EtherCAT運動控制器PT/PVT實現(xiàn)用戶自定義軌跡規(guī)劃

ZMC408CE硬件介紹

ZMC408CE是正運動推出的一款多軸高性能EtherCAT總線運動控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盤等通訊接口，ZMC系列運動控制器可應用于各種需要脫機或聯(lián)機運行的場合。

ZMC408CE支持8軸運動控制，最多可擴展至32軸，支持直線插補、任意圓弧插補、空間圓弧、螺旋插補、電子凸輪、電子齒輪、同步跟隨等功能。

ZMC408CE支持PLC、Basic、HMI組態(tài)三種編程方式。PC上位機API編程支持C#、C++、LabVIEW、Matlab、Qt、Linux、VB.Net、Python等接口。

ZMC408CE支持8軸運動控制，可采用脈沖軸（帶編碼器反饋）或EtherCAT總線軸，通用IO包含24路輸入口和16路輸出口，部分IO為高速IO，模擬量AD/DA各兩路，EtherCAT最快125us的刷新周期。

ZMC408CE支持8個通道的硬件比較輸出、硬件定時器、運動中精準輸出，還支持8通道PWM輸出，對應的輸出口為OUT0-7，支持8個通道同時觸發(fā)硬件比較輸出。

更多關于ZMC408CE的詳情介紹，點擊“推薦|8通道PSO的高性能EtherCAT總線運動控制器”查看。

PCIE464M硬件介紹

PCIE464M是一款基于PCIe的PCI Express的EtherCAT總線運動控制卡，具有多項實時和高精度運動控制控制功能。

用戶可直接將PCIE464M嵌入標準PC機實現(xiàn)高性能的EtherCAT運動控制功能，實現(xiàn)高精多軸同步控制，EtherCAT控制周期最小可達100us！

PCIE464M內(nèi)置多路高速IO輸入輸出，可滿足用戶的多樣化高速IO應用需求，如：高速色標鎖存、高速PWM、多維位置比較輸出PSO、視覺飛拍、速度前瞻、編碼器位置檢測等應用。

PCIE464M運動控制卡上自帶16進16出，第三方圖像處理工控機或PC無需額外配置IO數(shù)據(jù)采集卡和PLC，即可實現(xiàn)IPC形態(tài)的機器視覺運動控制一體機，簡化硬件架構(gòu)，節(jié)省成本，軟硬件一體化。

更多關于PCIE464M的詳情介紹，點擊“PCIE464M-高速高精，超高速PCIe EthrtCAT實時運動控制卡”查看。

??? PT指令與PVT指令

1.PT運動介紹

PT（Position-Time）運動：是一種單位時間內(nèi)的運動位置控制技術，主要用于控制步進電機和伺服電機等運動設備在設定時間內(nèi)實現(xiàn)精確的軸位置控制。位置跟時間參數(shù)一般是PC每個周期計算好對應的坐標，然后傳給控制器。

PT算法：在用戶定義的“位置和時間”點之間，PT算法計算出一個合適的速度曲線。PT算法保證控制卡的軌跡計算符合每一個已知的點和時間。分段速度簡單的由位置和時間的差分計算出來。

PT運動適用場景：適用于近距離的點位運動或低速度的運動。它是非常簡單的算法，需要很少的計算量，因此計算速度很快。在低性能的運動系統(tǒng)中很受歡迎。但如果點之間間隔太大，那么運動將會很粗糙，因為每一段的加速度將會顯得不連續(xù)。

PT運動為保證設定的單位時間內(nèi)達到規(guī)劃的目標位置，控制器自動生成相應的加速度、速度曲線規(guī)劃。如果在極短時間內(nèi)運動大距離，脈沖頻率會過高，導致電機堵轉(zhuǎn)。建議分解成小段，重復發(fā)送，連續(xù)的多個周期PT運動時, 速度會自動均勻。

