专利名称：基于工业以太网总线的绝对式光栅控制系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及工业以太网的技术领域，特别涉及一种基于工业以太网总线的绝对式光栅控制系统及控制方法。
背景技术：
由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统，又称反馈控制系统。这是一种自动控制系统，其中包括功率放大和反馈，使输出变量的值响应输入变量的值。数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若工作台没有移动，即位置反馈信号不变时，指令和反馈差值经放大器放大后使伺服电动机转动，经过齿轮、滚珠丝杠螺母副等传动元件带动机床工作台移动。装在机床工作台上的位置测量元件，测出工作台的实际位移量后，反馈到数控装置的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行控制。若两者存在差值，经放大器后放大，再控制伺服驱动电动机转动，直至差值为零时，工作台才停止移动。目前的光栅闭环控制主要采用两种方法实现1.伺服驱动器直接带光栅控制接口 ；2.采用现场总线通过光栅适配器与光栅连接通信。方法I主要存在不能灵活适配各种光栅设备的缺点，很难实现多重系统保护功能，并增加伺服驱动的运算负荷；方法2主要存在现场总线通信速率较低，通信数据量小，很难实现伺服系统与光栅设备数据的高速交叉通信的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于工业以太网总线的绝对式光栅控制系统。本发明的另一目的在于，提供一种基于上述控制系统的控制方法。为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案本发明基于工业以太网总线的绝对式光栅控制系统，由数控系统通过工业以太网总线与各从站设备环形拓扑连接，从站包括顺序连接的IO单元、数字主轴驱动器、进给轴驱动器和光栅适配器从站rou，所述光栅适配器从站rou连接直线光栅和角度光栅。优选的，所述光栅适配器从站PDU包括FPGA主芯片，串行存储器EPCS和SDRAM存储器，以太网物理芯片与双网络接口、电源转换以及光栅设备串行接口。优选的，所述FPGA主芯片采用片上系统SOC技术，可灵活配置软硬件系统框架，硬件框架构造包括软核主CPU、与软核主CPU连接的内部RAM、定时器、工业以太网协议接口及光栅通信协议模块，通过内部Avalon总线互连通信；由软核主CPU控制程序，通过光栅通信协议模块及光栅接口与光栅设备实时通信，并通过工业以太网协议接口与主站CNC系统实时交互通信，将光栅设备数据信息实时反馈给主系统。优选的，所述数字主轴驱动器连接主轴电机，所述进给轴驱动器连接进给轴电机，所述IO单元连接输入输出信号，通过工业以太网接口与主系统实时交互数据，有效控制电机的运动和IO信号的正常运行。为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案本发明基于工业以太网总线的绝对式光栅控制方法，包括下述步骤S11、基于工业以太网的CNC系统主站和伺服驱动器、数字主轴驱动器、IO单元以及光栅适配器从站的环形拓扑连接；S12、光栅适配器从站连接绝对光栅设备，光栅适配器从站采用Altera FPGA提供的Quartus-1i及SOPC Builder开发环境，建立系统硬件工程，所述系统硬件工程具体包括软核主CPU、EPCS存储芯片接口、片上RAM、SDRAM控制器接口、与海德汉绝对光栅通信的Endat2. 2协议接口(或与发格绝对光栅通信的Feedat2. O协议接口)及GSK-Link工业以太网协议接口等构成；S13、光栅适配器从站上电后,软件初始化系统外围设备,读取各光栅设备的ID,光栅类型及光栅精度等信息，通过GSK-Link工业以太网总线，交互各光栅设备的通信和类型参数，并开启光栅周期数据通信中断和工业以太网总线中断，然后系统进入正常周期通信处理流程；S14、系统周期性的读取各光栅设备的位置数据，并根据步骤S13中已得到的光栅类型和光栅精度信息，折算为实际光栅绝对位置，通过工业以太网总线实时反馈给CNC主系统；S15、系统周期读取各光栅设备位置数据与速度数据的同时，也实时得到光栅的运行状态，当光栅设备异常报警时，也通过工业以太网总线实时反馈给CNC主系统，以保证系统的安全运行。