【產(chǎn)品應(yīng)用】ZMC600E運(yùn)動(dòng)控制器T型、S型速度規(guī)劃詳解

導(dǎo)讀

想深入了解ZMC600E運(yùn)動(dòng)控制器的速度規(guī)劃嗎？T型線性加減速簡(jiǎn)潔高效，S型過渡自然減震，避免沖擊。通過合理的規(guī)劃選擇，可有效提升設(shè)備精度、效率與性能。深入探索其核心，為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的控制賦能。

ZMC600E?是廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司開發(fā)的最新一代高性能智能總線型控制器，是面向工廠智能化時(shí)代的機(jī)器人控制器。ZMC600E采用多核異構(gòu)應(yīng)用處理器為核心，其內(nèi)核包括2個(gè)64位的Arm?Cortex?-A53核，主頻1.0GHz；4個(gè)Cortex?-R5F內(nèi)核，主頻800MHz。同時(shí)板載1GB DDR4、4GB eMMC以及32KB FRAM。

ZMC600E EtherCAT主站控制器為了滿足不同的自動(dòng)化應(yīng)用需求，在硬件接口上面，精心設(shè)計(jì)了1路EtherCAT主站接口，ms 周期任務(wù)抖動(dòng)?±5μs 以內(nèi)；3 路以太網(wǎng)接口，其中1路是千兆網(wǎng)口；2路RS485；2路CAN；32個(gè)用戶I/O，其中16路DI，16路DO，輸入支持最多2路正交編碼或兩路脈沖計(jì)數(shù)；1個(gè)USB3.0接口；支持TF卡；系統(tǒng)電源采用高穩(wěn)定隔離電源，支持掉電檢測(cè)；提供多種程序加密手段，保護(hù)用戶應(yīng)用軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

ZMC600E 示意圖及接口圖如下所示：

圖1 產(chǎn)品示意圖

圖2 ZMC600E接口圖

ZMC600E EtherCAT主站控制器為設(shè)備制造商提供多軸數(shù)、多IO點(diǎn)數(shù)控制的新一代可靠智能的運(yùn)動(dòng)控制解決方案，提供T型、S型速度規(guī)劃算法，可以廣泛應(yīng)用于注塑行業(yè)、沖壓行業(yè)、車床行業(yè)、搬運(yùn)碼垛、關(guān)節(jié)機(jī)器人、噴涂、玻璃機(jī)、壓鑄機(jī)、包裝設(shè)備、3C設(shè)備、鋰電池設(shè)備、紡織、流水線工作站、非標(biāo)自動(dòng)化裝備、特種機(jī)床等高端設(shè)備應(yīng)用。

速度規(guī)劃的概念

速度規(guī)劃這里特指，在已知運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)和完整路徑的情況下，基于給定的時(shí)間約束, 最大速度約束和最大加速度減速度約束的條件，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)的速度隨時(shí)間的曲線。速度規(guī)劃是運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其核心目的是為機(jī)械設(shè)備或機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)路徑上設(shè)計(jì)合適的速度曲線，以確保整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的平滑性、效率、安全性和舒適性。合理的速度規(guī)劃能夠有效提升設(shè)備的運(yùn)行效率、精度和穩(wěn)定性，同時(shí)減少能耗和機(jī)械磨損。因此，在自動(dòng)化系統(tǒng)中，速度規(guī)劃是提高性能和可靠性的核心技術(shù)之一。常用的速度規(guī)劃主要為T型和S型速度規(guī)劃算法。

T型規(guī)劃

T型規(guī)劃，也稱為梯形速度規(guī)劃，是工業(yè)界最廣泛采用的形式，它是一種時(shí)間最優(yōu)的簡(jiǎn)單速度規(guī)劃方法。它通常包括三個(gè)階段：加速、勻速和減速。在加速階段，速度從零逐漸增加到設(shè)定的最大速度；在勻速階段，速度保持恒定；在減速階段，速度逐漸減小到零。

T型速度規(guī)劃圖示如下：

圖3 T型速度規(guī)劃曲線

T型速度規(guī)劃問題可以定義為：已知路程S，初始速度V0，結(jié)束速度Vn，限制條件最大速度Vmax，最大加速度Accmax，最大減速度Decmax。被控對(duì)象從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，要求生成的速度軌跡在這些條件下時(shí)間最優(yōu)。

