技术领域本发明涉及自动化控制技术领域，特别涉及一种手摇脉冲发生器及其控制系统。
背景技术：
手摇脉冲发生器也称为电子手轮、手脉。广泛用于数控机床、雕刻机等自动化设备。操作者通过手摇脉冲发生器，可以完成对数控设备的定位、移动等操作。有些场合需要操作者能够感知操作对象的移动过程中所受到的阻力。例如，操作者在操作车床夹持机构时，需要感知夹持机构的夹持力；雕刻机手动操作时，需要感知刀具与工件的作用力。另外，有些情况下还需要手轮根据自身转动速度提供阻尼力矩，以防止操作过快，发生碰撞事故。现有的手摇脉冲发生器并不具有以上功能。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种手摇脉冲发生器及其控制系统，用以解决现有技术中现有的手摇脉冲发生器不具有夹持力感知以及阻尼力矩控制功能的问题。一种手摇脉冲发生器，包括机壳、手轮、光电编码器和磁粉制动器，所述手轮可转动的安装在所述机壳上，其一端设置在所述机壳外部，另一端插入所述机壳内部，所述光电编码器位于所述机壳内部，并套设在所述手轮外部，所述磁粉制动器可转动的安装在所述机壳内部，所述手轮插入所述机壳的一端通过皮带与所述磁粉制动器传动连接。优选地，所述手轮在露出所述机壳的一端设有手柄。本发明实施例还提供了一种手摇脉冲发生器，包括机壳、手轮、光电编码器和磁粉制动器，所述手轮转动的安装在所述机壳上，其一端设置在所述机壳外部，另一端插入所述机壳内部，所述光电编码器位于所述机壳内部，并套设在所述手轮位于所述机壳内部一端的外侧，所述磁粉制动器转动的安装在所述机壳内部，所述手轮插入所述机壳的一端通过皮带与所述磁粉制动器传动连接。优选地，所述手轮在露出所述机壳的一端设有手柄。本发明还提供了一种手摇脉冲发生器的控制系统，包括手摇脉冲发生器以及设置在所述手摇脉冲发生器内部的电路板，所述手摇脉冲发生器包括手轮、光电编码器和磁粉制动器，所述光电编码器检测所述手轮的位置变化，并生成相应的编码信息，所述手轮带动所述磁粉制动器转动，所述电路板上设有分频器、TTL-差分转换模块、T-M测速模块、第一A/D转换模块和数据接口，所述分频器将所述光电编码器生成的编码信息进行分频处理，所述TTL-差分转换模块将所述分频器分频后的信号转换为差分信号，并发送至外部执行机构，所述T-M测速模块计算所述分频器分频处理后的信号中的脉冲速度信息，所述第一A/D转换模块接收外部执行机构的反馈信号，并转换为相应的数字信号，所述数据接口接收外部设备的控制命令，所述磁粉制动器在所述脉冲速度信息、所述转换后的数字信号或外部设备的控制命令作用下产生相应的阻尼力矩，并将该阻尼力矩传递至所述手轮。优选地，所述电路板上设有差分-TTL转换模块，所述差分-TTL转换模块将所述光电编码器生成的编码信息转换为TTL电平信号，由所述分频器对所述TTL电平信号进行分频处理。优选地，所述电路板上设有拨码开关和GPIO单元，所述GPIO单元在所述拨码开关的控制下调节所述分频器的分频比。优选地，所述数据接口包括CAN总线接口和RS485接口。优选地，所述电路板设有计数器，所述计数器计算所述分频器进行分频处理后的信号中的脉冲数信息，并通过所述CAN总线接口和RS485接口将所述脉冲数信息发送至外部设备。优选地，所述电路板上设有指令读取模块、霍尔传感器、第二A/D转换模块、电流获取模块、等效阻尼力矩确定模块、偏差信号确定模块、电流闭环控制模块、PWM单元和H桥驱动器，所述指令读取模块根据所述脉冲速度信息、所述转换后的数字信号或外部设备的控制命令计算相应的指令阻尼力矩，所述霍尔传感器检测所述磁粉制动器的激磁电流，由所述第二A/D转换模块将所述激磁电流转换为数字信号，所述电流获取模块获取转换后的电流信号，所述等效阻尼力矩确定模块根据所述转换后的电流信号确定相应的等效阻尼力矩，所述偏差信号确定模块计算所述等效阻尼力矩和指令阻尼力矩的差值，由所述电流闭环控制模块计算与所述偏差信号确定模块确定的差值相应的H桥占空比，所述PWM单元根据所述H桥占空比生成相应的PWM脉冲控制信号，所述H桥驱动器根据所述PWM脉冲控制信号生成相应的激磁电流，以控制所述磁粉制动器产生相应的阻尼力矩。