2.PVT運動介紹

PVT（Position-Velocity-Time）運動：是一種基于位置、速度和時間的綜合控制方法，通過協(xié)調(diào)這三個方面的參數(shù)，實現(xiàn)對運動系統(tǒng)的精準控制。PVT在一段時間內(nèi)驅(qū)動電機運動設置的距離，可以指定結(jié)束速度，小段內(nèi)速度會自動根據(jù)前面的速度與結(jié)束速度來自動規(guī)劃，盡可能連續(xù)。位置、速度跟時間參數(shù)一般是PC每個周期計算好對應的坐標，然后傳給控制器。

PVT算法：在用戶定義的“位置/速度/時間”點之間，PVT算法計算出合適的Jerk參數(shù)（加加速度，非恒定加速度）。這個算法保證軌跡計算合符每個已知點的位置、速度和時間。

PVT模式算法適用場景：PVT算法對于平滑軌跡和軌跡跟蹤非常有效。位置軌跡點可以間隔很近，也可以間隔很大。比如說對于復雜的路徑，點位需要間隔很近；對于簡單的路徑，點位可以間隔很大。PVT可以手動指定點位置，但是要確定好每個點的合適速度值。

3.正運動的PT指令與PVT指令

相關的指令說明可以打開RTSys軟件，點擊軟件右上角的【幫助文檔】，選擇RTBasic編程手冊，在第七章的7.3節(jié)特殊運動指令章節(jié)進行查看。

??? ZBasic快速驗證自定義軌跡規(guī)劃指令MOVE_PTABS

1.MOVE_PTABS指令的介紹。

注意距離參數(shù)dis的單位不是脈沖數(shù)，dis*units才表示具體的脈沖數(shù)。

時間參數(shù)ticks的單位是伺服周期，控制器的伺服周期可以通過RTSys軟件的在線命令輸入?*max進行打印。

如下圖SERVO_PERIOD:1000 min:500 max:4000表示當前控制器的伺服周期是1000us，伺服周期的可調(diào)范圍是500us到4000us。

控制器伺服周期可以通過在線命令發(fā)送SERVO_PERIOD=500把伺服周期設置成500us，控制器斷電重啟后生效。

2.如何通過move_ptabs指令來封裝接口來實現(xiàn)單軸Sin曲線的位置規(guī)劃。

（1）接口詳情

'主函數(shù)邏輯
'軸參數(shù)初始化
BASE(0,1,2)
DPOS=0,0,0
MPOS=0,0,0
UNITS=100,100,100
MAX_SPEED=10000000,10000000,10000000
'停止線程和軸運動
STOPTASK 1
RAPIDSTOP(2)
WAIT IDLE
'清除控制器報警
DATUM(0)
'開始軌跡規(guī)劃
'單軸Sin曲線，振幅10，周期100個SERVO_PERIOD，初相角 0°
Runtask 1,MySingleAxisSin(0,10,Pi/50,0)
END
'/**********************************************************************
'函數(shù)功能：單軸sin函數(shù)的軌跡
'函數(shù)模型：y=Amp*sin(Rad*x+Ipa)
' 輸  入 ：Amp(振幅)、Rad(角速度ω，弧度制)、Ipa(初相角φ，弧度制)
' 輸  入 ：AxisNum(運動的軸)
' 輸  出 ：
' 備  注 ：周期=2*Pi/Rad*10（控制周期）
'**********************************************************************/
GLOBAL SUB MySingleAxisSin(AxisNum,Amp,Rad,Ipa)
   LOCAL lvTime
   lvTime=0
   '選擇要運動的軸 
   BASE(AxisNum)
   WHILE 1 
       '通過PT運動下發(fā)運動指令
       MOVE_PTABS(10,Amp*SIN(Rad*lvTime+Ipa))
       lvTime=lvTime+1
       DELAY(1)
   WEND
ENDSUB

