PVT在同步運動控制中的應用

王 慧，黃 帥

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

插補模式或者PVT 通常被應用于伺服控制系統的軌跡規劃。伺服驅動器通過CAN 總線接收一系列的PVT點，每一個PVT點都由位置、速度、時間組成，伺服驅動器在這些點之間進行插補，以得到所需要的運動軌跡。PVT 控制最為關鍵的是分割時間的選擇，和分割時間內相應的速度設置，以及如何確定軌跡規劃時間。

1 PVT 分割時間的選擇

對于PVTPoints 要仔細考慮所使用的PVT點的數量，太少的點電機無法準確跟隨速度曲線規劃，太多的點會導致CAN 總線網絡阻塞。最大數量的PVT 間隔取決于所應用的網絡類型，對于CanOpen，間隔不能超過255 ms。

關于PVT 時間分割，較小的分段時間可以減少誤差，但是，整個過程必然會有一個誤差最小的分割間隔，如果想通過計算獲得系統誤差允許范圍內最小的時間分割是非常困難的。通常最好的辦法就是系統最高頻率（位置環）的1/10～1/20（由數字采樣系統理論推出），此外，當速度較小時，即位移變化較慢時，PVT點的時間間隔較長一點比較好，相反，當速度較大時，即位移變化較快時，PVT點的時間間隔較短一點比較好。

針對不同的控制器，他們都有自己的PVT點數設置方法，用戶只是應用已存在的設置方法來完成自己的需要。

2 速度的重要性

事實上，比分割時間段更為重要的就是在設定的分割時間內，給出滿足其設定要求的準確速度。

以T曲線為例，速度線性變化至目標值，T型曲線軌跡規劃可分為三段，如圖1所示。

圖1 T型曲線軌跡

A1段加速度為確定值，即速度的變化規律。A2段加速度為0，速度達到目標值；A3段為勻減速段。以此類推，當給出確定的速度、加速度、減速度，就可以演化出S曲線波形，典型的S曲線如圖2所示。

圖2 S曲線位置軌跡

3 如何確定軌跡規劃時間和位移

3.1 確定軌跡規劃時間

當給出確定的速度、加速度、減速度，則完成該運動所需要的時間就可以計算出來。將速度分解成3 段，加速段、勻速段、減速段，完成運動所需要的時間為T總。

Ta：加速段時間，Td：加速段時間，Tc：加速段時間，Aa為加速段的加速度，Ad為減速段的減速度。由圖1 可得：

同理：

勻速段加速度為0，則：

其中：Vt為目標速度，Pt為目標位置，Aa為加速度，Ad為減速度。

運動所需的時間是用于確定PVT點的間隔，所以：

其中：I為PVT點的時間間隔，Np為PVT 分割點數目。

3.2 軌跡規劃的位移

由圖1 可得加速段的位移是對速度的積分獲得。

其中：A1同為加速度段的位移，V0為初始速度。

當其時速度為0，加速度不變時，該式可演化為：

即：

此刻的速度計算為：

勻速段的位移A2為：

此處的初始位移P0：

由于勻速段加速度為0，所以

減速段的位移A3計算公式為：

由此三個階段的總位移Pt：

將上式簡化為：

其中目標位置就是將目標速度對時間積分所得與加速度（或者減速度）對時間的積分所得和初始位置累加而得來的。積分的過程就是N個這樣時間點對應的位置的累加，每個軸在設置上都采用同樣的速度，加速度，相同的目標位置，從而在每個相同時間點上達到相同的位置，繼而實現理論上的同步。

4 PVT 應用實例分析

4.1 實例硬件結構

下圖是某設備的爐內機械手，其機械結構圖3所示。

在圖3 中，機械手前爪1、2 在機械結構上由一個電機驅動，機械手后爪1、2 在機械結構上由另一個電機驅動，兩個電機的可控行程完全一致，通過控制兩個電機的行走位置來完成具體的抓片動作。在硅片抓取過程中不允許硅片晃動，如果兩個電機速度不同步都會引起夾碎硅片，所以同步性非常重要。

圖3 機械手機構圖

4.2 實例軟件執行過程

Copley CanOpen 直接集成了PVT的軌跡算法，下面簡要介紹一下PVT 函數的設置方法。

首先引入SDO（主從對象字典，master →slave，一對一），PDO（過程對象字典master→master，master →slave，一對多）。

對于Copley 驅動器來說，它的PVT 使用方法較為簡單，主要是通過Link 類來實現的，該函數主要適用于多軸聯動。

該函數中，目標位置的維數必須等于Linkage所控制的軸數，即作N 軸插補，則PVT點的坐標維數為N。

這種方法使Link 函數規劃出一種N 維的點對點直線運動，運動中的速度、加減速度、和加加速度都將被限定在設定的范圍內。MoveTo 函數得到聯動指令會立即觸發運動。

該函數觸發一系列經過計算的PVT點組成的運動軌跡，該計算值是浮點型的，所以在定義變量庫時要進行浮點型定義。

其中：

參數pN 維位置坐標點

參數maxvel 速度最大限制

參數maxacc 加速度最大限制

參數maxdec 減速度最大限制

參數maxjrk 加加速最大限制

參數start 如果為真，link 類中的軸開始聯動，如果為假，規劃點將上傳，直到得到聯動指令。

我們對基本函數進行封裝后，得到多軸聯動所需的模塊函數組：

long MC_LinkInit(int NodeID)；Link 類初始化

long MC_LinkHome(int NodeID)；同步回初始位

long MC_LinkEnable (int NodeID，bool bEnable)；同步驅動器初始化

long MC_LinkAmpAbsMove (int NodeID，double Pos)；Link 絕對位移運動

longMC_SetLinkParam(doublevelLimit，double accelLimit，double decelLimit，double jerkLimit)；

long MC_LinkAbsMoveDone(double Pos1，double Pos2)；

long MC_LinkWaitMoveDone(int NodeID)；

long MC_LinkSetSoftLimit (int NodeID，double dPos，double dNeg，double dAcc)；

當執行兩個軸的同步運動時，直接調用以上函數就可達到控制所需的運動效果。在Copley 驅動器的軟件介紹中，這種PVT 控制的同步誤差幾乎只有1～2個脈沖。

5 結論

PVT 是一種簡單的適用于任意位置軌跡規劃的計算規則，在不大量丟失精確數據的情況下，分段時間可以相應的大一些，PVT 數據點既可以儲存在本地工作表中，也可以通過網絡通訊的方式下傳至各個軸。PVT 模式主要應用于非高速網絡通訊的多軸控制系統。

[1]Calle Tecate.ADVANCED Motion Controls[Z].March 2001.

[2]Doxygen.Copley MotionLibrary Reference Manual[Z].Sep 2006.