，容易发生过载现象，而一旦过载就将引起失步，导致手套机机械碰撞损坏机器，尤其是在高速运动且加减速频繁情况下更易发生。良好的步进电机加减速控制方法可以避免手套机步进电机运动过程中出现的冲击、失步或振动现象，同时实现动作的快速反应，短时间达到指定速度。

目前，在智能手套机控制系统中普遍采用的是基于梯形曲线速度规划，计算量小，适合小容量、低性能的嵌入式设备，但是该算法在在启、停阶段及加减速的开始和结束阶段存在加速度突变，容易产生冲击；部分手套机控制系统中采用S型曲线速度规划，在加减速阶段较为平稳，但是该算法步骤繁琐，运算复杂，而且加减速过程中仍然存在加速度不连续的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种智能手套机电机的柔性速度控制方法，满足了加减速平稳、加速度连续且运算量小，非常适合嵌入式系统。

为实现上述目的，本申请所采取的技术方案为：

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

一种智能手套机电机的柔性速度控制方法，所述智能手套机电机的柔性速度控制方法包括以下步骤：

步骤1、确定智能手套机电机动作时允许的最大加速度a_max，并设定电机的初始速度v_s、结束速度v_e、最大速度v_max、加速度a和目标位置距离S；

步骤2、将电机的速度控制轨迹依照梯形曲线划分为加速阶段、匀速阶段和减速阶段，并根据初始速度、结束速度、最大速度和加速度计算出加速阶段、匀速阶段和减速阶段对应的运行距离，并判断是否存在匀速阶段；

步骤3、以时间周期T为速度规划周期进行实时速度规划，当系统位置脉冲发送时间大于或等于速度规划周期时，即进行一次加减速控制直至智能手套机运动至目标位置；

其中，所述步骤3包括：

步骤3.1、电机以初始速度进行余弦加速，当系统位置脉冲发送时间大于或等于速度规划周期时，获取当前时刻电机的角度，并根据角度从预设的余弦值表中读取余弦值，计算得到第i个速度规划周期的期望速度值v(t)_i；

步骤3.2、将第i个速度规划周期的期望速度值v(t)_i作为第i个速度规划周期的定时器频率f_i，因此可计算得到第i个速度规划周期中每个脉冲对应的定时器周期为

由此可计算得到第i个速度规划周期内所需的脉冲数

步骤3.3、根据处理器的工作特性建立第i个速度规划周期中每个脉冲对应的定时器周期为其中，arr_i为第i个速度规划周期的自动重装载值，Tim_prescaler为时钟预分频系数，Tck为处理器的主频；因此建立公式

根据该公式计算出arr_i，即将期望速度值v(t)_i转化为自动重装载值，将实时速度规划转化为脉冲个数记录问题，进行智能手套机的运动控制。

作为优选，所述步骤1中设置初始速度v_s等于结束速度v_e，并设置加速度

通过人机交互界面接收用户输入的最大速度v_max、目标位置距离S。

作为优选，所述步骤2中，根据梯形曲线计算整个速度控制过程是否存在匀速阶段，具体计算方法如下：

其中，t₁、t₂、t₃为加速阶段、匀速阶段和减速阶段对应的运行时间，S₁、S₂、S₃为加速阶段、匀速阶段和减速阶段对应的运行距离，此时存在两种情况：

(a)当S₁+S₂<S₃时，此时速度控制过程能达到最大速度v_max，且存在完整的加速阶段、匀速阶段、减速阶段，根据步进电机的步长特性将S₁、S₂、S₃换算成相应的控制过程脉冲数P₁、P₂、P₃；

(b)当S₁+S₂≥S₃时，整个速度控制过程不存在匀速阶段，当且仅当S₁+S₂＝S₃时速度控制过程速度能达到最大速度v_max，此时需重新计算加减速段时间与距离：

S₁＝S₃＝S/2，根据步进电机的步长特性将S₁、S₃换算成相应的控制过程脉冲数P₁、P₃，且此时P₂＝0。

作为优选，所述步骤3.1中余弦值表包括由0度开始以1度递增计算得到的余弦值。

作为优选，所述步骤3.2中计算第i个速度规划周期的期望速度值v(t)_i，包括：

建立常规的加速阶段的期望速度计算公式如下：

其中，t为当前速度控制时间，为加速阶段当前时刻的角度；

利用从余弦值表中读取的余弦值更新加速阶段的期望速度计算公式如下：

因此根据更新的期望速度计算公式计算得到加速阶段第i个速度规划周期的期望速度值v(t)_i。

作为优选，所述步骤3中，每完成一次加减速控制，更新一次当前控制过程的总脉冲数n_P与规划周期数n_T，当n_P>P₁时，进入下一个控制阶段：当n_P>P₁且P₂>0时，此时速度控制过程进入匀速阶段；当脉冲计数n_P>P₁且P₂＝0时，无论v(t)是否达到v_max都直接进入减速阶段。

