一种离散采样的s曲线加减速控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及数控机床的数字控制加工技术领域，具体是一种离散采样的S曲 线加减速控制装置。
【背景技术】
[0002] 在计算机数字控制系统（CNC，ComputerNumericalControl)中，为避免各轴产生 冲击、失步、超程和振荡，W保证运动部件的平稳和准确定位，必须进行加减速控制，W使进 给速度平滑过渡。常用的加减速控制有直线加减速、指数加减速、S曲线加减速等方法。直 线加减速和指数加减速，虽然计算量小，编程简单，但是在加减速阶段存在加速度突变的现 象，导致机床产生剧烈振动，不适合用于数控机床的高速加工。S曲线加减速方法可实现加 减速过程中加速度的连续变化，能够有效减小冲击和振荡。而S曲线加减速控制要实现多 阶段和自动加减速控制，参数调整不易，算法实现较为复杂，因而S曲线加减速控制多用软 件来实现。
[0003]目前数控系统大都基于数据采样控制系统，其数据采样周期均为一固定时间周期 常数，从2-8ms不等。在数据采样控制系统中，所有不同处理步骤的时间理论上必须为该周 期的整数倍，但实际上会有误差，因此会带来相应的量化误差问题，即圆整误差。采样周期 越大，误差也越大。该误差会对速度进给的平滑性、加工表面的光洁度带来相应的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术的不足，提供一种在定长脉冲驱动模式下基于现场可编程口 阵列硬件平台的高频离散采样S曲线加减速控制装置，是一种高速可靠、圆整误差小、进给 速度平滑，适用于一般CNC系统的加减速控制装置。
[0005] 本实用新型的技术方案如下：
[0006] 一种离散采样的S曲线加减速控制装置，其特征在于：通过人机交互界面将运动 参数写入该基于现场可编程口阵列的加减速控制装置，该装置完成加减速运算配置脉冲频 率后，产生相应脉冲用W驱动电机，当输出脉冲数等于预设脉冲数时，控制器停止输出，电 机完成走位。同时装置还接收编码器的反馈信号，W反映当前电机的速度和实际的位移。 (如图1所示）
[0007] 本实用新型利用可调分频器来产生预设频率的脉冲。在已知的高频系统时钟下， 根据给定的离散算法来修改脉冲的频率值，就能产生一连串预期频率的脉冲，该些脉冲即 可通过差分巧片直接控制伺服电机驱动器。
[000引本实用新型基于离散采样，可设系统设置的采样周期、最高驱动速度和初始速度 分别为L、V郝V。。限定加加速段、减加速段、加减速段和减减速段所用的时间相等，设为 t。（如图2)，则有tt=N。(N。表示t。时间内的采样周期数），匀速段所用时间为tU，匀加 速段和匀减速段所用的时间相等且设为td，则有td=Nd?L(Nd表示td时间内的采样周期 数）。最大加速度和加速度导数分别为4。"和j。，则由线性变化的加速度规律可得tt=Am"/ Ja。
[0009] 本实用新型根据运动控制模块所需实现的功能，采用硬件描述语言将现场可编程 口阵列片内逻辑设计分为四个子功能模块；采样周期模块、速度控制模块、计数比较模块、 脉冲发生模块（如图3所示）。
[0010] 本实用新型的采样周期模块主要是通过对系统时钟分频计数得到采样周期和触 发脉冲的，由一个分频器和一个计数器组成。其具体步骤为：
[0011]stepl设置一个可更改的分频系数Dt，用于对系统时钟Fdk的分频。采样频率fT 和采样周期L的表达式为；fT=Fdk/〇T，L=Di/Ftik，采样频率越高，速度越平滑。
[0012] Step2计数器对分频后的采样频率脉冲计数，产生两个频率相同（均为fT)但不同 步的触发脉冲Ta，町，分别用于触发1乘法器和At乘法器的运作，W实现对速度控制模块中 的两个累加器进行同频异步控制。
[0013] 本实用新型的速度控制主要体现在一个采样时间内的电机位移增量，是对速度增 量的积分，也是对加速度增量的二重积分。因此在速度控制模块中，设计了 1选择器、At累 加器、ft累加器W及2个乘法器。其具体步骤为：
[0014] Stepl系统设置一个可调加速度导数j。，则j。选择器将对外部控制信号EN1，EN2 进行译码进而选择使用1，〇及个参数进入j。乘法器与采样周期值T,相乘。
[0015] St巧2j。乘法器输出加速度增量J进入At累加器。
[0016]St巧3At累加器输出当前加速度值A(t)进入At乘法器。
[0017]Step4At乘法器将当前加速度值A(t)、采样周期T,和脉冲当量0的倒数进行相 乘，输出脉冲频率增量Af进入ft累加器。
[0018]St巧5ft累加器输出预期脉冲的频率值f(t)。
[0019] 本实用新型本质上是改变预期脉冲的频率值来控制速度。而S曲线加减速相应的 时间节点控制是由计数比较模块完成。根据已知预期脉冲的频率值f(t)，采用可调分频器 对高频系统时钟进行分频的方法获得该脉冲。
[0020] 本实用新型的脉冲发生模块设计有锁相环化L、除法器、寄存器和分频器。其具体 步骤为：
[0021] stepl系统时钟Fdk进入化L倍频，设倍频系数为k。则倍频后的高频时钟Fdkpn =k?Fcik。
[0022] Step2在寄存器中设置32位的整型数G(其值为高频时钟Fcikpii的频率值），作为 除法器的被除数。
[0023]Step3将当前预期脉冲频率值f(t)作为除法器的除数，由此可得
【主权项】
1. 一种离散采样的S曲线加减速控制装置，其特征在于：该装置是基于现场可编程门 阵列为核心控制器，根据运动规划所需实现的功能，采用硬件描述语言将现场可编程门阵 列片内逻辑设计分为四个子功能模块：采样周期模块、速度控制模块、计数比较模块、脉冲 发生模块；其中采样周期模块由一个分频器和一个计数器组成；速度控制模块设计了 1选 择器、At累加器、ft累加器以及2个乘法器；脉冲发生模块设计有锁相环PLL、除法器、寄存 器和分频器；计数比较模块采用了两个计数器及四个比较器；通过人机交互界面将运动参 数写入该基于现场可编程门阵列的加减速控制装置；该装置完成加减速运算配置脉冲频率 后，产生相应脉冲用以驱动电机；同时装置还接收编码器的反馈信号，以反映当前电机的速 度和实际的位移。
【专利摘要】本实用新型属于数控加工技术领域，具体是一种离散采样的S曲线加减速控制装置。所述离散采样的S曲线加减速控制装置利用硬件描述语言设计了采样周期模块、速度控制模块、计数比较模块和脉冲发生模块；共由一个锁相环、一个除法器、一个选择器、一个寄存器、两个分频器、两个累加器、两个乘法器、三个计数器和四个比较器组成。该装置基于现场可编程门阵列运动控制器硬件平台，通过对电机位置、速度及加速度的实时反馈比较，改变加加速的状态，进而改变加速度累加器和速度累加器的值，实现了对驱动脉冲频率的S曲线控制。本实用新型采样频率高，可重构复用；驱动脉冲频率变化连续、平滑，提高了电机运行效率和数控系统的可靠性。
【IPC分类】G05B19-416
【公开号】CN204595567
【申请号】CN201520016376
【发明人】沈孟锋, 俞红祥
【申请人】浙江师范大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年1月7日