RM_AxisSpline – Interpolace požadované polohy (rychlosti, zrychlení)

Symbol blokuPotřebná licence: MOTION CONTROL

Popis funkce

Tento blok slouží k připojení virtuální osy (reprezentované blokem RM_Axis) k motoru respektive jeho řídícím obvodům a vytvoření fyzické osy. To zahrnuje několik do značné míry nezávislých funkcí, které realizuje tento blok.

Základní funkce je připojit požadované a aktuální signály o poloze, rychlosti, zrychlení a momentu. To pokrývají vstupy ActualPosition, ActualVelocity, ActualTorque a výstupy Position, Velocity, Acceleration, Torque.

Měnič motoru obvykle pracuje s jinými jednotkami (často přímo tiky na snímači polohy) než potřebujeme v ose. Dále polohu ještě ovlivňuje převodový poměr na převodovce. Blok RM_AxisSpline provádí transformaci jednotek podle parametrů DriveUnits a AxisUnits (zadává se sobě odpovídající délka v jednotkách měniče a v jednotkách osy v bloku RM_Axis). Předpokládá se, že rychlost na vstupu i výstupu bloku RM_AxisSpline je drive units/s a zrychlení driveunits/s/s; moment se netransformuje.

Řídící obvody motoru obvykle pracují s celočíselnými typy (respektive v celočíselných typech předávají hodnoty nadřízenému systému). Problém vzniká u polohy, kde při dlouhotrvajícím pohybu jedním směrem může dojít k přetečení celočíselného typu a hodnota se změní z maximálního použitelného čísla na minimální nebo naopak. Blok RM_AxisSpline s tímto umí pracovat a správně naváže polohu. Podmínkou správné funkce je, že v parametru DriveBits je nastaven správný počet bitů (včetně příznaku, jestli je číslo se znaménkem nebo bez) a také tuto vlastnost musí podporovat měnič (řídící obvody motoru).

Měniče mají různé stavy a režimy činnosti a definované sekvence, jak se mezi těmito stavy přechází. Nejčastěji je to podle standardu CiA402. Blok RM_AxisSpline tento standard podporuje a to prostřednictvím vstupu StatusWord, výstupu ControlWord a parametrů DriveMode, DriveTimeout (vstup a výstup se připojuje na stejnojmenné signály v měniči, další je zřejmé z popisu parametrů).

Mnoho bloků pro řízení pohybu obsahuje výpočetně náročný algoritmus. To vede na relativně velké vzorkovací periody (typicky mezi 10 a 200 ms). Naproti tomu regulátor motoru vyžaduje vzorkovací periodu malou (typicky do 1ms), aby nedocházelo k trhavému pohybu. Tyto protichůdné požadavky řeší blok RM_AxisSpline, který může běžet v jiné úloze (s kratší periodou vzorkování) než blok RM_Axis a provádí interpolaci hodnot, tak aby výsledná křivka byla spojitá a pokud možno hladká.

Je mnoho možností, jak dopočítat polohu (a rychlost, zrychlení, moment) v časech mezi hodnotami z pomalejší úlohy. Protože každá možnost má určité výhody a nevýhody, může si uživatel z několika vybrat pomocí parametru InterpolationMode. Podporované metody jsou:

linear: Poloha interpolována lineárně, rychlost jako derivace polohy, zrychlení 0 (tj. rychlost je po částech konstantní funkce se skoky).
cubic spline: Poloha je polynom 3. řádu, vypočtený na základě polohy a rychlosti na začátku a konci intervalu; rychlost je derivace polohy, zrychlení derivace rychlosti.
quintic spline: Poloha je polynom 5. řádu, vypočtený na základě polohy, rychlosti a zrychlení na začátku a konci intervalu; rychlost je derivace polohy, zrychlení derivace rychlosti.
cubic aproximation (B-spline): Poloha je polynom 3. řádu, vypočtený na základě dvou poloh před a dvou poloh za aktuálním intervalem; proložená funkce nemusí přesně procházet zadanými body; rychlost je derivace polohy, zrychlení derivace rychlosti.
quintic aproximation (B-spline): Poloha je polynom 5. řádu, vypočtený na základě tří poloh před a tří poloh za aktuálním intervalem; proložená funkce nemusí přesně procházet zadanými body; rychlost je derivace polohy, zrychlení derivace rychlosti.
all linear: Poloha, rychlost i zrychlení jsou interpolovány lineárně navzájem nezávisle, tj. rychlost neodpovídá přesně derivaci polohy a zrychlení neodpovídá přesně derivaci rychlosti.
all cubic: Poloha i rychlost jsou interpolovány polynomem 3. řádu navzájem nezávisle, tj. rychlost neodpovídá přesně derivaci polohy.
rezervováno pro pozdější použití.
rezervováno pro pozdější použití.

Nejjednodušší je lineární interpolace polohy. To však způsobuje skoky v rychlosti. Alternativně lze rychlost také interpolovat lineárně, ale pak zase rychlost neodpovídá derivaci/diferenci polohy. Z tohoto pohledu lepší je interpolace polynomem vyššího řádu (v parametru lze vybrat 3. nebo 5.), což ovšem vede na velké zrychlení, pokud vstupní trajektorie neodpovídá polynomu (nastává při přechodu z konstantního zrychlení na konstantní rychlost uprostřed mezi body vzorkování i při jednoduchých pohybech). Další možnost je aproximace Bspline funkcí (opět lze vybrat 3. nebo 5. řád). To odstraňuje nevýhody předchozích metod, ale vyžaduje více vzorků a tak zavádí větší dopravní zpoždění. Někdy také může vadit, že je to aproximační metoda a neprojíždí zadané body přesně (v režimu konstantní rychlosti je ale aproximace přesná). Ve všech případech je moment interpolován lineárně a nezávisle na ostatních veličinách.