作为优选，所述步骤3中，当进入减速阶段后，减速阶段每一个规划周期代入期望速度计算公式计算期望速度，公式如下：

其中，

减速阶段当前时刻的角度，

为通过余弦值表查表得到的当前时刻的角度对应的余弦值；

在减速阶段的每一个速度规划周期内，根据步骤3.2和步骤3.3将计算所得的期望速度值转换为自动重装载值数值的大小，进行智能手套机的运动控制。

本申请提供的智能手套机电机的柔性速度控制方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)本申请在传统梯形加减速的基础上，引入了余弦加减速算法，保证了加速度的连续性，实现了速度的平稳变化，有效减少了手套机电机运行过程中过冲、失步和振动等现象，提高了运行的稳定性；(2)运行速度按周期实时计算，能够及时响应最大速度的变化，最短时间内达到要求速度；(3)加减速速度规划时的余弦算法实时调用提前存储在存储单元中的余弦值表，减少了控制过程中的计算量。

附图说明

图1为本申请智能手套机电机的柔性速度控制方法的一种实施例流程图；

图2为本申请智能手套机电机的柔性速度变化曲线示意图；

图3为本申请实施例1存在匀速阶段的柔性速度的速度曲线图；

图4为本申请实施例1存在匀速阶段的柔性速度的加速度曲线图；

图5为本申请实施例2无匀速阶段的柔性速度的速度曲线图；

图6为本申请实施例2无匀速阶段的柔性速度的加速度曲线图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。

本实施例针对传统的梯形加减速与S型加减速在手套机控制系统中存在的问题，采用了一种智能手套机电机的柔性速度控制方法，满足了加减速平稳、加速度连续且运算量小，非常适合嵌入式系统。

如图1所示，本实施例的智能手套机电机的柔性速度控制方法，包括以下步骤：

步骤1、加载并计算设定好的系统参数：确定智能手套机电机动作时允许的最大加速度a_max，并设定电机的初始速度v_s、结束速度v_e、最大速度v_max、加速度a和目标位置距离S。并且根据电机步长特性以及目标位置距离S确定目标脉冲数P_s。

在确定最大加速度a_max时需要根据智能手套机电机(步进电机)控制部位机械结构的属性、电机的属性以及现场测试来确定，以避免电机损坏。

为了便于理解，本实施中设置初始速度v_s等于结束速度v_e，在其他实施例中，初始速度和结束速度的关系可根据需要进行调整。

并且根据电机特性设置加速度以满足最大加速性能。同时为了提高本申请速度控制方法的适应性，通过人机交互界面接收用户输入的最大速度v_max、目标位置距离S。其中人机交互界面为智能手套机上常规的用于设定参数的交互界面，本实施例中不进一步限制。

步骤2、将电机的速度控制轨迹依照梯形曲线划分为加速阶段、匀速阶段和减速阶段，并根据初始速度、结束速度、最大速度和加速度计算出加速阶段、匀速阶段和减速阶段对应的运行距离，并判断是否存在匀速阶段。

是否存在匀速阶段对速度的控制具有一定的影响，因此需要首先判断电机的速度控制轨迹中是否有匀速阶段，该判断过程基于现有速度控制方法实现即可。本实施例根据梯形曲线计算整个速度控制过程是否存在匀速阶段，提供优选的具体计算方法如下，如图2所示：

其中，t₁、t₂、t₃为加速阶段、匀速阶段和减速阶段对应的运行时间，S₁、S₂、S₃为加速阶段、匀速阶段和减速阶段对应的运行距离。此时存在两种情况：

(a)当S₁+S₂<S₃时，此时速度控制过程能达到最大速度v_max，且存在完整的加速阶段、匀速阶段、减速阶段，根据步进电机的步长特性将S₁、S₂、S₃换算成相应的控制过程脉冲数P₁、P₂、P₃。

(b)当S₁+S₂≥S₃时，整个速度控制过程不存在匀速阶段，当且仅当S₁+S₂＝S₃时速度控制过程速度能达到最大速度v_max，此时需重新计算加减速段时间与距离：

