实现运动控制系统s曲线加减速的控制电路的制作方法
【专利摘要】一种实现运动控制系统S曲线加减速的控制电路，CPU总线接口电路把加加速度、平均速度、起始速度、终止速度与指令位移参数写入指令参数寄存器中的相应寄存器，电路响应外部请求，送出本电路的工作状态；初始化电路读取指令参数寄存器中的指令参数，计算速度变化总量并合理规划各段速度变化量；加加速度积分电路和加速度积分电路执行积分运算，并写入执行寄存器中的相应寄存器；驱动脉冲脉间计算电路读取速度寄存器，计算驱动脉冲的脉间计数值；脉冲发生电路利用脉间计数值对基准时钟计数，实现所需要的驱动脉冲；位移控制电路对输出的驱动脉冲计数，计算输出位移并写入位移寄存器；状态转换与控制电路响应基准时钟，控制本S曲线加减速控制电路有序协调动作。
【专利说明】实现运动控制系统S曲线加减速的控制电路
【技术领域】
[0001]本技术方案属于运动控制领域，具体是一种实现运动控制系统S曲线加减速的控制电路。
【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):[0011 ]
【权利要求】
1.一种实现运动控制系统S曲线加减速的控制电路，其特征是在使用时候，本S曲线加减速控制电路接收来自外部的运动控制指令，根据指令参数计算在S曲线加减速运动段的各运动时刻的加速度、速度以及速度控制量；而后，根据速度控制量，动态调节脉间与脉冲频率，产生符合控制指令的伺服电机驱动脉冲； S曲线加减速控制电路包括:CPU总线接口电路、指令参数寄存器、初始化电路、加加速度积分电路、加速度积分电路、执行寄存器、状态转换与控制电路、驱动脉冲发生电路、位移控制电路和驱动脉冲脉间计算电路； CPU总线接口电路包括并行总线接口电路与SPI总线接口电路； 所述指令参数寄存器包括加加速度寄存器、平均速度寄存器、起始速度寄存器、终止速度寄存器与指令位移寄存器； 所述执行寄存器包括位移寄存器、速度寄存器、加速度寄存器和运动状态寄存器； 各部分功能及作用如下: CPU总线接口电路把加加速度、平均速度、起始速度、终止速度与指令位移参数写入指令参数寄存器中的相应寄存器，本S曲线加减速控制电路响应外部请求，送出本S曲线加减速控制电路的工作状态； 初始化电路读取指令参数寄存器中的指令参数，计算速度变化总量并合理规划各段速度变化量； 加加速度积分电路和加速度积分电路执行积分运算，分别求取即时加速度和速度，并与入执行寄存器中的相应寄存器；· 驱动脉冲脉间计算电路读取速度寄存器，根据即时速度计算驱动脉冲的脉间计数值；脉冲发生电路利用脉间计数值对基准时钟计数，实现所需要的驱动脉冲； 位移控制电路对输出的驱动脉冲计数，计算输出位移并写入位移寄存器； 状态转换与控制电路响应基准时钟，根据运行状态、即时速度、加速度修改本S曲线加减速控制电路运行状态，控制本S曲线加减速控制电路有序协调动作。
2.根据权利要求2所述的实现运动控制系统S曲线加减速的控制电路，其特征是本控制电路电路的设计中的参数要求如下: (I)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的算式为公式(11):1f - 1η ηI% ? Jr I
(cnt + cnt0)TCK 步当量S取I μ m，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CntciS 20，则对于(I)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): v—0—s— 1^ir3 — 2_o3麵 F /</ ——rt —XlImi
(cnt+ CntnWck (c?/ + 20)50 X IO^9 cnt + 20
则速度控制量cnt的算式为公式(13):
3.根据权利要求2所述的实现运动控制系统S曲线加减速的控制电路，其特征是本S曲线加减速控制电路运行状态定义与状态转换条件如下: 本加减速控制电路的设置10种运行状态，见表1: 表1加减速控制电路的运行状态
4.根据权利要求2所述的实现运动控制系统S曲线加减速的控制电路，其特征是还包括段间转换寄存器，段间转换寄存器包括匀速段起始位移寄存器、匀加速段终止速度寄存器和匀加速段起始速度寄存器； 本加减速控制电路工作过程如下: 上电以后，本S曲线加减速控制电路电路进入空闲状态； 写信号有效，电路转数据传送状态，总线接口响应写信号WR，依次写入加加速度、平均速度、指令位移、起始速度和终止速度； 加减速使能信号有效，运动初始化状态被激活，电路读取指令参数寄存器，根据写入的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 ； 空闲状态下，加减速使能信号也会激活运动初始化状态，此时电路直接读取指令参数寄存器进行初始化； 运动初始化完成后，本S曲线加减速控制电路开始S曲线加减速控制过程，加加速度与加速度积分电路?ο μ S积分一次，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，若指令为均速运动或加速运动(m=0，l)，本S曲线加减速控制电路转入加加速状态；若指令为减速运动模式(m=2)，本S曲线加减速控制电路转加减速态； 加加速状态，若即时加速度a > aMax，本S曲线加减速控制电路将即时速度V作为新的匀加速段起始速度Vf存入段间转换寄存器，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；若a < aMax且V > Vf，电路直接进入匀加速状态；匀加速状态，即时速度V^ Vs,电路进入减加速状态； 而后的减加速状态，当加速度减至O值，本S曲线加减速控制电路存储即时位移s作为匀速段起始位移Lf，进入匀速运动状态； 匀速状态下，若为均速运动(m=0)且位移s ^ L-Lf,电路转加减速态；若为加速运动(m=l)且即时位移s 3L，本S曲线加减速控制电路转空闲态，完成加减速控制； 加减速状态，电路等到即时速度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，电路将即时速度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,电路进入减减速状态； 最后，减减速状态下，即时位移s > L，本S曲线加减速控制电路转空闲态，完成加减速控制； 转换条件⑩..@为均速运动(m=0)模式下的异常处理，在加加速、匀加速、减加速段的任何时刻，若当前位移达到指令位移的50%，本S曲线加减速控制电路直接越过正常处理进入加减速段； 转换条件# 为减速运动(m=2)模式下的异常处理，在运动的任意时刻，若当前位移达到指令位移，本S曲线加减速控制电路直接进入空闲状态，完成加减速控制； 转换条件fW?-杏为加速运动(m=l)模式下的异常处理，在运动的任意时刻，若当前位移达到指令位移，本S曲线加减速控制电路直接进入空闲状态，完成加减速控制。
【文档编号】G05D13/62GK103713660SQ201310684405
【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】葛红宇, 李宏胜, 张建华, 王建红, 樊红梅, 邵祥兵 申请人:南京工程学院