一種離散采樣的s曲線加減速控制裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型設及數(shù)控機床的數(shù)字控制加工技術領域，具體是一種離散采樣的S曲 線加減速控制裝置。
【背景技術】
[0002] 在計算機數(shù)字控制系統(tǒng)（CNC，ComputerNumericalControl)中，為避免各軸產生 沖擊、失步、超程和振蕩，W保證運動部件的平穩(wěn)和準確定位，必須進行加減速控制，W使進 給速度平滑過渡。常用的加減速控制有直線加減速、指數(shù)加減速、S曲線加減速等方法。直 線加減速和指數(shù)加減速，雖然計算量小，編程簡單，但是在加減速階段存在加速度突變的現(xiàn) 象，導致機床產生劇烈振動，不適合用于數(shù)控機床的高速加工。S曲線加減速方法可實現(xiàn)加 減速過程中加速度的連續(xù)變化，能夠有效減小沖擊和振蕩。而S曲線加減速控制要實現(xiàn)多 階段和自動加減速控制，參數(shù)調整不易，算法實現(xiàn)較為復雜，因而S曲線加減速控制多用軟 件來實現(xiàn)。
[0003]目前數(shù)控系統(tǒng)大都基于數(shù)據(jù)采樣控制系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采樣周期均為一固定時間周期 常數(shù)，從2-8ms不等。在數(shù)據(jù)采樣控制系統(tǒng)中，所有不同處理步驟的時間理論上必須為該周 期的整數(shù)倍，但實際上會有誤差，因此會帶來相應的量化誤差問題，即圓整誤差。采樣周期 越大，誤差也越大。該誤差會對速度進給的平滑性、加工表面的光潔度帶來相應的影響。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種在定長脈沖驅動模式下基于現(xiàn)場可編程口 陣列硬件平臺的高頻離散采樣S曲線加減速控制裝置，是一種高速可靠、圓整誤差小、進給 速度平滑，適用于一般CNC系統(tǒng)的加減速控制裝置。
[0005] 本實用新型的技術方案如下：
[0006] 一種離散采樣的S曲線加減速控制裝置，其特征在于：通過人機交互界面將運動 參數(shù)寫入該基于現(xiàn)場可編程口陣列的加減速控制裝置，該裝置完成加減速運算配置脈沖頻 率后，產生相應脈沖用W驅動電機，當輸出脈沖數(shù)等于預設脈沖數(shù)時，控制器停止輸出，電 機完成走位。同時裝置還接收編碼器的反饋信號，W反映當前電機的速度和實際的位移。 (如圖1所示）
[0007] 本實用新型利用可調分頻器來產生預設頻率的脈沖。在已知的高頻系統(tǒng)時鐘下， 根據(jù)給定的離散算法來修改脈沖的頻率值，就能產生一連串預期頻率的脈沖，該些脈沖即 可通過差分巧片直接控制伺服電機驅動器。
[000引本實用新型基于離散采樣，可設系統(tǒng)設置的采樣周期、最高驅動速度和初始速度 分別為L、V郝V。。限定加加速段、減加速段、加減速段和減減速段所用的時間相等，設為 t。（如圖2)，則有tt=N。(N。表示t。時間內的采樣周期數(shù)），勻速段所用時間為tU，勻加 速段和勻減速段所用的時間相等且設為td，則有td=Nd?L(Nd表示td時間內的采樣周期 數(shù)）。最大加速度和加速度導數(shù)分別為4。"和j。，則由線性變化的加速度規(guī)律可得tt=Am"/ Ja。
[0009] 本實用新型根據(jù)運動控制模塊所需實現(xiàn)的功能，采用硬件描述語言將現(xiàn)場可編程 口陣列片內邏輯設計分為四個子功能模塊；采樣周期模塊、速度控制模塊、計數(shù)比較模塊、 脈沖發(fā)生模塊（如圖3所示）。
[0010] 本實用新型的采樣周期模塊主要是通過對系統(tǒng)時鐘分頻計數(shù)得到采樣周期和觸 發(fā)脈沖的，由一個分頻器和一個計數(shù)器組成。其具體步驟為：
[0011]stepl設置一個可更改的分頻系數(shù)Dt，用于對系統(tǒng)時鐘Fdk的分頻。采樣頻率fT 和采樣周期L的表達式為；fT=Fdk/〇T，L=Di/Ftik，采樣頻率越高，速度越平滑。