S₁＝S₃＝S/2，根据步进电机的步长特性将S₁、S₃换算成相应的控制过程脉冲数P₁、P₃，且此时P₂＝0。

需要说明的是，根据步长将运行距离换算成脉冲数为步进电机控制的常规换算，本实施例中不再进一步赘述。

容易理解的是，公式(1)中计算加速阶段和减速阶段的执行时间时，所使用的均为加速度a，因此本实施例中设定加速阶段和减速阶段的加速度的绝对值相同，在其他实施例中，若加速度有所更改替换对应的值即可，并且减速阶段的加速度为负数，加速阶段的加速度为正数，在计算执行时间是采用对应的加速度绝对值进行计算。

步骤3、以时间周期T为速度规划周期进行实时速度规划，当系统位置脉冲发送时间大于或等于速度规划周期时，即进行一次加减速控制直至智能手套机运动至目标位置。

为了便于了解当前所运行的阶段，本实施例中每完成一次加减速控制，更新一次当前控制过程的总脉冲数n_P与规划周期数n_T。

并且当n_P>P₁时，进入下一个控制阶段：当n_P>P₁且P₂>0时，此时速度控制过程进入匀速阶段；当脉冲计数n_P>P₁且P₂＝0时，无论v(t)是否达到v_max都直接进入减速阶段。结合实际应用可知，匀速阶段的控制过程脉冲数为大于或等于0，因此这里不讨论P₂<0的情况。

即在存在完整的加速阶段、匀速阶段、减速阶段的情况下(即为P₂>0时)，智能手套机首先以余弦加速算法进行加速阶段运行，当n_P≥P₁时，进入匀速阶段时，智能手套机电机保持最大速度v_max运行；当n_P≥P₁+P₂时，进入减速阶段，智能手套机以余弦减速算法进行运行；当n_P≥P_s时，到达目标位置，结束智能手套机电机本次控制。

在仅存在加速阶段和减速阶段的情况下(即为P₂＝0时)，智能手套机首先以余弦加速算法进行加速阶段运行，当n_P≥P₁时，进入减速阶段，智能手套机以余弦减速算法进行运行；当n_P≥P_s时，到达目标位置，结束智能手套机电机本次控制。

在进行智能手套机的加减速控制时，加速阶段的控制过程如下：

步骤3.1、电机以初始速度进行余弦加速，当系统位置脉冲发送时间大于或等于速度规划周期时，获取当前时刻电机的角度，并根据角度从预设的余弦值表中读取余弦值，计算得到第i个速度规划周期的期望速度值v(t)_i。

本申请为了提高实时性，预先计算好各个角度的余弦值，建立余弦值表。为了控制数据量，本实施例的余弦值表包括由0度开始以1度递增(递增至360度)计算得到的余弦值，即余弦值表为cos[361]，以供速度计算时进行查表。

即本实施例中的余弦值表为：cos[361]＝{1.000000,0.999848,0.999391,0.998630,0.997564,0.996195,0.994522,0.992546,0.990268,0.987688,0.984808,0.981627,0.978148,0.974370,0.970296,0.965926,0.961262,0.956305,0.951057,0.945519,0.939693,0.933580,0.927184,0.920505,0.913545,0.906308,0.898794,0.891007,0.882948,0.874620,0.866025,0.857167,0.848048,0.838671,0.829038,……}。

需要说明的是，在其他实施例中，余弦值表可以根据需要进行调整，例如设置递增的角度间隔为2度或者0.5度等。

在余弦加速算法中，常规的加速阶段的期望速度计算公式如下：

其中，t为当前速度控制时间，即为n_T*T，为加速阶段当前时刻的角度，若

不是整数，则直接舍去小数部分作取整处理。采用公式(2)进行计算时，由于每次计算均需要计算三角函数的值，计算量大、耗时长，占用较大的系统资源。

本实施例为了克服计算量大、耗时长的问题，利用从余弦值表中读取的余弦值

更新加速阶段的期望速度计算公式如下：

由此可得加速阶段的通用公式如公式(3)所示，基于公式(3)可知，每一个速度规划周期中可根据角度值从余弦值表中实时读取余弦值，大大减少了响应时间。细化到每一个速度规划周期而言，向公式(3)中代入相应的当前时刻的角度，即可根据更新的期望速度计算公式计算得到加速阶段第i个速度规划周期的期望速度值v(t)_i。

步骤3.2、将第i个速度规划周期的期望速度值v(t)_i作为第i个速度规划周期的定时器频率f_i，即赋值f_i＝v(t)_i，因此可计算得到第i个速度规划周期中每个脉冲对应的定时器周期为

