CN1920722A - 模拟型位置s型平滑命令产生方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟型位置S型平滑命令产生方法，应用于运动命令的平滑化处理，主要采用累积式非对称结构与参考点处理方式，以提供低运算量与高分辨率的演算，进而满足加速和减速过程中实际所需的响应时间。再者，应用模拟型速度S曲线命令产生器的概念，以适用于任意种类的位置命令的平滑处理。

Description

模拟型位置S型平滑命令产生方法

技术领域

本发明涉及一种运动命令平滑处理技术，特别涉及一种模拟型位置S型平滑命令产生方法。

背景技术

伺服模块在运动控制过程中，常因摩擦力和负载惯性的不同，而需要不同的加速和减速的时间设定，因此多借由一命令产生器于运动过程中对运动命令进行平滑化处理，以满足运转时的物理特性。目前平滑命令的产生方式主要是方程式法。

一般来说，点对点的运动都是经由上位控制器或是专用控制器的运算，而将运动命令平滑处理，接着以脉冲形式输入的方式达到定位。然而其均需要先借由事先规划的参数将所需的位置方程式推导出来，因此使用上仍需要大量的数学运算，或是需搭配脉冲产生装置，例如：数字微分分析器，以产生点对点的定位脉冲。

然而，为得到位置命令，使用者需架构于专用功能内，或者是利用高速的运算单元和高分辨率的数学运算器，以进行大量的数学运算，否则无法达到此功能。此外，当位置命令产生器需搭配脉冲产生装置时，也就表示位置命令产生器所提供的分辨率是不足的。再者，由于数字微分分析器主要用以于一段时间内提供均匀的脉冲输出，因此使用者欲得到此功能则需搭配其它硬件来构建，以达到输出零误差，然而如此一来使用者则需额外负担这些硬件的成本。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明的主要目的在于提供一种模拟型位置S型平滑命令产生方法，借以大体上解决先前技术所存在的问题。

本发明所公开的模拟型位置S型平滑命令产生方法，采用累积式非对称结构与参考点处理方式，以构建各种类型的位置S型平滑命令产生装置。

本发明所公开的模拟型位置S型平滑命令产生方法，利用后加减速结构，以应用于伺服驱动器内。

本发明所公开的模拟型位置S型平滑命令产生方法，可使速度与加速度维持连续，且于加速或减速的过程中，使速度维持均匀改变。

本发明所公开的模拟型位置S型平滑命令产生方法，于完成时间满足设定时，可避免运动命令延迟到达的情况发生。

本发明所公开的模拟型位置S型平滑命令产生方法，于加速完成后，有一速度修正的过程。

因此，为达上述目的，本发明所公开的模拟型位置S型平滑命令产生方法，包括下列步骤：首先定义第一位置参考点并且根据时间设定来计算加速与减速的基本累积量；接着，检查内部命令状态，以于加速度与速度为零时，执行状态初始化；根据外部输入命令与移动方向判断处理程序；再进行加速度运算；然后根据所运算的加速度进行速度运算；并据以产生位置S型平滑命令；最后，继续进行状态处理。

其中，外部输入命令为增量型位置命令时，当增量型位置命令往正方向移动，重新计算第二位置参考点；反之，当增量型位置命令往反方向移动时，则设定处理程序进入第三区域；而，外部输入命令为绝对型位置命令时，若外部位置命令与移动方向相同，重新计算第二位置参考点；反之，当位于第一区域时则进入第二区域，而当位于第二区域时则进入第三区域。

再者，当速度状态为加速时，使用加速基本累积量进行加速度运算；当速度状态为减速时，则使用减速基本累积量进行加速度运算；以及于第一区域时，使用减速基本累积量运算，以计算第三区域的镜像加速度，而计算方式与加速度运算相同。

