一种带离线校准的往复运动整数脉冲控制方法及系统

本发明涉及机电运动控制、步进电机数字驱动、可编程往复运动发生及实验装置离线校准，具体为一种带离线校准的往复运动整数脉冲控制方法及系统。

背景技术：

1、往复机电系统、动力输出装置和能量转换部件的实验评价，常要求驱动端按照已知幅值、频率和相位关系重复运动。传统做法可分为数值仿真、带实时动态耦合的硬件在环（hardware-in-the-loop，hil）试验、干式强迫运动试验、多自由度机器人运动复现以及水槽或现场试验。各方法的边界不同：硬件在环通常在实时数值模型、物理执行器和被测部件之间形成闭环；干式强迫运动则把已知运动作为部件边界，用于在进入水槽或现场阶段前进行重复性试验。

2、公开文献中，已有报道包含实时水动力反作用的干式动力输出装置试验台，海浪能系统的硬件在环试验架，采用六自由度机器人复现记录的波浪和浮体运动的装置，以及把干式机电性能试验与湿式水槽试验作为连续验证阶段的技术路线。这些方案说明，实验室运动发生器可以采用实时闭环耦合，也可以采用预定运动边界，两者不是相互替代关系。前者在运行中形成实时闭环，后者在一次运行中按预先确定的指令序列执行，属于前馈开环执行；本发明属于后者，并通过运行之间的离线校准修正系统性偏差。

3、与本发明最接近的实现思想，是在运行前给定正弦位移参数，由计算机生成步进电机脉冲序列，再由微控制器向驱动器输出脉冲和方向信号，驱动步进电机及齿条齿轮机构产生往复直线运动。典型硬件链包括参数文件、轨迹和指令生成程序、微控制器、微步驱动器、两相步进电机、机械传动机构及位移传感器。若只对各采样点的连续脉冲需求独立取整、直接按理想延时执行，或者在每个周期存储整段重复数据，则会分别产生累计位置误差、周期偏差和程序存储占用问题。

4、相关现有技术存在以下技术问题：

5、其一，连续轨迹独立取整可能导致累计漂移：连续位移换算得到的相邻脉冲需求通常为非整数，若每个采样间隔独立四舍五入而不携带余数，取整误差可能在多个采样点或多个周期内累积；其二，理想延时不等于实际周期：数字输入输出翻转、循环判断、程序存储器读取和函数调用均占用处理器时间，若只按理论半脉冲周期延时，实际周期会系统性变长；其三，名义齿轮半径不能完全代表有效运动尺度：齿条齿轮有效节圆半径、安装误差、传动间隙和传感器比例误差可能共同表现为幅值尺度偏差；其四，重复数据占用程序存储空间：当长时试验由相同周期重复组成时，逐点保存完整设计时域会重复存储相同的指令；其五，参数和代码容易失配：若参数散落在多个位置，或缺失参数时静默采用默认值，生成的程序可能与拟定试验条件不一致；其六，运行前缺少闭合和一致性检查：仅观察生成曲线而不从整数指令反算累计脉冲和直线位移，难以及时发现符号错误、残差未闭合、饱和、错误列选择或终点不归零；其七，将离线校准误写为实时反馈会造成控制边界不清。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供一种带离线校准的往复运动整数脉冲控制方法及系统，以克服现有技术在连续轨迹到整数脉冲转换时的累计量化漂移、微控制器指令开销引起的周期偏差、有效传动尺度误差引起的幅值偏差、重复周期的存储占用以及执行前缺乏可追溯验证等不足。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种带离线校准的往复运动整数脉冲控制方法，用于使步进电机经旋转-直线转换机构复现规定的往复位移轨迹，包括以下步骤：

4、s1、从参数工作簿按参数名称读取目标幅值a、激励频率f、有效齿轮节圆半径rp、电机整步角α、微步细分因子m、设计时域d、命令间隔δt以及每脉冲软件执行开销τ；

