一種基于位置給定的數(shù)控系統(tǒng)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于位置給定的數(shù)控系統(tǒng)控制方法，位置指令脈沖信號通過正交信號編碼器對其進行正交編碼，使傳輸頻率降低四倍，再經(jīng)電機驅(qū)動裝置對正交編碼信號進行解碼，即進行四倍頻處理后使正交編碼信號還原，將還原后的位置指令信號傳輸給計算模塊；再根據(jù)總線絕對值編碼器獲取的電機相關信息，進行各種控制及運算得出電機的控制信號；對電機進行精確的位置及速度控制。本發(fā)明可以在較高的加工速度下使數(shù)控裝置實現(xiàn)1微米以下的控制精度，同時電機編碼器反饋采用總線式絕對值編碼器可以大幅提高其檢測精度，真正實現(xiàn)高速高精度加工。
【專利說明】一種基于位置給定的數(shù)控系統(tǒng)控制方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于位置給定的數(shù)控系統(tǒng)控制方法，特別是采用正交編碼信號做為數(shù)控裝置位置指令給定和采用總線協(xié)議的絕對值編碼器做為電機編碼器反饋的數(shù)控系統(tǒng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會發(fā)展對先進制造業(yè)需求越發(fā)廣泛，特別以數(shù)控加工為代表的先進制造技術(shù)取得迅猛發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)每年以20%的速度增長，數(shù)控系統(tǒng)的國產(chǎn)化普及率也越發(fā)提高，但由于國內(nèi)的數(shù)控技術(shù)起步和發(fā)展都比較晚，其可靠性及加工精度無法與國外產(chǎn)品相媲美，只能滿足中等精度以下的加工，其主要原因有控制軟件和控制算法不夠先進，同時受制于數(shù)控系統(tǒng)位置指令給定方案的限制，目前數(shù)控系統(tǒng)位置指令給定主流方案有三種，第一種采用模擬量加各種分辨率的電機編碼器反饋做為數(shù)控裝置的位置指令給定，此種方案的缺點是模擬量在現(xiàn)場極易受到干擾，容易產(chǎn)生零飄，也不適宜長距離傳輸，因此絕大多數(shù)廠商在新的設計中不再采用此種方案，第二種采用工業(yè)現(xiàn)場總線做為數(shù)控裝置的位置指令給定，采用20bit或17bit的絕對值編碼器做為電機編碼器反饋，此種方案國外廠商采用較多，但由于其技術(shù)難度大，生產(chǎn)成本高昂，在國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)中并沒有形成主流，第三種采用高速脈沖串做為數(shù)控裝置的位置指令給定，采用2500至8192線脈沖增量式編碼器做為電機編碼器反饋，此種方案應用簡單，成本低廉，被大量國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)廠商采用，此種方案通常有兩種控制方式:
圖1、2為脈沖信號加方向信號控制的典型應用電路及其傳輸?shù)奈恢妹}沖指令波形，每一個脈沖代表數(shù)控裝置的一個位置進給當量，所以脈沖頻率的高低決定了其位置進給速度的快慢，方向信號的電平高低決定其進給方向。
[0003]圖3、4、5為雙脈沖控制方式的典型應用電路即其傳輸?shù)拿}沖位置指令波形，同樣每一個脈沖代表數(shù)控裝置的一個位置進給當量，脈沖頻率的高低決定了其位置進給速度的快慢，進給方向則由正轉(zhuǎn)信號或反轉(zhuǎn)信號決定。