优选的，步骤S14中，折算光栅实际绝对位置的具体方法如下S141、系统指令位置的指令精度单位和反馈位置数据的检测精度单位保持一致，综合实际使用需求，按照O.1um的精度单位进行；S142、在步骤S13初始化中系统自动得到光栅的类型和光栅精度信息，光栅类型主要包括直线光栅和角度光栅，对于直线光栅，单位为nm，角度光栅为每转脉冲个数，因此直线光栅的计算因子为光栅精度数据/100(0.1um),而角度光栅计算因子为360*10000/光栅精度数据(O.1udeg)；S143、光栅绝对位置=光栅反馈位置数据*光栅计算因子。优选的，所述控制方法为全闭环控制方法，全闭环控制方法具体步骤如下S21、通过工业以太网总线，CNC系统在初始阶段或急停松开时，将反馈的各光栅设备的绝对位置作为系统机床坐标位置；系统正常运行过程中，系统指令位置与周期得到的各光栅设备的绝对位置数据作位置PID闭环处理，得到的指令速度控制伺服系统的运行，最终带动机床的运动；S22、各光栅轴设备通过参数选择有效或无效，光栅轴设备选择无效时，由伺服的反馈位置作半闭环处理，但相应的光栅位置数据可通过诊断显示出来；S23、光栅位置方向可通过参数设置选择，确保光栅运动方向与伺服轴运动方向保持一致，从而保证PID位置闭环的有效运行；S24、系统实现双位置环功能，以解决全闭环控制下，对于间隙比较大的机床，在较高速度运行时可能出现机床振动的情况，机床运动移动中获得如同半闭环一样的高控制性能，而在停止时使用光栅检测的高精度定位；S25、系统提供设置机床零点功能，设置光栅零点时，设置光栅的零点偏置保存在CNC系统的铁电内存中，即使系统断电也不消失，这样周期反馈的光栅位置与零点偏置值之差就是实际的光栅反馈位置；S26、伺服系统采用绝对式编码器，系统断电重启也能记忆伺服反馈位置，反馈的绝对光栅位置与伺服编码器反馈的位置之差超过参数设置的容许范围时，则产生报警；S27、开启全闭环振动抑制功能时，光栅适配器从站将光栅反馈速度通过工业以太网总线实时发送到相应的伺服系统从站，实现工业以太网总线从站之间实时高速交叉通信。伺服系统速度环PID控制中，通过纳入光栅速度数据的计算，可有效抑制全闭环机床的振动。优选的，系统具有静态超差和动态超差参数，当系统初始化时，指令的位置值与反馈的光栅绝对位置值在静态超差参数范围内时，系统PID闭环自动调节光栅位置值到指令的位置值，否则系统指令值跟随光栅反馈位置值；系统静止时，偏差最大值为静态超差参数值，系统运动时，则偏差最大值自动切换到动态超差参数值，如果系统指令位置值与光栅反馈位置值的偏差值超过偏差最大值时，启动超差报警。优选的，直线光栅的坐标值与系统的指令坐标值保持一致，因此可以直接采用PID闭环处理；而角度光栅反馈值总是在O至360度范围内变化，但指令坐标值则可能与它不一致，因此不能直接采用PID闭环处理，还需要对反馈光栅坐标值作相应的匹配换算处理；换算的方法如下光栅多循环值(整型)=系统指令坐标值/360 ；实际PID计算的反馈坐标值=光栅多循环值*360+光栅反馈坐标值；此时可进行PID全闭环或双位置环的运算，这里需要注意的是，反馈的光栅坐标值可能在O度与360度的小区间跳变，此时得到的PID计算的反馈坐标值可能与指令坐标值存在近360度的差值，因此需要考虑这个因素后的位置值才是最终PID计算的机床反馈坐标值。优选的，除使用工业以太网协议本身的CRC校验外，CNC系统与光栅适配器从站之间的实时通信协议通过双向握手翻转信号加以保护，即CNC系统的指令控制字和光栅适配器从站的反馈控制字周期通信翻转握手，保证周期通信数据都具有翻转握手信号才接收新的数据，进一步确保系统实时通信的数据安全性。本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果1、光栅适配器从站可以灵活适配各种光栅设备，能实现更高的通信吞吐量、通信速率及更短的通信周期。2、伺服系统与光栅设备间能实现直接高速交叉通信，为闭环振动抑制功能的实施提供简洁强大的技术支撑。3、闭环控制系统采用环形拓扑，连接简便，从站设备可灵活扩展。4、闭环控制系统具备多重系统保护功能，保证系统安全有效运行。