由此可计算得到第i个速度规划周期内所需的脉冲数由于本申请以时间周期T作为速度规划周期，因此采用时间周期T进行计算即可。

步骤3.3、根据处理器的工作特性建立第i个速度规划周期中每个脉冲对应的定时器周期为

其中，arr_i为第i个速度规划周期的自动重装载值，Tim_prescaler为时钟预分频系数，Tck为处理器的主频；因此建立公式

根据该公式计算出arr_i，即将期望速度值v(t)_i转化为自动重装载值，处理器在第i个速度规划周期内根据自动重装载值定时发送脉冲进行速度控制，并且实时记录脉冲个数，与计算得到的第i个速度规划周期内所需的脉冲数k_i进行比较，即可监控本速度规划周期是否执行完成。

因此本申请将实时速度规划(即实际加减速规划时间t(当前速度控制时间)和速度规划周期T的判断问题)转化为脉冲个数记录问题，进行智能手套机的运动控制，只需在定时器中断进入后脉冲计数值累加后判断所计脉冲数即可，减轻了系统负担。

本申请中的余弦减速算法与余弦加速算法同理实现，即减速阶段利用余弦减速算法控制智能手套机运动的过程如下：

当进入减速阶段后，减速阶段每一个规划周期代入期望速度计算公式计算期望速度，公式如下：

其中，减速阶段当前时刻的角度，

为通过余弦值表查表得到的当前时刻的角度对应的余弦值。

在减速阶段的每一个速度规划周期内，向公式(4)中代入相应的当前时刻的角度，即可得到对应速度规划周期内的期望速度值，然后根据步骤3.2和步骤3.3将计算所得的期望速度指转换为自动重装载值数值的大小，进行智能手套机的运动控制。

对本申请加速阶段的速度公式进行微分，可得到加速阶段的加速度公式为：

对减速阶段的速度公式进行微分，可得到减速阶段的加速度公式如下：

可见，本申请的加速度值相较于S型曲线，加速度更加连续，没有突变，实现了速度的平稳变化，有效减少了手套机电机运行过程中过冲、失步和振动等现象，提高了运行的稳定性。

优选本申请智能手套机的处理器为STM32F407，其资源丰富并且处理性能较高。

以下通过实施例进一步说明本申请的智能手套机电机柔性速度控制方法的运行效果。

实施例1中采用了本发明的柔性速度控制方法，用MATLAB编程，仿真求得对应的图像。本实验例包含匀速阶段，包括了加速、匀速、减速三个速度控制阶段，本实施例中设定的系统参数与计算过程的实时参数如表1和表2所示。

表1设定的系统参数

初始参数	a<sub>max</sub>	v<sub>max</sub>	v<sub>s</sub>	v<sub>e</sub>	S
						参数值	1000mm/s<sup>2</sup>	100mm/s	20mm/s	20mm/s	40mm

表2计算过程的实时参数

时间(ms)	t<sub>1</sub>＝125.7	t<sub>2</sub>＝249.2	t<sub>3</sub>＝125.7	t＝500.6
					位移(mm)	S<sub>1</sub>＝7.54	S<sub>2</sub>＝24.92	S<sub>3</sub>＝7.54	S＝40

在MATLAB中运行后，得出对应图3的速度曲线图和对应图4的加速度曲线图，由表1和表2中可知，运行完成后，完成设定位移，由图3、图4可知，最大速度能够达到设定的最高速度，并以此速度运行一段时间。整个过程速度平滑，加速度连续，没有突变。

实验例2中采用了本发明的柔性速度控制方法，用MATLAB编程，仿真求得对应的图像。本实验例不包含匀速阶段，包括了加速、减速两个速度控制阶段，本实施例中设定的系统参数与计算过程的实时参数如表3和表4所示。

表3设定的系统参数

初始参数	a<sub>max</sub>	v<sub>max</sub>	v<sub>s</sub>	v<sub>e</sub>	S
						参数值	1000mm/s<sup>2</sup>	100mm/s	20mm/s	20mm/s	10mm

表4计算过程的实时参数

时间(ms)	t<sub>1</sub>＝125.3	t<sub>2</sub>＝0	t<sub>3</sub>＝125.3	t＝250.6
					位移(mm)	S<sub>1</sub>＝5	S<sub>2</sub>＝0	S<sub>3</sub>＝0	S＝10

在MATLAB中运行后，得出对应图5的速度曲线图和对应图6的加速度曲线图，由表3和表4中可知，运行完成后，完成设定位移，由图5、图6可知，整个过程由于设定位移短，运行速度没有达到最大的期望速度，实际达到的最大速度值为79.79mm/s，加速阶段速度达到最大之后，进入了减速阶段。整个过程速度平滑，加速度连续，没有突变。

本申请中，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。