[0004]以上兩種實現(xiàn)方式都有共同的缺點:(1)在此種方案下，要想實現(xiàn)高速高精度的加工，需要更高頻率的位置脈沖，但受制與長線傳輸位置脈沖頻率不能太高，大多在500K頻率以下傳輸，因此在滿足較高加工速度下要實現(xiàn)I微米以下的控制精度很難實現(xiàn)(因為其傳輸頻率必然遠大于500K)，如上電路實現(xiàn)方案，超過500K頻率尤其1000K頻率以上時容易造成傳輸不穩(wěn)定，形成多脈沖或少脈沖的現(xiàn)象，造成加工尺寸不準。(2)同時要想實現(xiàn)高速高精度的加工，還需滿足更高分辨率的編碼器，脈沖增量型的編碼器分辨率很難達到8192線以上，并且高分辨率的脈沖增量型編碼器的傳輸頻率也會很高,高頻率下傳輸其可靠性不好，容易受到干擾。(3)負載不均衡，脈沖加方向控制方式中，傳輸脈沖信號的信號通道負擔很重，傳輸方向信號的信號通道負擔很輕，雙脈沖控制方式中，始終只有其中一路信號通道有效，另一路信號通道空閑，造成負載不均和資源的浪費。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種采用正交編碼信號做為數(shù)控系統(tǒng)位置指令給定和采用總線協(xié)議的絕對值編碼器做為電機編碼器反饋的數(shù)控系統(tǒng)控制方法，本發(fā)明應用簡單，成本低廉。
[0006]本發(fā)明所提供的基于位置給定的數(shù)控系統(tǒng)控制方法，包括以下步驟:
(1)插補器對接收到的位置及速度信號插補出表示數(shù)控系統(tǒng)位置及速度的高速脈沖
串;
(2)正交信號編碼器對接收到的高速脈沖串進行正交編碼，形成正交編碼信號，所述正交編碼信號經(jīng)差分發(fā)送器件輸出至差分接收器件；
(3)差分接收器件將正交編碼信號傳送給正交信號解碼器，所述正交信號解碼器對正交編碼信號進行解碼，并將解碼后的信號傳送給計算模塊；由總線絕對值編碼器獲取電機當前的位置及速度信息，并發(fā)送給計算模塊；
(4)計算模塊根據(jù)正交信號解碼器輸出的信號，以及電機當前的位置及速度信息進行PID調(diào)節(jié)，得出電機驅(qū)動控制信號；
(5)電機驅(qū)動裝置根據(jù)電機驅(qū)動控制信號驅(qū)動電機。
[0007]進一步地，所述總線絕對值編碼器基于BISS總線協(xié)議。分辨率可以大幅提高到17bit至24bit,可靠性和數(shù)據(jù)吞吐量也大幅度改善。
[0008]進一步地，所述差分發(fā)送器件、差分接收器件由RS422芯片差分電路實現(xiàn)。
[0009]本發(fā)明所提供的基于位置給定的數(shù)控系統(tǒng)控制方法，用正交編碼模式傳輸位置脈沖不存在信號傳輸通道空閑和負載不均衡，編碼不但簡單而且采用編碼后抗干擾能力強不易出錯，與上述第三種主流方案比較目前的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)主流方案)，可以在同等硬件電路開銷的情況下實現(xiàn)，也即可以在現(xiàn)有第三種方案不改變系統(tǒng)硬件的情況下，通過升級軟件或升級位置指令給定的邏輯設計，輕松實現(xiàn)正交編碼模式傳輸位置指令脈沖，在同樣的信號傳輸頻率下，可以使位置指令脈沖提高四倍，即系統(tǒng)的控制精度提高四倍，同時電機編碼器反饋采用了總線式絕對值編碼器，可以大幅提高檢測精度和其反饋檢測的可靠性，從而可以比較方便地使數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)I微米以下的控制精度，實現(xiàn)高速高精度加工，大大改善工件的表面加工質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為脈沖信號加方向信號作為位置指令給定的數(shù)控系統(tǒng)電路圖；