5、s2、由规定位移轨迹得到各采样间隔的连续增量脉冲需求δni，或从参数工作簿的指定数据列读取该连续增量脉冲需求；

6、s3、以误差反馈整数累加器对连续增量脉冲需求逐点整数化，得到有符号整数脉冲指令si，其中上一采样点未执行的分数脉冲余数被传递至下一采样点参与整数化；

7、s4、对每条有符号整数脉冲指令计算执行延时，形成由有符号整数脉冲数与延时构成的整数脉冲及定时表，并生成供嵌入式控制器执行的控制程序；

8、s5、嵌入式控制器在运行中按所述整数脉冲及定时表逐条输出脉冲与方向信号，经微步驱动器驱动步进电机，运行中不根据位移测量值改变当前指令，构成前馈开环执行；

9、s6、一次运行结束后，由位移传感器的记录离线获得实测周期tmeas与实测幅值ameas，按实测周期更新每脉冲软件执行开销τ，按实测幅值更新有效齿轮节圆半径rp，将更新后的参数写回参数工作簿，重新生成并重新烧录控制程序，再进行下一次运行。

10、进一步地，整数化采用如下方式：设上一采样点后的携带余数为，先计算，再对acci进行最邻近整数取整并限制在16位有符号整数范围内得到si，然后按将未执行的分数余数传递至下一采样点。未触发饱和时，最邻近整数取整使携带余数保持在±0.5脉冲以内。

11、进一步地，本发明还包括净残差闭合机制：对所选指令序列计算净残差rs=∑si；当rs=0时不追加指令，仅当rs≠0时追加作为闭合修正指令，且该闭合修正指令占用一个额外执行间隔，不被隐含计入名义周期。

12、进一步地，本发明还包括周期性检测与单周期存储机制：同时检验每周期采样数t/δt与设计时域周期数d/t是否在设定容差内为整数，且增量序列长度不小于每周期采样数；满足时仅存储一个周期的指令并由嵌入式控制器循环执行，否则存储完整序列；当启用覆盖数据列时，除非确认覆盖数据本身为一个完整周期，否则禁止单周期存储，以避免把测量或经验序列误当作周期数据。

13、进一步地，脉冲时序采用软件执行开销补偿：对非零指令si，名义半周期延时按binz=max[2,min(65535,round(δt×106/(2|si|)))]微秒计算，对零指令执行bipause=min[65535,round(δt×1000)]毫秒暂停；实际编程的高、低电平延时为微秒，其中为整数半开销，2微秒为最小延时保护值。

14、进一步地，离线校准更新采用：与，其中ttarget=1/f为目标周期，atarget为目标幅值，nperiod为连续近似的每周期脉冲路径数，τold与rp,old为产生本次记录时实际采用的旧参数；并以可配置的周期误差阈值δt与幅值误差阈值δa判断迭代终止，其中周期误差，幅值误差。实测周期与幅值优先由带时间戳位移记录经三点中值滤波和粗、细两级最小二乘正弦拟合获得，无时间戳记录时由多周期平均极值人工输入。

15、进一步地，本发明还包括执行前指令空间验证：从最终整数脉冲及定时表反算累计脉冲pospulses,i与重构直线位移，检验终端累计脉冲是否为零，并将重构位移与同一离散时刻的理想轨迹比较；验证不通过时返回指令生成步骤而不进入运行。

16、进一步地，每脉冲直线位移分辨率按rp·αeff确定；当指定数据列不可读且未启用覆盖数据列时，按s(t)=a·sin(2πft)、θ(t)=s(t)/rp与每脉冲角分辨率αeff离线合成所述连续增量脉冲需求。

17、进一步地，参数完整性保障为：当目标幅值、有效齿轮节圆半径、激励频率、电机整步角、微步细分因子、设计时域或命令间隔中任一参数缺失时，中止生成并报告错误；当每脉冲软件执行开销τ缺失时，发出明确警告并采用标记为未校准来源的0微秒/脉冲回退值，避免把回退值误认为已校准值。

18、进一步地，每脉冲直线位移分辨率按rp·αeff确定，重构直线位移由累计脉冲pospulses,i与所述分辨率相乘得到。

19、进一步地，在系统的一种实施方式中，微步驱动器的pul+、dir+与ena+端共同连接+5v公共正端（共阳极接法），嵌入式控制器的脉冲输出引脚连接微步驱动器的端、方向输出引脚连接端，端悬空，微步驱动器由直流电源供电；所述直流电源、微步细分设置与电机相线接线构成供电、微步及接线配置。该接线方式与预计算指令表配合，有利于脉冲和方向信号的确定性传递。

20、一种带离线校准的往复运动整数脉冲控制系统，包括：

21、参数工作簿，用于存储参数，包括目标幅值a、激励频率f、有效齿轮节圆半径rp、电机整步角α、微步细分因子m、设计时域d、命令间隔δt以及每脉冲软件执行开销τ；

