运动控制系统s曲线加减速的实现方法

【专利摘要】一种运动控制系统S曲线加减速的实现方法，1)S曲线加减速的实现条件：S曲线加减速控制过程的基本限定条件公式如公式(6)：完整的S曲线加减速过程应满足公式(7)，2)S曲线加减速的递推公式：设初始速度为V0；当前采样时刻k，对应的加加速度Jk、加速度ak以及运动速度Vk，则基于前一时刻的各递推公式分别为公式(8)、(9)与(10)，

【专利说明】运动控制系统S曲线加减速的实现方法

【技术领域】

[0001]本技术方案属于运动控制领域，具体是运动控制系统S曲线加减速的实现方法。【背景技术】

[0002]加减速控制是机器人、高性能数控系统等的关键技术。相较于其它方法，S曲线加减速控制具有加速度连续，速度曲线光滑、均匀，运动平稳、无冲击等优势，能够获得较理想的运动控制效果。结合高性能数控、机器人等的实际需求，先后出现了 S曲线加减速的嵌套式前瞻快速算法、实时软件等成果，但其速度规划模型、求解算法及实时性等是该领域研究亟待解决的问题。

[0003]相对而言，现有的S曲线加减速控制方法多采用高性能计算机，通过软件的方式实现。加减速控制过程中，计算机根据指令参数，通过复杂、繁琐的不等式求解运算，确定加减速边界条件与约束条件；而后，根据得到的约束条件，进行速度规划，求解高次方程或不等式，确定各运动段的各时间点、运动速度、加速度等参数。运算量大，对系统实时性，尤其是嵌入式处理器为主的运动控制系统，存在较大影响。

【发明内容】

[0004]结合数控系统、机器人等领域的实际应用，本发明研究分析利用S曲线加减速过程中速度、加速度、加加速度曲线的几何特征及其相互之间的数学关系，通过对其过程及运算的合理规划，适当简化，借助分布式存储与计算等手段，避免现有S曲线加减速控制的复杂、繁琐运算，探索实时性高、便于实现的S曲线加减速控制方法与电路。

[0005]本发明结合高性能数控、机器人等领域的实际控制需求，本技术方案提出了 S曲线加减速的速度规划模型及硬件实现方法，以及相关高性能实时控制电路及逻辑控制芯片，以简化相关运动控制系统的硬、软件，提高运动控制系统实时性、集成度与可靠性，提供闻性能的运动控制解决方案。

[0006]本技术方案的原理说明如下:

[0007]OS曲线加减速过程的运动分析:

[0008]运动控制过程中，平稳、光滑、均匀的S型速度曲线要求运动段的速度-时间变化曲线处处连续、可导；同时要求运动段的加加速度、加速度与速度变化曲线相互之间满足严格的积分关系:

[0009]1.1)加加速曲线

[0010]S曲线加减速的加加速度曲线为依赖运动时间的分段曲线(加减速过程的加加速度曲线如图1所示)，假定加加速度大小为JM，假定当前时间t、加加速段终点时间h、匀加速段终点时间、减加速段终点时间t2、匀速段终点时间t3、加减速段终点时间t4、匀减速段终点时间t5与减减速段终点时间t6，根据加加速度曲线，得到加加速度J的计算公式(I):

【权利要求】

1.一种运动控制系统S曲线加减速的实现方法，其特征是 S曲线加减速的完整过程分为7个运动段，它们是加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段与减减速段； 本方法中用到的参数定义为:加加速度大小为JM、当前时间t、加加速段终点时间h、匀加速段终点时间h、减加速段终点时间t2、匀速段终点时间t3、加减速段终点时间t4、匀减速段终点时间t5与减减速段终点时间t6 ;采样时间Λ t ;加速度最大值aM ；

t0> t2、t3、t4、t5 与 t6 分别对应的采样时刻 nt(l、ntl、nt2、nt3、nt4、nt5 与 nt6 ； 1)S曲线加减速的实现条件: S曲线加减速控制过程的基本限定条件公式如公式(6)，即S曲线加减速过程的加加速、减加速、加减速与减减速时间相等，加速度变化量与速度变化量大小相等，符号不同；

2.根据权利要求1所述运动控制系统S曲线加减速的实现方法，其特征是基于该方法的运动控制系统S曲线加减速的运动规划如下: I) S曲线加减速的运动规划:` 1.1) S曲线加减速过程利用速度及其变化量作为各运动段转换的控制条件: 运动规划时，要求加加速段、减加速段、加减速段、减减速段速度变化量相等，且都小于整个加速过程或减速过程速度变化总量的50%，从而使加减速过程包含S曲线加减速的所有运动段，实现平滑的运动效果； `1.2)按速度变化将S曲线加减速分为均速运动、加速运动与减速运动三种类型，分别加以实现； 均速运动指令的构成包括速度与位移；均速运动的加减速过程包含S曲线加减速的所有运动段；运动经加加速、匀加速与减加速达到指令速度然后开始匀速运动；而后经加减速、匀减速与减减速恢复初始速度，同时达到指令位移； 加速运动指令的构成包括起始速度、终止速度与位移；加速运动的加减速过程为左半S曲线，运动由起始速度开始，经加加速、匀加速与减加速增至终止速度，然后保持匀速运动，最终达到指令位移； 减速运动指令的构成包括起始速度、终止速度与位移，减速运动的加减速过程为右半S曲线，运动由起始速度开始，经加减速、匀减速与减减速等运动段，速度降至终止速度并保持匀速运动，最终达到指令位移； 2)异常处理: 情形a、在均速运动的加加速段、加速运动的加加速段以及减速运动的加减速段，如果其加速度达到aMax或_aMax，则S曲线加减速运动不再等到加加速段或加减速段的速度变化量达到加加速段或加减速段速度变化量的预定值，而是直接进入匀加速段或匀减速段；情形b、在均速运动的加加速段、匀加速段或减加速段，如果当前位移达到指令位移量的50%，S曲线加减速运动不再等到加加速段、匀加速段或减加速段的速度变化量达到预定值，而是直接进入相应的减减速段、匀减速段或加减速段。 情形C、如果当前位移达到指令位移，则结束本次加减速控制。