圖2為圖1所述電路傳輸?shù)奈恢妹}沖指令波形圖；
圖3為雙脈沖作為位置指令給定的數(shù)控系統(tǒng)電路圖；
圖4為正向位置進給脈沖位置指令波形圖；
圖5為反向位置進給脈沖位置指令波形圖；
圖6為正交編碼信號作為位置指令給定的數(shù)控系統(tǒng)電路圖；
圖7為位置指令信號正交編碼波形圖；
圖8為位置指令信號正交編碼正向位置進給波形圖；
圖9為位置指令信號正交編碼反向位置進給波形圖；
圖10為圖8所示信號四倍頻后波形圖； 圖11為BISS總線編碼器反饋波形圖；
圖12為PID調(diào)節(jié)邏輯圖；
圖13為本發(fā)明所述方法流程圖。
【具體實施方式】
[0011]如圖12、13所示，本發(fā)明所提供的基于位置給定的數(shù)控系統(tǒng)控制方法，包括以下步驟:
(1)插補器對接收到的位置及速度信號插補出表示數(shù)控系統(tǒng)位置及速度的高速脈沖
串;
(2)正交信號編碼器對接收到的高速脈沖串進行正交編碼，形成正交編碼信號，所述正交編碼信號經(jīng)差分發(fā)送器件輸出至差分接收器件；
(3)差分接收器件將正交編碼信號傳送給正交信號解碼器，由正交信號解碼器對正交編碼信號進行解碼，并將解碼后的信號傳送給計算模塊；由總線絕對值編碼器獲取電機當前的位置及速度信息，并發(fā)送給計算模塊；
(4)計算模塊根據(jù)正交信號解碼器輸出的信號，以及電機當前的位置及速度信息進行PID調(diào)節(jié)，得出電機驅(qū)動控制信號；
(5)電機驅(qū)動裝置根據(jù)電機驅(qū)動控制信號驅(qū)動電機。
[0012]計算模塊可以通過PID控制器實現(xiàn)，由PID控制器根據(jù)正交信號解碼器輸出信號及電機當前位置及速度等信息進行位置調(diào)節(jié)、速度調(diào)節(jié)以及電流調(diào)節(jié)等。
[0013]差分發(fā)送器件以及差分接收器件可以由RS422芯片差分電路實現(xiàn)；總線絕對值編碼器為基于BISS總線協(xié)議的編碼器。
[0014]插補器可以采用軟件/硬件插補，即先通過軟件算法實現(xiàn)粗插補，再由硬件實現(xiàn)精插補，將位置及速度信號轉(zhuǎn)換為高速脈沖串進行傳輸，該高速脈沖串包括位置和速度信號。差分發(fā)送器件對接收到的正交編碼信號進行轉(zhuǎn)換，形成差分對，以減少干擾；相應地，差分接收器件將接收到的差分對轉(zhuǎn)換為普通電平的正交編碼信號，以便正交信號解碼器對該信號進行解碼，解碼后還原成高速脈沖串，供計算模塊使用。
[0015]實現(xiàn)本發(fā)明的所述的基于位置給定的數(shù)控系統(tǒng)控制方法的電路如圖6所示，數(shù)控系統(tǒng)的CPU、FPGA或CPLD輸出位置指令信號，該信號包括位置及速度信號，位置指令信號經(jīng)軟件及硬件插補器粗插補及精插補后，形成高速脈沖串并發(fā)送給正交信號編碼器，編碼后形成正交編碼信號，插補器及正交信號編碼器可以集成在CPU、FPGA或CPLD中；正交編碼信號經(jīng)RS422芯片處理，輸出差分對至電機驅(qū)動裝置中的差分接收器件，差分接收器件可以由RS422芯片差分電路實現(xiàn)，差分接收器件將接收到的信號轉(zhuǎn)換為普通電平的正交編碼信號，并發(fā)送給正交信號解碼器進行解碼，解碼后的信號發(fā)送給計算模塊?？偩€絕對值編碼器與電機連接，用于獲取電機當前位置及速度信息，該信息傳送給計算模塊；總線絕對值編碼器可以基于BISS總線協(xié)議，其波形如圖11所示。計算模塊根據(jù)電機當前位置及速度信息及經(jīng)正交信號解碼器解碼后的信號計算得出電機驅(qū)動控制信號，電機驅(qū)動控制信息包括位置信號、速度信號等，電機驅(qū)動裝置根據(jù)電機驅(qū)動控制信號驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。位置脈沖的正交編碼如圖7所示，編碼后使其信號傳輸頻率降低4倍，由兩路正交脈沖的一路相對于另一路是超前還是滯后來確定位置進給的方向。正向位置進給、反向位置進給脈沖波形分別如圖8、9所示。正交信號解碼器接收后進行解碼處理，通過檢測兩路傳輸信號的跳變沿實現(xiàn)4倍頻，從而還原位置脈沖，經(jīng)過四倍頻處理后的波形如圖10所示。
