運動控制系統(tǒng)速度平滑技術研究與實現(xiàn)

摘 要：插補算法和速度控制是運動控制系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)除了對插補算法有一定要求，對執(zhí)行機構速度控制的精準度要求也非常高。為了提高執(zhí)行機構的效率和精度，本文研究了速度控制中的T型曲線控制、S型曲線控制模型，并最終在軟件上實現(xiàn)，從而提高了運動控制系統(tǒng)的精準度。

關鍵詞：插補算法；平滑處理；速度控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.240

1 引言

插補算法是實現(xiàn)被控設備精確運行的基礎，他的作用是依據(jù)相關數(shù)據(jù)通過一定方法求出各個軸的分量，最終實現(xiàn)精確的運動軌跡。所以運動控制系統(tǒng)中，插補算法對系統(tǒng)系能起著非常關鍵的作用?；蛘哒f插補技術是，已知運行曲線的一些數(shù)據(jù)，通過一定的計算方法讓數(shù)據(jù)點密化。插補方法常見的有直線插補法、圓弧插補法，其他復雜的插補算法都是以它為基礎。

運動控制系統(tǒng)中，速度平滑技術的優(yōu)劣也會對插補算法的效果產(chǎn)生影響。運動控制系統(tǒng)插補過程中的速度平滑技術，本質(zhì)就是執(zhí)行電機的加減速控制技術。在控制系統(tǒng)的插補過程中，速度控制技術非常重要，電機能否快速啟停、能否迅速達到預設速度、速度調(diào)整算法的效率都會影響到插補執(zhí)行的精準度[1]。

常見的算法模型有直線控制算法、指數(shù)控制算法。另外還可以利用三角函數(shù)構造出控制曲線，這種控制方法使得速度、加速度以及位移均連續(xù)，減弱了對機床的柔性沖擊。盡管三角函數(shù)加減控制法可以實現(xiàn)更加平滑，但因為計算復雜，在控制前須對數(shù)據(jù)進行處理、將算法數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中通過查表實現(xiàn)。三角函數(shù)控制算法的缺點是插補周期長，加工速度慢。本文研究了T型算法控制、S型算法控制及其實現(xiàn)方法[2]。

2 T型算法分析

T型加減速算法的數(shù)學模型表達式為： V（t）=V（0）+A*T （1）

T型算法主要分為三個階段：第一階段是均勻加速階段。V0是初始的運行速度，Vm是最大的運行速度。但是，有時因為目標的位移量太短，不一定非得有勻速階段，所以在第一階段應根據(jù)已經(jīng)走的位移量、目標位移量計算是否有勻速階段；第二階段是勻速階段。加速度大小為零，保持最大速度勻速運動。在第二階段中應根據(jù)走過的位移量、目標位移量計算勻速的步數(shù)、并預測何時減速，并在最后進入減速的階段；第三階段是均勻減速階段。其運動過程和第一階段完全相反，期間將依據(jù)走過的減速步數(shù)和計算的減速步數(shù)比較從而決定是否退出。

程序設計相關函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構設計如表1：

3 S型算法分析

因為T型曲線算法的加速度不是連續(xù)的，加減速在執(zhí)行機構啟動、結(jié)束時因加速度的突變會產(chǎn)生一定沖擊，所以不適合于高精度的數(shù)控系統(tǒng)。而采用S型加減速算法可以解決沖擊問題。

S算法曲線的加減速過程一共分為七階段：加加速階段、勻加速階段、減減速階段、勻速階段、減減速階段、勻減速階段、加減速階段。為了方便算法數(shù)據(jù)的處理，可以讓S曲線對稱。

第一階段：加加速的階段，最高的速度是V1，加加速度大小是J，加速度大小從0勻加速上升到Am。

第二階段：勻加速的階段，最低速度大小是V1、最高速度大小是V2，加速度大小是Am。

第三階段：減加速的階段，加加速度大小是-J、最低速度大小是V2、最高速度大小是Vmax， 加速度大小是從Am勻減速直到0。

第四階段：勻速的階段，以最大速度Vmax勻速運行。第五、六、七階段與一、二、三階段是相反對稱的過程，這里不加以描述。

從上面的分析知道，加速度沒有突變現(xiàn)象，是均勻在變化的，所以采用S型加減速算法能夠消除對執(zhí)行電機的沖擊。位移是速度積分的結(jié)果，速度是加速度積分的結(jié)果，加速度是加加速度積分的結(jié)果，所以最終能夠推導出S型曲線算法的加速度、速度計算公式。

S加減速算法缺點是由于加加速度不連續(xù)因而柔性不太好，加減速過程通過分段連續(xù)實現(xiàn)更加復雜。而采用數(shù)學構造法產(chǎn)生的曲線進行改進，能夠使系統(tǒng)柔性更好的同時還能夠用數(shù)學公式表示，而且程序容易實現(xiàn)。

程序設計相關函數(shù)列表和數(shù)據(jù)結(jié)構如表2：

4 總結(jié)

控制系統(tǒng)除了對插補算法有一定要求，對執(zhí)行機構速度控制的精準度要求也非常高。為了提高執(zhí)行機構的效率和精度，本文研究了速度控制中的T型曲線控制、S型曲線控制模型，并最終在軟件上實現(xiàn)，從而提高了運動控制系統(tǒng)的精準度。T型曲線是實際運用中最普遍的方法，存在加減速突變，適合于低端系統(tǒng)。 采用S型算法實現(xiàn)較難，但是可以減少電機的啟動沖擊，適合于要求較高的系統(tǒng)。S加減速算法缺點是由于加加速度不連續(xù)因而柔性不太好，加減速過程通過分段連續(xù)實現(xiàn)更加復雜。而采用數(shù)學構造法產(chǎn)生的曲線進行改進，能夠使系統(tǒng)柔性更好的同時還能夠用數(shù)學公式表示，而且程序容易實現(xiàn)。

參考文獻：

[1]張志強，汪文津，王太勇.基于開放式計算機數(shù)控系統(tǒng)的插補軟件模塊開發(fā)[J].機床與液壓，2010（20）.

[2]崔鐵.數(shù)控機床的嵌入式運動控制器的設計[D].東北大學，2009.

作者簡介：石平政（1985-），男，湖北陽新人，碩士研究生，助講，研究方向：機電控制、電路系統(tǒng)。