[0012] Step2計數(shù)器對分頻后的采樣頻率脈沖計數(shù)，產生兩個頻率相同（均為fT)但不同 步的觸發(fā)脈沖Ta，町，分別用于觸發(fā)1乘法器和At乘法器的運作，W實現(xiàn)對速度控制模塊中 的兩個累加器進行同頻異步控制。
[0013] 本實用新型的速度控制主要體現(xiàn)在一個采樣時間內的電機位移增量，是對速度增 量的積分，也是對加速度增量的二重積分。因此在速度控制模塊中，設計了 1選擇器、At累 加器、ft累加器W及2個乘法器。其具體步驟為：
[0014] Stepl系統(tǒng)設置一個可調加速度導數(shù)j。，則j。選擇器將對外部控制信號EN1，EN2 進行譯碼進而選擇使用1，〇及個參數(shù)進入j。乘法器與采樣周期值T,相乘。
[0015] St巧2j。乘法器輸出加速度增量J進入At累加器。
[0016]St巧3At累加器輸出當前加速度值A(t)進入At乘法器。
[0017]Step4At乘法器將當前加速度值A(t)、采樣周期T,和脈沖當量0的倒數(shù)進行相 乘，輸出脈沖頻率增量Af進入ft累加器。
[0018]St巧5ft累加器輸出預期脈沖的頻率值f(t)。
[0019] 本實用新型本質上是改變預期脈沖的頻率值來控制速度。而S曲線加減速相應的 時間節(jié)點控制是由計數(shù)比較模塊完成。根據(jù)已知預期脈沖的頻率值f(t)，采用可調分頻器 對高頻系統(tǒng)時鐘進行分頻的方法獲得該脈沖。
[0020] 本實用新型的脈沖發(fā)生模塊設計有鎖相環(huán)化L、除法器、寄存器和分頻器。其具體 步驟為：
[0021] stepl系統(tǒng)時鐘Fdk進入化L倍頻，設倍頻系數(shù)為k。則倍頻后的高頻時鐘Fdkpn =k?Fcik。
[0022] Step2在寄存器中設置32位的整型數(shù)G(其值為高頻時鐘Fcikpii的頻率值），作為 除法器的被除數(shù)。
[0023]Step3將當前預期脈沖頻率值f(t)作為除法器的除數(shù)，由此可得
【主權項】
1. 一種離散采樣的S曲線加減速控制裝置，其特征在于：該裝置是基于現(xiàn)場可編程門 陣列為核心控制器，根據(jù)運動規(guī)劃所需實現(xiàn)的功能，采用硬件描述語言將現(xiàn)場可編程門陣 列片內邏輯設計分為四個子功能模塊：采樣周期模塊、速度控制模塊、計數(shù)比較模塊、脈沖 發(fā)生模塊；其中采樣周期模塊由一個分頻器和一個計數(shù)器組成；速度控制模塊設計了 1選 擇器、At累加器、ft累加器以及2個乘法器；脈沖發(fā)生模塊設計有鎖相環(huán)PLL、除法器、寄存 器和分頻器；計數(shù)比較模塊采用了兩個計數(shù)器及四個比較器；通過人機交互界面將運動參 數(shù)寫入該基于現(xiàn)場可編程門陣列的加減速控制裝置；該裝置完成加減速運算配置脈沖頻率 后，產生相應脈沖用以驅動電機；同時裝置還接收編碼器的反饋信號，以反映當前電機的速 度和實際的位移。
【專利摘要】本實用新型屬于數(shù)控加工技術領域，具體是一種離散采樣的S曲線加減速控制裝置。所述離散采樣的S曲線加減速控制裝置利用硬件描述語言設計了采樣周期模塊、速度控制模塊、計數(shù)比較模塊和脈沖發(fā)生模塊；共由一個鎖相環(huán)、一個除法器、一個選擇器、一個寄存器、兩個分頻器、兩個累加器、兩個乘法器、三個計數(shù)器和四個比較器組成。該裝置基于現(xiàn)場可編程門陣列運動控制器硬件平臺，通過對電機位置、速度及加速度的實時反饋比較，改變加加速的狀態(tài)，進而改變加速度累加器和速度累加器的值，實現(xiàn)了對驅動脈沖頻率的S曲線控制。本實用新型采樣頻率高，可重構復用；驅動脈沖頻率變化連續(xù)、平滑，提高了電機運行效率和數(shù)控系統(tǒng)的可靠性。
【IPC分類】G05B19-416
【公開號】CN204595567
【申請?zhí)枴緾N201520016376
【發(fā)明人】沈孟鋒, 俞紅祥
【申請人】浙江師范大學
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年1月7日