[0016]位置指令信號由兩路正交編碼信號同時傳輸，較傳統(tǒng)方案同等的位置指令信號給定，其信號傳輸頻率可以降低4倍，由于正交編碼模式下兩路傳輸信號之間有相差，電機驅(qū)動裝置可以通過檢測兩路傳輸信號的跳變沿實現(xiàn)4倍頻，從而還原位置脈沖，這樣就可以在原來的同等信號通道頻率上提高四倍的位置進給脈沖，即兩路信號同樣在500K脈沖頻率傳輸情況下，其等效的數(shù)控裝置位置脈沖頻率為2000K，這樣可以在不改變原有方案的硬件電路的情況下，不增加硬件電路成本從而提高位置脈沖頻率，電機驅(qū)動裝置通過檢測兩路信號通道中的其中一路相對于另一路的相位是超前還是滯后來決定位置指令方向，同時電機編碼器采用總線絕對值編碼器，其分辨率可以大幅提高到17bit至24bit，同時電機編碼器檢測信號的傳輸采用總線編碼模式，其可靠性和數(shù)據(jù)吞吐量也大幅度改善，可采用基于BISS總線協(xié)議的絕對值編碼器。
[0017]由上述可知，位置脈沖經(jīng)正交編碼后其傳輸頻率可以降低4倍，再經(jīng)電機驅(qū)動器4倍頻后進行位置脈沖還原。降低了對信號傳輸通道的要求，在傳統(tǒng)方案的同等信號傳輸頻率下其位置指令脈沖可以提高四倍，從而可以在較高的加工速度下使數(shù)控裝置實現(xiàn)I微米以下的控制精度，同時電機編碼器的反饋采用總線式絕對值編碼器可以大幅提高其檢測精度，有了這兩個很好的基本指標便可以真正實現(xiàn)高速高精度加工，大力提升裝備設備的市場競爭力。
【權(quán)利要求】
1.一種基于位置給定的數(shù)控系統(tǒng)控制方法，其特征在于，包括以下步驟： (1)插補器對接收到的位置及速度信號插補出表示數(shù)控系統(tǒng)位置及速度的高速脈沖串; (2)正交信號編碼器對接收到的高速脈沖串進行正交編碼，形成正交編碼信號，所述正交編碼信號經(jīng)差分發(fā)送器件輸出至差分接收器件； (3)差分接收器件將正交編碼信號傳送給正交信號解碼器，所述正交信號解碼器對正交編碼信號進行解碼，并將解碼后的信號傳送給計算模塊；由總線絕對值編碼器獲取電機當前的位置及速度信息，并發(fā)送給計算模塊； (4)計算模塊根據(jù)正交信號解碼器輸出的信號，以及電機當前的位置及速度信息進行PID調(diào)節(jié)，得出電機驅(qū)動控制信號； (5)電機驅(qū)動裝置根據(jù)電機驅(qū)動控制信號驅(qū)動電機。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于位置給定的數(shù)控系統(tǒng)控制方法，其特征在于：所述總線絕對值編碼器基于BISS總線協(xié)議。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于位置給定的數(shù)控系統(tǒng)控制方法，其特征在于：所述差分發(fā)送器件、差分接收器件由RS422芯片差分電路實現(xiàn)。
【文檔編號】G05B19/18GK103713572SQ201310667600
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】張華
申請人:南京華興數(shù)控技術(shù)有限公司