于此，速度的计算方式即为前一次速度命令与加速度的和。并于第一区域时计算第三区域的镜像速度(即前一次镜像速度与镜像加速度的和)。

此外，位置S型平滑命令即为前一次位置S型平滑命令与速度数值的和。且于第一区域时，计算第三区域的镜像位置(即前一次镜像位置与镜像速度的和)。

而状态处理的执行方式如下。首先，参考移动速度或目标速度，计算速度命令参考点，以确认速度是否达到速度命令参考点；然后，于第一区域时，计算预测位置是否达到第一位置命令参考点的一半，以决定速度是否沿中心对称进入第一区域的末区段；接着，当速度到达速度命令参考点或预测位置到达第一位置命令参考点的一半时，速度与加速度沿中心对称进入第一区域的末区段；而当镜像位置到达第一位置命令参考点时，计算第二位置命令参考点；当位置到达第二位置命令参考点，则进入第三区域；以及于第三区域时，当速度达到移动速度的一半时，速度与加速度沿中心对称进入第三区域的末区段。

有关本发明的特征与实例，配合附图作最佳实施例详细说明如下。

附图说明

图1为说明本发明的命令产生方法的结构示意图；

图2为说明根据本发明的一实施例的模拟型位置S型平滑命令产生方法的流程图；

图3为说明图2中“步骤140”的一实施例的流程图；

图4为说明图3中“步骤170”的一实施例的流程图；以及

图5为应用本发明一实施例的模拟型位置S型平滑命令产生方法的模拟型位置S型平滑命令产生装置的仿真结果。

其中，附图标记说明如下：

步骤110执行状态初始化并进行命令前置处理

步骤120当加速度与速度为零时执行状态初始化

步骤130根据外部输入命令与移动方向判断处理程序

步骤140进行加速度运算

步骤150根据所运算的加速度进行速度运算

步骤160根据速度产生位置S型平滑命令

步骤170进行状态处理

步骤141当速度状态为加速时，使用加速基本累积量运算

步骤142当速度状态为减速时，使用减速基本累积量运算

步骤143于第一区域时，使用减速基本累积量运算，以计算第三区域的镜像加速度

步骤171参考移动速度或目标速度，计算速度命令参考点

步骤172于第一区域时，计算预测位置是否达到第一位置命令参考点的一半

步骤173速度与加速度沿中心对称进入第一区域的末区段

步骤174当镜像位置到达第一位置命令参考点时，计算第二位置命令参考点

步骤175当位置到达第二位置命令参考点，进入第三区域

步骤176于第三区域时，当速度达到移动速度的一半时，速度与加速度沿中心对称进入第三区域的末区段

P1 第一位置命令参考点    P2 第二位置命令参考点

BLOCK1 第一区域          BLOCK2 第二区域

BLOCK3 第三区域          S1 第一速度命令参考点

S2 第二速度命令参考点    SECT1 初始区段

SECT2 中间区段           SECT3 末区段

TACC 加速时间常数        TDEC 减速时间常数    TSL 平滑时间常数

具体实施方式

首先说明本发明的主要构想。于本发明中，主要借由累积运算的方式来提供低运算量与高分辨率的演算，以达到运动命令的平滑化处理，进而满足于加减速过程中实际所需的响应时间。再者，本发明中将模拟型速度S曲线命令产生器的概念应用于位置命令的平滑处理，以适用于任意种类的位置命令的平滑处理，例如：模拟型、脉冲型或缓存器型等命令输入方式。

以下举出具体实施例以详细说明本发明的内容，并以附图作为辅助说明。说明中提及的符号参照附图符号。

于此，为说明命令产生方法的结构，定义时间设定与命令参考点，如图1所示。其中，圆形虚线部分表示速度S型平滑命令产生方法的结构，亦即速度命令依据加速度而产生。图中所示的TACC为加速时间常数，TDEC为减速时间常数，TSL为平滑时间常数，S1、S2分别为第一、第二速度命令参考点；P1、P2为第一、第二位置命令参考点。其中，第一速度命令参考点S1位于第一区域BLOCK1内的中间区段和末区段SECT2、SECT3的交界点；第二速度命令参考点S2位于第三区域BLOCK3内的中间区段和末区段SECT2、SECT3的交界点；第一位置命令参考点P1位于第一和第二区域BLOCK1、BLOCK2的交界点；以及第二位置命令参考点P2位于第二和第三区域BLOCK2、BLOCK3的交界点。