优选地，所述等效阻尼力矩确定模块根据所述磁粉制动器的电流-阻尼力矩特性曲线以及所述电流获取模块获取的电流信号确定所述等效阻尼力矩。优选地，所述电流闭环控制模块采用PI控制算法，调用PID控制子函数确定所述H桥占空比。本发明实施例中一种手摇脉冲发生器及其控制系统，手摇脉冲发生器中手轮和磁粉制动器通过皮带传动，光电编码器检测手轮的转动状态，生成相应的编码信息以控制磁粉制动器的阻尼力矩，同时磁粉制动器在三种模式下收外部设备或编码信息的控制，产生相应的阻尼力矩以控制手轮的转动状态，达到了阻尼力矩连续可调的效果。附图说明为了更清楚地说明本发明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例提供的一种手摇脉冲发生器的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种手摇脉冲发生器控制系统的模块图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。参照图1，本发明实施例提供了一种手摇脉冲发生器。所述手摇脉冲发生器100包括机壳101，所述机壳101上设置有可转动的手轮102。所述手轮102一端位于所述机壳101内部，一端露出所述机壳101。所述手轮102位于所述机壳101内部的部分外侧套设有光电编码器103，且所述光电编码器103与所述手轮102同轴。所述机壳101内部设有磁粉制动器104，所述手轮102位于所述机壳101内部的部分通过皮带105与所述磁粉制动器104连接，所述磁粉制动器104在外部电流的控制下产生阻尼力矩，并通过所述皮带105将阻尼力矩传递至所述手轮102。在本实施例中，所述手轮102上设有手柄106，便于使用者转动所述手轮102。除所述手轮102、光电编码器103、皮带105、磁粉制动器104之外，所述机壳101内部还设有电路板(图未示)。参照图2，本发明实施例还提供了一种手摇脉冲发生器的控制系统，所述控制系统除包括所述手轮102、光电编码器103和磁粉制动器104外，还包括差分-TTL转换模块107、分频器108、GPIO(通用输入输出)单元109、拨码开关110、TTL-差分转换模块111、T-M(周期-频率)测速模块112、计数器113、计数缓存114、任务发送模块115、定时器116、RS485(智能仪表)接口117、CAN(控制器局域网络)总线接口118、指令缓存119、第一A/D转换模块120、指令读取模块121、偏差信号确定模块122、电流闭环控制模块123、PWM(脉冲宽度调制)单元124、H桥驱动器125、霍尔传感器126、第二A/D转换模块127、电流获取模块128、等效阻尼力矩确定模块129。所述定时器116在系统复位后启动，其工作周期设定为1ms。所述定时器116产生周期性的脉冲信号，并发送至所述任务发送模块115和指令读取模块121，以控制所述任务发送模块115和指令读取模块121在所述定时器116产生的脉冲信号的上升沿或下降沿工作。所述手柄106带动所述手轮102转动时，所述光电编码器103检测所述手轮102的位置变化，并生成与所述手轮102位置变化情况对应的编码信息。在本实施例中，所述编码信息包括脉冲数信息以及脉冲速度信息。所述光电编码器103生成的编码信息为差分信号，经过所述差分-TTL转换模块107转换为TTL电平(晶体管-晶体管逻辑电平)后传输至所述分频器108。