從圖3可以明顯看出，T 型規(guī)劃的加速度表現(xiàn)出不連續(xù)性。具體而言，在加速階段與勻速階段以及減速階段與勻速階段的銜接處，存在著較為顯著的突變情況。這種突變會(huì)對(duì)執(zhí)行器產(chǎn)生沖擊，影響舒適性。T 型規(guī)劃適用于機(jī)械加工快速定位及對(duì)響應(yīng)速度要求高、舒適性要求低的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。

S型規(guī)劃

S型規(guī)劃，也稱為S曲線速度規(guī)劃，是一種平滑的速度規(guī)劃方法。S型規(guī)劃通常包括7個(gè)階段：加加速、勻加速、減加速、勻速、加減速、勻減速、減減速。這種規(guī)劃方法可以減少機(jī)器的振動(dòng)和噪音，提高運(yùn)動(dòng)的平滑性。

S型速度規(guī)劃圖示如下：

圖4 S型速度規(guī)劃曲線S型速度規(guī)劃問題可以定義為：已知路程S，初始速度V0、結(jié)束速度Vn、以及限制條件最大速度Vmax，最大加速度Accmax，最大減速度Decmax、最大加加速度Jerkmax。被控對(duì)象從起點(diǎn)A移動(dòng)到終點(diǎn)B，要求生成的速度軌跡在滿足上述約束條件下時(shí)間最優(yōu)。

與T 型速度規(guī)劃不同，S 型速度規(guī)劃在加速和減速階段不僅考慮加速度的限制，還引入了加加速度（jerk）的限制。這使得速度曲線在加速和減速時(shí)呈現(xiàn)平滑的 S 型曲線，避免突然的加速度變化，從而減少?zèng)_擊，提高運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。因此，S 型速度規(guī)劃通常用于對(duì)平滑度要求較高的運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)景，如機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等應(yīng)用中。

速度規(guī)劃API

ZMC600E 運(yùn)動(dòng)控制器提供了T型和S型運(yùn)動(dòng)控制 API 接口，方便用戶進(jìn)行速度規(guī)劃的設(shè)置和調(diào)整。

創(chuàng)建T型速度規(guī)劃

創(chuàng)建S型速度規(guī)劃

刪除速度規(guī)劃的句柄

配置速度規(guī)劃限制參數(shù)

設(shè)置速度規(guī)劃

獲取執(zhí)行速度規(guī)劃的所需的總時(shí)間

獲取某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的規(guī)劃信息

示例

從A點(diǎn)到B點(diǎn)路程共50m，從起點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)，起始和結(jié)束速度為0，最大速度5m/s，最大加速度2m/s2，最大減速度2m/s2，分別使用T型和S型速度規(guī)劃，?使用S型時(shí)最大加加速度4m/s3。
代碼如下：

#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <math.h>#include "velocity.h"
int main(int argc, char *argv[]){ ?if (argc != 2) ?{ ? ?printf( "Usage: ./velocity_test 0/1n"); ? ?return -1; ?} ? ?velocity_handle handle = NULL; ? ?if(strcmp(argv[1], "0") == 0) ?{ ? ?handle = velocity_new_t(); ? ?velocity_set_config(handle, 5, 2, 2, 0); ?} ?else if(strcmp(argv[1], "1") == 0) ?{ ? ?handle = velocity_new_s(); ? ?velocity_set_config(handle, 5, 2, 2, 4); ?} ?else ?{ ? ?printf( "Usage: ./velocity_test 0/1n"); ? ?return -1; ?} ? ?velocity_set_plan(handle, 50, 0, 0);
 ?double time = velocity_get_plan_time(handle);
 ?for(double t = 0; t < time; t+=0.001) ?{ ? ?double pos = 0, vel = 0, acc = 0; ? ?velocity_get_plan_slice(handle, t, &pos, &vel, &acc); ? ?printf("pos:%f, vel:%f, acc:%fn", pos, vel, acc); ?}
 ?velocity_delete(handle);
 ?return 0;}

執(zhí)行結(jié)果如圖下圖所示。

圖5 T型速度規(guī)劃示例

圖6 S型速度規(guī)劃示例

ZMC600E 運(yùn)動(dòng)控制器提供T型和S型速度規(guī)劃算法可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的速度控制需求。深入掌握速度規(guī)劃技術(shù)，將有助于提高設(shè)備的控制精度和效率，為工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)更大的價(jià)值。