22、运动与指令生成模块，用于从参数工作簿按名称读取所述参数，利用所述参数和规定的往复位移轨迹得到连续增量脉冲需求δni，将δni整数化为有符号整数脉冲指令si，并利用si、δt和τ生成整数脉冲及定时表和控制程序；

23、离线指令与运动验证模块，用于利用整数脉冲及定时表以及有效齿轮节圆半径rp、电机整步角α、微步细分因子m反算累计脉冲和重构直线位移，验证终端累计脉冲为零，并将验证通过的整数脉冲及定时表输出至嵌入式控制器；

24、嵌入式控制器，用于按整数脉冲及定时表逐条输出脉冲与方向信号；

25、微步驱动器、步进电机和旋转-直线转换机构，用于接收脉冲与方向信号并复现规定的往复位移轨迹；

26、位移传感器及记录模块，用于记录运行中的位移，并将位移记录输出至离线参数校准模块；

27、离线参数校准模块，用于利用位移记录以及目标幅值a、激励频率f、有效齿轮节圆半径rp获得实测周期tmeas与实测幅值ameas，并更新每脉冲软件执行开销τ和有效齿轮节圆半径rp；

28、参数回写与重新部署模块，用于将更新后的每脉冲软件执行开销τ和有效齿轮节圆半径rp写回参数工作簿，并触发运动与指令生成模块重新生成整数脉冲及定时表和控制程序以及嵌入式控制器重新烧录。

29、进一步地，整数脉冲及定时表以每条指令含16位有符号脉冲数与16位无符号延时的结构数组形式存储于嵌入式控制器的程序存储器中，并由嵌入式控制器循环执行。

30、进一步地，所述嵌入式控制器为具有程序存储器与通用数字输出引脚的可编程控制器，所述微步驱动器为微步细分因子可设定的两相微步驱动器，所述步进电机为两相混合式步进电机。

31、进一步地，嵌入式控制器每完成预先设定的整数次指令表执行后，所述整数次在烧录控制程序前确定，经串行接口输出周期计数报告。

32、进一步地，所述规定的往复位移轨迹为下列之一：单一频率的正弦轨迹；由两个或两个以上不同幅值与频率的正弦分量叠加而成的预定义往复轨迹；以及以离散采样序列给出的预定义往复轨迹。

33、进一步地，所述旋转-直线转换机构为下列之一：齿条齿轮机构；丝杠螺母机构；同步带机构；链传动机构；以及具有确定的每转直线位移当量的旋转-直线转换机构；每脉冲直线位移分辨率由该当量与每脉冲角分辨率的乘积确定。

34、进一步地，所述方法按几何相似关系应用于不同尺度的往复运动装置：目标幅值与有效齿轮节圆半径按同一长度缩尺比换算，激励频率按相应的时间缩尺比换算，所生成的整数脉冲及定时表随之改变而所述生成步骤保持不变。

35、总的说来，本发明具有如下优点：

36、（1）降低累计量化漂移：误差反馈整数累加器把每个采样点未执行的分数脉冲带到后续采样点，并对周期净残差进行闭合检查；（2）提高周期一致性：把实测周期误差换算为每脉冲软件执行开销τ并在高、低电平延时中补偿，减少由数字输出和循环执行造成的系统性延长；（3）提高幅值尺度一致性：以实测幅值与目标幅值之比更新有效齿轮节圆半径rp，使传动和测量链中的系统性尺度偏差在周期间得到修正；（4）保持执行确定性和可重复性：运行中采用前馈开环执行，不根据传感器数据改变当前指令，相同指令表在相同硬件设置下产生相同数字输出序列；（5）降低微控制器存储占用：对严格周期轨迹只存储一个周期并循环执行，实施例中仅需400字节，约为完整40周期表的四十分之一；（6）提高参数可追溯性：参数按名称从同一来源读取，必要参数缺失时中止，τ缺失时明确警告并标记未校准回退来源；（7）提高运行前可发现性：烧录前从最终整数脉冲表反算累计位置和直线位移，能够发现残差、符号、饱和、列选择和终点闭合问题；（8）明确数字闭合与物理回归的证据边界：指令空间零残差由离线重构证明，机械实际回归由位移测量独立确认。