根据本发明的原理，主要采用累积式非对称的结构，以速度或位置作为参考点来决定所要进入的区域是否到达，并使速度与加速度曲线沿中心对称，因而任何状态下速度与加速度可为连续的。换句话说，速度曲线在加速区域(即，第一区域BLOCK1)是沿中心对称的，而在减速区域(即，第三区域BLOCK3)是对称的，并且加速度曲线分别在加减速区域中的前后二区段(即，初始区段和末区段SECT1、SECT3)是沿中心对称的。

请参照图2，为根据本发明一实施例的模拟型位置S型平滑命令产生方法的流程图。首先执行状态初始化，即定义第一位置参考点，并且进行命令前置处理，也就是根据时间设定来计算加速与减速的基本累积量(步骤110)；接着，检查内部命令状态，以于加速度与速度为零时，执行状态初始化(步骤120)；根据外部输入命令与移动方向判断处理程序(步骤130)；再进行加速度运算(步骤140)；然后根据所运算的加速度进行速度运算(步骤150)；并据以产生位置S型平滑命令(步骤160)；最后，继续进行状态处理(步骤170)。

事实上，在停止运转前，会反复执行“步骤120”至“步骤170”，以维持位置S型平滑命令的产生。

在此实施例中，加/减速依据马达速度状态决定，并于加速时使用加速基本累积量，减速时使用减速基本累积量。加速度的基本累积量为(额定速度/加速时间常数TACC)/TSL，减速度的基本累积量为(额定速度/减速时间常数TDEC)/TSL。

在“步骤110”中，此第一位置参考点可设定为移动位置量的四分之一。

根据外部输入命令与移动方向判断处理程序(步骤130)。当外部输入命令为增量型位置命令时，若增量型位置命令往正方向移动，重新计算第二位置参考点P2；反之，若增量型位置命令往反方向移动时，则设定处理程序进入第三区域BLOCK3。此外，当外部输入命令为绝对型位置命令时，若外部位置命令与移动方向相同，重新计算第二位置参考点P2；反之，则依据所属区域决定处理程序，也就是当位于第一区域BLOCK1时则设定处理程序进入第二区域BLOCK2，而当位于第二区域BLOCK2时则设定处理程序进入第三区域BLOCK3。

在进行加速度运算(步骤140)的步骤中，加速度在初始区段SECT1为递增，在末区段SECT3为递减，而所在区段的判断根据计数值的大小做决定。其中，当计数值大于平滑时间常数TSL，表示处理程序进入中间区段SECT2；当速度命令到达第一速度命令参考点S1时，则处理程序进入末区段SECT3。

于此，“步骤140”可借由下列步骤来执行，如图3所示。参照图3，当速度状态为加速时，使用加速基本累积量运算(步骤141)；当速度状态为减速时，使用减速基本累积量运算(步骤142)；并且，于第一区域BLOCK1时，使用减速基本累积量运算，以计算第三区域BLOCK3的镜像加速度，而计算方式与加速度运算相同(步骤143)。

在根据得到的加速度进行速度运算(步骤150)的步骤中，速度为前一次速度命令与加速度的和。并且于第一区域BLOCK1时，计算第三区域BLOCK3的镜像速度，即为前一次镜像速度与镜像加速度的和。

其中，根据速度产生位置S型平滑命令(步骤160)的步骤，即为前一次位置S型平滑命令与速度数值的和。且当于第一区域BLOCK1时，则计算第三区域BLOCK3的镜像位置，即为前一次镜像位置与镜像速度的和。

产生位置S型平滑命令后继续进行状态处理(步骤170)，以下列步骤进行，如图4所示。

参照图4，于第一和第三区域BLOCK1、BLOCK3时，参考移动速度(POV)或目标速度，计算第一和第二速度命令参考点S1、S2，即确认速度是否达到速度命令参考点(步骤171)。即于第一区域BLOCK1时，检查速度是否达到第一速度命令参考点S1；于第三区域BLOCK3时，检查速度是否达到第二速度命令参考点S2。也就是，计算速度是否大于一预定值，此预定值为一目标值(即移动速度)与一相对值的差值。其中相对值为加速度与计数值乘积的一半，计数值在初始区段SECT1(即，加速度递增区)为递增，在末区段SECT3(即，加速度递减区)为递减，在中间区段SECT2(即，加速度固定区)为固定。而计数值的范围为0～TSL。