Poznámka 1: Protože doba vykonávání bloků pro řízení pohybu značně kolísá, dostává interpolátor nové hodnoty neekvidistantně, přičemž výstup interpolátoru musí být souvislý. Proto se načte několik (závisí na metodě) hodnot dopředu a používají se hodnoty z vhodného intervalu. Právě používaný interval indikuje blok na výstupu State pomocí hodnot interval1, interval2, interval3. Důležité je pravidlo, že stavy odpovídající kladným číslům jsou normální činnost a stavy odpovídající záporným číslům představují chybu.

Poznámka 2: Protože činnost interpolátoru z principu vyžaduje použití v jiné (rychlejší) úloze než je RM_Axis, musí mít blok správně vyřešeno předávání reference mezi úlohami a referenci je možné bez obav předávat pomocí bloků Inport a Outport.

Vstup

uAxis	Odkaz na osu (přípustné je jen spojení RM_Axis.axisRef–uAxis nebo yAxis–uAxis)	Reference
ActualPosition	Skutečná poloha osy [drive unit]	Double (F64)
ActualVelocity	Skutečná rychlost osy [drive unit/s]	Double (F64)
ActualTorque	Skutečný moment/síla osy	Double (F64)
LIMN	Koncový spínač v záporném směru	Bool
LIMZ	Koncový spínač pro nulovou polohu	Bool
LIMP	Koncový spínač v kladném směru	Bool
StatusWord	Stavové slovo servoměniče dle CiA402 standardu	Long (I32)
FAULT	Vynucení vypnutí osy (obvykle chyba měniče nebo komunikace s měničem)	Bool

Výstupy

yAxis	Odkaz na osu (přípustné je jen spojení RM_Axis.axisRef–uAxis nebo yAxis–uAxis)	Reference
Position	Požadovaná (interpolovaná) poloha [drive unit]	Double (F64)
Velocity	Požadovaná (interpolovaná) rychlost [drive unit/s]	Double (F64)
Acceleration	Požadované (interpolované) zrychlení [drive unit/s/s]	Double (F64)
Torque	Požadovaný (interpolovaný) moment/síla	Double (F64)
State	Stav interpolátoru (záporné hodnoty znamenají chybu a pokud to není nesprávnou periodou, je potřeba zkontrolovat časování obou úloh)	Long (I32)
	0 .... Neaktivní (interpolátor jen přeposílá vstupní data na výstup; nastává při ose ve stavu vypnuto nebo pokud bloky RM_Axis RM_AxisSpline mají stejnou periodu spouštění) 1 .... Čekání (čekání, až bude dostatek dat v bufferu) 2 .... Interval1 (probíhá interpolace, data z prvního intervalu) 3 .... Interval2 (probíhá interpolace, data z prvního intervalu) x .... Intervalx (další kladná čísla znamenají další interpolační intervaly; závisí na metodě, ale měla by se střídat jen 2 výjimečně 3 sousední čísla ) -1 ... Přetečení (přetečení vyrovnávacího bufferu, tj. jsou odebírána pomaleji, než odpovídá nastavené periodě; algoritmus se restartuje automaticky, ale může dojít ke skoku polohy i rychlosti) -2 ... Podtečení (podtečení vyrovnávacího bufferu, tj. data přichází pomaleji, než odpovídá nastavené periodě; algoritmus se restartuje automaticky, ale může dojít ke skoku polohy i rychlosti) -3 ... Přetížení (data z bloku RM_Axis se nepodařilo přečíst; pravděpodobně je přetížena úloha s blokem RM_Axis) -4 ... Špatná perioda (úloha s blokem RM_AxisSpline má delší periodu než úloha s blokem RM_Axis)
ControlWord	Řídící slovo servoměniče dle CiA402 standardu	Long (I32)

Parametry

InterpolationMode	Algoritmus pro interpolaci $⊙$ 9	Long (I32)
	1 .... linear 2 .... cubic spline 3 .... quintic spline 4 .... cubic aproximation (B-spline) 5 .... quintic aproximation (B-spline) 6 .... all linear 7 .... all cubic 8 .... — 9 .... —
ReverseLimit	Negace významu vstupů LIMN, LIMZ a LIMP	Bool
InterpolationMode	Režim řízení servoměniče $⊙$ 9	Long (I32)
	1 .... Zjednodušený CiA402 (ze statuswordu je kontrolován jen bit značící chybu, control word se nastavuje okamžitě bez postupné zapínací sekvence) 2 .... Úplný CiA402 (úplná kontrola StatusWord v každém stavu, do ControlWord se posílá požadovaná sekvence a kontroluje se, jestli měnič na každý krok reaguje, pokud nereaguje do času daného parametrem DriveTimeout nastává chyba)
DriveTimeout	Čas pro odpověď servoměniče [s] (for Strict CiA402 mode only)	Double (F64)
DriveBits	Počet platných bitů (záporné číslo znamená číslo se znaménkem) v polohovém vstupu ActualPosition a výstupu Position $↓$ -64 $↑$ 63 $⊙$ -32	Long (I32)
DriveUnits	Vzdálenost v jednotkách měniče (pro transformaci polohy, vzdálenost odpovídající AxisUnits)	Double (F64)
AxisUnits	Vzdálenost v jednotkách osy (pro transformaci polohy, vzdálenost odpovídající DriveUnits)	Double (F64)
VelocityCalculate	když je zaškrtnuto, vstup ActualVelocity se neuplatňuje a rychlost je dopočítávána z rozdílu polohy (v aktuálním a předchozím kroku)	Bool

[Předchozí] [Na začátek] [Výše] [Další]