3.根据权利要求2所述运动控制系统S曲线加减速的实现方法，其特征是所述运动规划中: 所述1.1) S曲线加减速过程利用速度及其变化量作为各运动段转换的控制条件中: 加加速段以及减加速段速度变化量都取加速过程速度变化总量的1/4、3/8、7/16或`15/32 ； 加减速段以及减减速段速度变化量都取减速过程速度变化总量的1/4、3/8、7/16或`15/32 ； 匀加速段的速度变化量都取加速过程速度变化总量的1/2、1/4、1/8或1/16 ； 匀减速段的速度变化量都取减速过程速度变化总量的1/2、1/4、1/8或1/16 ； 所述2)异常处理中: 情形a中，所述预定值是 加加速段速度变化量取加速过程速度变化总量的1/4、3/8、7/16或15/32 ； 加减速段速度变化量取减速过程速度变化总量的1/4、3/8、7/16或15/32 ； 情形b中，所述预定值是 加加速段速度变化量取加速过程速度变化总量的1/4、3/8、7/16或15/32 ； 减加速段速度变化量取加速过程速度变化总量的1/4、3/8、7/16或15/32 ；匀加速段速度变化量取加速过程速度变化总量的1/2、1/4、1/8或1/16 ；

4.根据权利要求2所述运动控制系统S曲线加减速的实现方法，其特征是基于该方法的S曲线加减速控制方法，其特征是: 设初始速度为Vtl ;当前采样时刻k，对应的加加速度Jk、加速度ak以及运动速度Vk ； (1)速度控制: 设脉宽计数值Cntci，脉间计数值cnt，基准时钟周期Tcx，则通用的驱动脉冲频率f的算式(11):

5.根据权利要求4所述运动控制系统S曲线加减速的实现方法，其特征是所述S曲线加减速控制方法所控制的运动通过伺服电机实现，采用驱动脉冲结合方向控制信号的方式，脉冲频率控制运动速度，脉冲数量控制位移量大小；通过专用定时器实现驱动脉冲的脉宽与脉间，调节该定时器计数值，进而实现脉宽、脉间与脉冲频率的控制。

6.根据权利要求4或5所述运动控制系统S曲线加减速的实现方法，其特征是所述S曲线加减速控制方法中，步当量δ取I μπι，基准时钟周期50ns即20MHz，驱动脉冲脉宽取定值I μ S，则脉宽计数值Cntci为20，则: (I)对于速度控制: 由此得到速度V (单位mm/s)与计数值cnt的关系式(12):

7.根据权利要求4所述运动控制系统S曲线加减速的实现方法，其特征是对于所述S曲线加减速控制方法，采用该方法的控制系统的工作过程如下: 加减速控制分为三种运动模式，分别为:均速运动模式、加速运动模式与减速运动模式。 上电以后，控制系统进入空闲状态；有加减速指令送入，控制系统获取指令参数，指令参数包括加加速度、平均速度、指令位移、起始速度和终止速度，然后进入运动初始化状态；初始化状态下，控制系统根据指令参数判别加减速模式，初算各段速度变化量与匀加速段的起始速度Vf、终止速度Vs ； 运动初始化完成，系统开始S加减速控制过程，加加速度与加速度定时积分，求取即时加速度、速度并计算速度控制量cnt，由脉冲发生电路产生相应驱动脉冲，实现相应的运动段； 初始化结束后，若指令为均速运动模式或加速运动模式，控制系统转入加加速状态；若为减速运动模式，控制系统转加减速状态； 加加速状态下，情形1，即时加速度a >aMax，控制系统将即时速度V作为新的匀加速段起始速度Vf存储，同时重算并存储匀加速段终止速度Vs，而后转入匀加速状态；情形2，若a Vf，则控制系统直接进入匀加速状态； 匀加速状态，即时速度V ^ Vs，控制系统进入减加速状态；而后的减加速状态下，当加速度减至O值，控制系统存储即时位移s作为匀速段起始位移Lf，进入匀速运动状态；匀速运动状态下，若为均速运动模式且位移s ^ L-Lf,控制系统转加减速状态；若为加速运动模式且即时位移s ^ L，控制系统转空闲态，加减速控制结束； 加减速状态，控制系统等到即时速度V降至Vs后进入匀减速状态；然而，如果加减速状态下，出现a ( -aMax的情况，控制系统将即时速度V作为\，同时重算速度Vf并存储，直接转入匀减速状态；匀减速状态，即时速度V < Vf，系统进入减减速状态；最后，减减速状态下，即时位移S ≥ L，控制系统转空闲态，加减速控制结束； 均速运动模式下，在加加速段、匀加速段、减加速段的任何时刻，若当前位移是指令位移的50%，则控制系统直接进入加减速段；减速运动模式下，在减速运动过程的任意时刻，若当前位移达到指令位移，则控制系统直接进入空闲状态，加减速控制结束；加速运动模式下，在加速运动过程的任意时刻，若当前位移达到指令位移，控制系统直接进入空闲状态，加减速控制结束。

【文档编号】G05B19/416GK103713581SQ201310683011

【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日

【发明者】张建华, 李宏胜, 葛红宇, 王建红, 樊红梅, 邵祥兵 申请人:南京工程学院