然后，于第一区域BLOCK1时，计算预测位置是否达到第一位置命令参考点P1的一半，以决定速度是否沿中心对称进入第一区域BLOCK1的末区段SECT3(步骤172)。其中，当加速时间常数TACC大于减速时间常数TDEC时，使用镜像位置转换预测位置；反之，当减速时间常数TDEC大于加速时间常数TACC时，则使用位置命令转换预测位置。也就是说，当加速时间常数TACC大于减速时间常数TDEC时，将由速度推算镜像位置，并将推算值与位置命令相加后，再与第一位置命令参考点P1的一半作比较；反之，当减速时间常数TDEC大于加速时间常数TACC时，将由速度推算位置命令，并将推算值与镜像位置相加后，再与第一位置命令参考点P1的一半作比较。

当状态处理满足“步骤171”或“步骤172”时，速度与加速度沿中心对称进入第一区域BLOCK1的末区段SECT3(步骤173)。

当镜像位置到达第一位置命令参考点P1时，计算第二位置命令参考点P2，即为目标值与第一位置命令参考点P1的差值(步骤174)。

当位置(即，实际移动的位置)到达第二位置命令参考点P2，则处理程序进入第三区域BLOCK3(步骤175)。

于第三区域BLOCK3时，速度如达到移动速度的一半，速度与加速度沿中心对称进入第三区域BLOCK3的末区段SECT3(步骤176)。

参照图5，为根据本发明的原理的模拟型位置S型平滑命令产生装置的仿真结果，底图表示加速度的变化情形，中间曲线图代表速度的变化情形，而上图代表位置的变化情形。对应到图1，于图5中可看出外部命令与位置S型平滑命令产生装置(即P曲线)位置为追随的关系，其中，于第一区域中可见镜像速度与镜像加速度的图形，并且于第一区域中结束时，有一段速度修正的过程，借以将移动速度修正至镜像速度，进而解决累积误差的功能。

根据本发明的原理，本发明所公开的模拟型位置S型平滑命令产生方法采用累积式非对称结构与参考点处理方式，以构建各种类型的位置S型平滑命令产生装置；并利用后加减速结构，以应用于伺服驱动器内，并且其速度与加速度是连续的，且于加速或减速的过程中速度改变是均匀的。此外，位置S型平滑命令的完成时间满足设定时，不会发生运动命令延迟到达的情况；再者于加速完成后，具有速度修正的过程。

应用本发明在伺服驱动器内，提供完整与无简化的位置S型平滑命令产生单元，所提供的功能包括模拟型位置S型平滑命令产生装置、脉冲型位置S型平滑命令产生装置、绝对型与增量型缓存器命令的位置S型平滑命令产生装置以及低运算量且低位的定点数运算器。多样的命令处理模式，既使没有上位控制器的支持，伺服驱动器亦可提供完整的解决方案。

虽然本发明前述的较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的普通技术人员在不脱离本发明的构思和范围内，当可作些许的改动与修改，因此本发明的专利保护范围须按本说明书所附的权利要求书的范围为准。

Claims (10)