所述分频器108在受控的分频比下对转换后的TTL电平进行分频处理，经过分频处理的TTL电平信号经过所述TTL-差分转换模块111转换为差分信号，以控制外部机构，例如伺服电机驱动器等。所述分频器108与所述GPIO单元109连接，所述GPIO单元109与所述拨码开关110连接。所述GPIO单元109响应使用者对所述拨码开关110的操作生成相应的分频比，所述分频器108根据生成的分频比进行分频。所述T-M测速模块112采用T-M测速法计算分频后的TTL电平中的脉冲速度信息，并将所述脉冲速度信息发送至所述指令缓存119，所述指令缓存119存储所述脉冲速度信息。所述分频器108分频后的TTL电平还发送至所述计数器113，所述计数器113统计分频后的TTL电平中的脉冲数信息，然后由所述计数缓存114存储所述脉冲数信息。所述任务发送模块115在所述定时器116产生的脉冲信号控制下，获取所述计数缓存114中的脉冲数信息，并通过所述CAN总线接口118或RS485接口117发送至外部设备，例如上位机等。所述CAN总线接口118和RS485接口117还可以接收外部设备的指令，并发送至所述指令缓存119进行存储。所述第一A/D转换模块120接收外部设备的反馈信号，将该反馈信号转换为数字信号后，由所述指令缓存119存储转换后的反馈信号。所述指令读取模块121在所述定时器116产生的脉冲信号控制下，获取所述指令缓存119中存储的脉冲速度信息、外部设备的指令或转换后的反馈信号，并根据获取的脉冲速度信息、外部设备的指令或转换后的反馈信号确定相应的指令阻尼力矩。所述霍尔传感器126检测所述磁粉制动器104中的电流，经由所述第二A/D转换模块127转换为数字信号后，由所述电流获取模块128确定转换的后的电流。所述等效阻尼力矩确定模块129根据所述电流获取模块128确定的电流确定相应的等效阻尼力矩。具体地，所述等效阻尼力矩确定模块129根据所述磁粉制动器104的电流-阻尼力矩特性曲线以及所述电流获取模块128确定的电流确定所述等效阻尼力矩。所述偏差信号确定模块122根据所述指令读取模块确定的指令阻尼力矩和所述等效阻尼力矩确定模块129确定的等效阻尼力矩计算偏差信号。具体地，所述偏差信号确定模块122计算所述指令阻尼力矩和等效阻尼力矩的差值，作为所述偏差信号。所述电流闭环控制模块123根据所述偏差信号确定模块122确定的偏差信号确定H桥占空比信号。具体地，所述电流闭环控制模块123采用PI(比例积分)控制算法，调用PID(比例积分微分)控制子函数确定所述H桥占空比信号。所述PWM单元124根据所述电流闭环控制模块123确定的H桥占空比信号生成相应的PWM脉冲控制信号。所述H桥驱动器125在所述PWM单元124生成的PWM脉冲控制信号的作用下产生相应的激磁电流，以控制所述磁粉制动器104产生相应的阻尼力矩。本实施例中所述控制系统具有三种控制模式，模式I为由所述第一A/D转换模块120接收外部设备的反馈信号，由所述指令缓存119和指令读取模块121进行存储和处理。在模式I中，还可以由所述CAN总线接口118或RS485接口117接收外部设备的指令，由所述指令缓存119和指令读取模块121进行存储和处理。模式II为由所述T-M测速模块112计算所述脉冲速度信息，并由所述指令缓存119和指令读取模块121进行存储和处理。模式III为由所述指令缓存119存储模式I和模式II中的反馈信号、外部设备的指令以及脉冲速度信息，并由所述指令读取模块121按照预先设置的权重对所述反馈信号、外部设备的指令以及脉冲速度信息进行处理。由于所述磁粉制动器104通过所述皮带105与所述手轮102传动，因此所述磁粉制动器104输出的阻尼力矩传递至所述手轮102，以控制所述手轮102的转动状态，达到阻尼力矩连续可调的效果。本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。