（2）測試結(jié)果

3.如何通過move_ptabs指令來封裝接口實現(xiàn)多軸的Sin曲線的位置規(guī)劃。

（1）接口詳情

'主函數(shù)邏輯
'軸參數(shù)初始化
BASE(0,1,2)
DPOS=0,0,0
MPOS=0,0,0
UNITS=100,100,100
MAX_SPEED=10000000,10000000,10000000
'停止線程和軸運動
STOPTASK 1
RAPIDSTOP(2)
WAIT IDLE
'清除控制器報警
DATUM(0)
'開始軌跡規(guī)劃
'多軸的Sin曲線規(guī)劃
Runtask 1,MyMultAxisSin(10,Pi/50,0,10,Pi/100,0,10,Pi/200,0)
END
'/**********************************************************************
'函數(shù)功能：0、1、2軸的3軸sin函數(shù)的軌跡  
'函數(shù)模型：y1=A1mp*sin(Rad1*x+Ipa1)
'     ：y2=A2mp*sin(Rad2*x+Ipa2)
'     ：y3=A3mp*sin(Rad3*x+Ipa3)
' 輸  入 ：Amp(振幅)、Rad(角速度ω，弧度制)、Ipa(初相角φ，弧度制)
' 輸  出 ：
' 備  注 ：周期=2*Pi/Rad*10（控制周期）
'**********************************************************************/
GLOBAL SUB MyMultAxisSin(Amp1,Rad1,Ipa1,Amp2,Rad2,Ipa2,Amp3,Rad3,Ipa3)
   LOCAL lvTime
   lvTime=0
   '選擇要運動的軸
   BASE(0,1,2)
   WHILE 1 
       MOVE_PTABS(10,Amp1*SIN(Rad1*lvTime+Ipa1),Amp2*SIN(Rad2*lvTime+Ipa2),Amp3*SIN(Rad3*lvTime+Ipa3))
       lvTime=lvTime+1
       DELAY(1)
   WEND
ENDSUB

（2）測試結(jié)果

4.如何在move_ptabs指令后插入move_op指令來實現(xiàn)運動中對輸出口的操作。

（1）假設需要在每執(zhí)行Spasce個周期就需要操作一下輸出口0，接口詳情如下。

'主函數(shù)邏輯
'軸參數(shù)初始化
BASE(0,1,2)
DPOS=0,0,0
MPOS=0,0,0
UNITS=100,100,100
MAX_SPEED=10000000,10000000,10000000
'停止線程和軸運動
STOPTASK 1
RAPIDSTOP(2)
WAIT IDLE
'清除控制器報警
DATUM(0)
'開始軌跡規(guī)劃
'單在Sin曲線軌跡規(guī)劃插入對輸出口的操作指令
MySingleAxisSinOP(0,10,Pi/50,0,0.25)
END
'/**********************************************************************
'函數(shù)功能：單軸sin函數(shù)的軌跡+MOVE_OP 
'函數(shù)模型：y=Amp*sin(Rad*x+Ipa)
' 輸  入 ：Amp(振幅)、Rad(角速度ω，弧度制)、Ipa(初相角φ，弧度制)
' 輸  入 ：AxisNum(運動的軸)，Space（間隔多少個周期操作一下輸出口）
' 輸  出 ：
' 備  注 ：周期=2*Pi/Rad*10（控制周期）
'**********************************************************************/
GLOBAL SUB MySingleAxisSinOP(AxisNum,Amp,Rad,Ipa,Space)
   LOCAL lvTime,lvOpFlag
   lvTime=0
   lvOpFlag=0
   MOVE_OP(0,OFF)
   WHILE 1 
       MOVE_PTABS(10,Amp*SIN(Rad*lvTime+Ipa))
       '檢測是否執(zhí)行到Space個周期，執(zhí)行到需要打開/關閉輸出口
       IF lvTime MOD(Space*2*Pi/Rad) = 0THEN
           IF lvOpFlag=1 THEN
               MOVE_OP(0,OFF)
               lvOpFlag=0
           ELSE
               MOVE_OP(0,ON)
               lvOpFlag=1
           ENDIF
       ENDIF
       lvTime=lvTime+1
       DELAY(1)
   WEND
ENDSUB