1.模拟型位置S型平滑命令产生方法，包括下列步骤：

根据一时间设定来计算一加速/减速的基本累积量并定义一第一位置命令参考点；

在计算得该加速/减速的基本累积量后，检查一内部命令，其中当一加速度与一速度均为零时，执行该内部命令的状态初始化；

在检查该内部命令后，根据一输入命令与一移动方向判断一处理程序；

根据该加速/减速的基本累积量进行一加速度的运算；

根据所运算的该加速度进行一速度运算；

根据该速度以产生一位置S型平滑命令；以及

在取得该位置S型平滑命令后，进行状态处理，包括下列步骤：

根据一移动速度和一目标速度中之一计算一速度命令参考点，并比较该速度与该速度命令参考点；

在一第一区域时，计算一预测位置，并比较该预测位置与该第一位置命令参考点；

当该速度到达该速度命令参考点或该预测位置到达该第一位置命令参考点的一半时，使该速度与该加速度沿中心对称进入该第一区域的末区段；

当一镜像位置到达该第一位置命令参考点时，计算一第二位置命令参考点；

当一位置到达该第二位置命令参考点时，进入第三区域；以及

在一第三区域时，比较该速度与该移动速度，其中当该速度到达该移动速度的一半时，使该速度与该加速度沿中心对称进入该第三区域的末区段。

2.如权利要求1所述的模拟型位置S型平滑命令产生方法，其特征在于，根据一时间设定来计算一加速/减速的基本累积量并定义一第一位置参考点的步骤中定义该第一位置参考点为设定该第一位置参考点为一位置移动量的四分之一。

3.如权利要求1所述的模拟型位置S型平滑命令产生方法，其特征在于，当该输入命令为一绝对型位置命令时，根据一输入命令与一移动方向判断一处理程序的步骤中包括下列步骤：

当该位置命令与该移动方向相同时，重新计算一第二位置命令参考点；以及

当该位置命令与该移动方向不同时，依据所属区域决定该处理程序，包括下列步骤：

当位于一第一区域时，设定该处理程序进入一第二区域；以及

当位于该第二区域时，设定该处理程序进入一第三区域。

4.如权利要求1所述的模拟型位置S型平滑命令产生方法，其特征在于，当该输入命令为一增量型位置命令时，在根据一输入命令与一移动方向判断一处理程序的步骤中，包括下列步骤：

当该位置命令的该移动方向为正方向时，重新计算一第二位置参考点；以及

当该位置命令的该移动方向为负方向时，设定处理程序进入一第三区域。

5.如权利要求1所述的模拟型位置S型平滑命令产生方法，其特征在于，根据该加速/减速的基本累积量进行一加速度的运算的步骤中，包括下列步骤：

当加速时，使用该加速基本累积量运算该加速度；

当减速时，使用该减速基本累积量运算该加速度；以及

当于一第一区域时，使用该减速基本累积量运算，以计算一第三区域的一镜像加速度。

6.如权利要求1所述的模拟型位置S型平滑命令产生方法，其特征在于，根据所运算的该加速度进行一速度运算的步骤为计算前一次速度与该加速度的和，其中当在一第一区域时计算一第三区域的一镜像速度，并且该镜像速度为前一次镜像速度与一镜像加速度的和。

7.如权利要求1所述的模拟型位置S型平滑命令产生方法，其特征在于，根据该速度以产生一位置S型平滑命令的步骤为计算前一次位置命令与该度的和，其中当于一第一区域时计算一第三区域的一镜像位置，并且该镜像速度为前一次镜像速度与一镜像加速度的和。

8.如权利要求1所述的模拟型位置S型平滑命令产生方法，其特征在于，根据一移动速度和一目标速度中的一计算一速度命令参考点，并比较该速度与该速度命令参考点的步骤中，包括下列步骤：

当于该第一区域时，计算一第一速度命令参考点，以检查该速度是否达到该第一速度命令参考点；以及

当于该第三区域时，计算一第二速度命令参考点，以检查该速度是否达到该第二速度命令参考点。

9.如权利要求1所述的模拟型位置S型平滑命令产生方法，其特征在于，在于一第一区域时，计算一预测位置，并比较该预测位置与该第一位置命令参考点的步骤中，包括下列步骤：

当一加速时间常数大于一减速时间常数时，使用该镜像位置转换该预测位置；

当该减速时间常数大于该加速时间常数时，则使用该位置命令转换该预测位置；以及

将该预测位置与该第一位置命令参考点的一半相比较。

10.如权利要求1所述的模拟型位置S型平滑命令产生方法，其特征在于，当一镜像位置到达该第一位置命令参考点时，计算一第二位置命令参考点的步骤中为当该镜像位置到达该第一位置命令参考点时，计算一目标值与该第一位置命令参考点的差值。

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