（2）測試結(jié)果

5.如何通過硬件定時器對輸出口進行操作。

（1）硬件定時器指令介紹

MOVE_HWTIMER(mode, cyclonetime, optime, reptimes, opstate, opnum )

①mode：0-停止硬件定時器，1-動態(tài)修改參數(shù)（不修改啟動設置），2-啟動（啟動后不可重復開啟）

②cyclonetime：周期時間，us單位

③optime：有效時間，us單位

④reptimes：重復次數(shù)，啟動模式，reptimes =0時，軟關閉HW_TIMER，原來的脈沖沒有完成的，會繼續(xù)輸出完成；-1時無限輸出，除非主動關閉

⑤opstate：輸出缺省狀態(tài)，輸出口變?yōu)榉谴藸顟B(tài)后開始計時（輸出口初始狀態(tài)OFF。一般此參數(shù)設為OFF，將輸出口變?yōu)镺N狀態(tài)后開始計時）

⑥opnum：輸出口編號，必須能硬件比較輸出的口。

（2）測試代碼詳情

'主函數(shù)邏輯
'軸參數(shù)初始化
BASE(0,1,2)
DPOS=0,0,0
MPOS=0,0,0
UNITS=100,100,100
MAX_SPEED=10000000,10000000,10000000
'停止線程和軸運動
STOPTASK 1
RAPIDSTOP(2)
WAIT IDLE
'清除控制器報警
DATUM(0)
'開始軌跡規(guī)劃
'單在Sin曲線軌跡規(guī)劃插入對輸出口的操作指令
MySingleAxisSinOP(0,10,Pi/50,0,0.25)
END
'/******************************************************************************  
'函數(shù)功能：單軸sin函數(shù)的軌跡+輸出口多次輸出
'函數(shù)模型：y=10*sin(Pi/50*x+0)
' 輸  入 ：AxisNum(運動的軸)
' 輸  出 ：
'具體需求：要求Sin函數(shù)每隔0.5個周期打開一次輸出口,并且輸出口的以脈沖的形式輸出4個脈沖
'******************************************************************************/
GLOBAL SUB MySingSinOP_HwTime(AxisNum)
   LOCAL lvTime,Space
   lvTime=0
   Space=0.5
   BASE(AxisNum)
   MOVE_OP(0,OFF)
   MOVE_HWTIMER(0, 60000, 30000, 4, OFF, 0)
   MOVE_HWTIMER(2, 60000, 30000, 4, OFF, 0)
   WHILE 1 
       MOVE_PTABS(10,10*SIN(PI*lvTime/50+0))
       '檢測是否執(zhí)行到Space個周期，執(zhí)行到需要打開/關閉輸出口,mod是求余指令
       IF lvTime MOD (50) = 0THEN
           MOVE_OP(0,ON)
       ENDIF
       lvTime=lvTime+1
       DELAY(1)
   WEND
ENDSUB

（3）測試結(jié)果

??? Qt進行自定義軌跡規(guī)劃的算法驗證

1.新建QT項目，并添加正運動的動態(tài)庫到項目里面。

（1）新建Qt項目。

圖2-1?新建Qt項目 圖2-2?選擇Qt編譯套件(kits) 圖2-3?選擇基類

（2）將函數(shù)庫相關的文件復制到新建的項目中。

圖2-4 庫文件復制

（3）向新建的項目里面添加函數(shù)庫的靜態(tài)庫。（zmotion.lib）

圖2-5 添加函數(shù)庫1 圖2-6 添加函數(shù)庫2 圖2-7?添加函數(shù)庫3

（4）添加函數(shù)庫相關的頭文件到項目中。

圖2-8 添加頭文件1

（5）聲明相關頭文件，并定義連接句柄。

2.正運動動態(tài)庫相關接口說明。

（1）運動PC函數(shù)庫編程手冊所在路徑。

（2）上位機如何連接控制器。

（3）上位機如何下發(fā)自定義的軌跡規(guī)劃參數(shù)。

3.Qt自定義軌跡規(guī)劃案例講解。

（1）案例Ui講解。

該例程除了可以下發(fā)Sin曲線的軌跡外，還可以按照設定的角度間隔操作輸出口輸出，打開輸出口后硬件定時器將生效，會按照設定的周期去重復操作輸出口，重復操作輸出口的次數(shù)及界面上的脈沖持續(xù)個數(shù)。

（2）案例代碼講解。

①連接控制器。

//連接控制器
void MainWindow::on_LinkButton_clicked()
{
   int err=0;
   if(g_handle == NULL)
   {
       QString ControllerIp = ui->IPcomboBox->currentText();
       QByteArray IpStr = ControllerIp.toLocal8Bit();
       err = ZAux_OpenEth(IpStr.data(),&g_handle);
       if(err!=0)
       {
           QMessageBox::about(this, "提示","連接失敗請確認IP正確！");
       }
   }
   else
   {
       QMessageBox::about(this, "提示", "句柄非空請先斷開鏈接！");
   }
}

②啟動自定義軌跡規(guī)劃算法測試。

//點擊啟動按鈕，如果條件滿足講會講標志位RunFlag設置為從而觸發(fā)定時器下發(fā)自定義的軌跡
void MainWindow::on_StartRun_clicked()
{
   if(g_handle!=0)
   {
       if(RunFlag==0)
       {
           //初始化軸參數(shù)
           //例程為方便測試，直接把規(guī)劃位置DPOS清空
           ZAux_Direct_SetDpos(g_handle,0,0);
           //例程為方便測試，直接把編碼器位置MPOS清空
           ZAux_Direct_SetMpos(g_handle,0,0);       
           ZAux_Direct_SetUnits(g_handle,0,1000);
           //關閉硬件定時器
           ZAux_Direct_HwTimer(g_handle,0,10000,5000,1,0,0);
           //啟動硬件定時器功能，脈沖周期是50ms,高電平持續(xù)時間是25ms   
           ZAux_Direct_HwTimer(g_handle,2,50000,25000,ui->PluseNum->text().toInt(),0,0);
           //啟動自定義軌跡規(guī)劃算法測試
           CurAanle=0;
           RunFlag=1;
       }
       else
       {
           QMessageBox::about(this, "提示", "運行中請先停止");
       }
   }
}
//定時器的超時服務子函數(shù)
void MainWindow::MyTimeOut()
{
   if(g_handle!=NULL)
   {
       //如果啟動條件滿足則開始下發(fā)運動指令
       if(RunFlag==1)
       {
           int AxisList[1]={0};         //軸列表
           uint32 TicksList[1]={10};    //時間列表
           float PosList[1]={0};        //位置列表
           float OpCycTime=0;           //操作輸出口的周期時間
           int RemainBuff=0;            //剩余緩沖器
           int A = ui->ParaAmp->text().toInt(); //更新Sin曲線的振幅
           double Rad =  qDegreesToRadians(ui->ParaRad->text().toDouble());//更新Sin曲線的角速度
           double Ipa =  qDegreesToRadians(ui->ParaIpa->text().toDouble());//更新Sin曲線的初相角
           OpCycTime = (2*M_PI/Rad*(ui->Angle->text().toInt()/360.0));
           //獲取剩余軸緩沖器數(shù)目
           ZAux_Direct_GetRemain_Buffer(g_handle,0,&RemainBuff);
           //如果剩余緩沖器夠下發(fā)新的運動指令
           if(RemainBuff>10)
           {
               for(int i=0;i

	

	（3）通過RTSys的示波器功能接口自定義軌跡的運動效果。

	

	本次，正運動技術EtherCAT運動控制器PT/PVT實現(xiàn)用戶自定義軌跡規(guī)劃，就分享到這里。

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	審核編輯 黃宇