图1是本发明基于工业以太网总线的系统拓扑连接图2是光栅适配器从站软硬件结构示意图；图3本发明双位置环控制方框图；图4光栅适配器(Endat2. 2/Feedat2. O)从站控制软件处理流程。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例如图1、图2所示，本实施例基于工业以太网总线的绝对式光栅控制系统，由数控系统通过工业以太网总线与各从站设备环形拓扑连接，其特征在于，从站包括顺序连接的IO单元、数字主轴驱动器、进给轴驱动器和光栅适配器从站rou，所述光栅适配器从站rou连接直线光栅和角度光栅。所述光栅适配器从站PDU包括FPGA主芯片，串行存储器EPCS和SDRAM存储器，以太网物理芯片与双网络接口、电源转换以及光栅设备串行接口。所述FPGA主芯片采用片上系统SOC技术，可灵活配置软硬件系统框架，硬件框架构造包括软核主CPU、与软核主CPU连接的内部RAM、定时器、工业以太网协议接口及光栅通信协议模块，通过内部Avalon总线互连通信；由软核主CPU控制程序，通过光栅通信协议模块及光栅接口与光栅设备实时通信，并通过工业以太网协议接口与主站CNC系统实时交互通信，将光栅设备数据信息实时反馈给主系统。所述数字主轴驱动器连接主轴电机，所述进给轴驱动器连接进给轴电机，所述IO单元连接输入输出信号，通过工业以太网接口与主系统实时交互数据，有效控制电机的运动和IO信号的正常运行。如图4所示，本实施例基于工业以太网总线的绝对式光栅控制方法，包括如下的关键特性(I)基于工业以太网总线的CNC系统主站和伺服、数字主轴、IO及光栅适配器从站的环行拓扑连接，系统主站在初始阶段自动识别各从站的类型，并根据各从站类型进行周期通信，具体的连接方式参见图1的工业以太网总线的系统拓扑连接图。(2)每个光栅适配器从站最多连接6个绝对光栅设备，并可通过工业以太网扩展光栅适配器从站，目前已经支持的绝对光栅包括基于Endat2. 2的海德汉绝对光栅和基于Feedat2.0的发格绝对光栅，光栅从站硬件设计框架参见图2，光栅适配器从站采用AlteraFPGA提供的Quartus-1i及SOPC Builder开发环境，建立系统硬件工程，具体硬件工程包括软核CPU、EPCS存储芯片、片上RAM、SDRAM、海德汉厂家提供的Endat2. 2协议或发格厂家提供的Feedat2. O协议,及GSK-Link工业以太网协议等,通过Avalon总线相互连接,从而实现基于FPGA的SOC软硬件系统，不改变硬件的情况下，可以灵活支持多种厂家协议的绝对光栅设备。(3)绝对光栅从站上电后，软件初始化系统外围设备，设置各光栅设备的通信参数，并自动读取各光栅设备的ID，光栅类型及光栅精度等信息，开启光栅周期数据周期中断通信；并通过GSK-Link工业以太网总线，将各绝对光栅设备的类型等参数发送给CNC系统主站，然后进入正常通信处理流程。
(4)PDU从站系统周期性的读取各光栅设备的位置数据，并根据(3)中已得到的光栅类型和光栅精度信息，折算为实际的绝对机床位置，并通过工业以太网总线实时反馈给CNC系统。(5)系统周期读取各光栅设备位置数据的同时，也得到光栅的运行状态，当光栅设备异常报警时，也通过工业以太网总线实时反馈给CNC系统，以保证系统的安全运行。基于工业以太网总线的绝对式光栅控制方法，可实现绝对光栅的系统全闭环控制方法，包括如下的关键特性(I)通过工业以太网总线，CNC主系统在初始阶段，将反馈的各光栅设备的绝对位置作为系统机床实际坐标位置；系统正常运行过程中，系统指令位置与周期得到的各光栅设备的绝对反馈位置数据作位置PID闭环处理，计算得到的速度指令控制伺服从站系统的正常运行。(2)各光栅轴设备可通过参数选择有效或无效，选择光栅设备无效时，轴控制自动进入半闭环控制，但相应的光栅位置数据可以通过诊断显示处理，从而有利于用户调试光栅设备。(3)光栅位置方向也可通过参数设置选择，因此可以保证PID位置闭环的有效运行，可防止由于安装等原因出现PID正反馈的异常情况。(4)系统实现双位置环功能，以解决全闭环控制下，对于间隙比较大的机床，在较高速度运行时可能出现机床振动的情况。参见图3，机床移动中获得如同半闭环一样的高控制性能，而在停止时使用光栅检测的高精度定位。(5)系统提供设置机床零点功能，设置光栅零点时，设置光栅的零点偏置保存在CNC系统的铁电内存中，即使系统断电也不消失。这样周期反馈的光栅位置与零点偏置值之差就是实际的光栅反馈位置。(6)为有效保护系统的安全运行，除提供光栅设备报警功能外，因伺服编码器采用绝对式编码器，反馈的绝对光栅尺的坐标与伺服编码器反馈的坐标值的差值超过参数设置的容许范围时，则产生报警，以保证系统运行的安全性。(7)系统具有静态超差和动态超差两种参数，可以起到两方面的作用a.当系统初始化时，指令的位置值与反馈的光栅绝对位置值在静态超差参数范围内时，系统PID闭环自动调节光栅位置值到指令的位置值，否则系统指令值跟随光栅反馈位置值。b.系统静止时，容许的偏差最大值为静态超差参数值；系统运动时，则容许的偏差最大值自动切换到动态超差参数值，如果系统指令位置值与光栅反馈位置值的偏差值超过容许的偏差最大值时，产生超差报警，对系统起到安全保护作用。(8)绝对式光栅尺类型主要有两种直线光栅和角度光栅。直线光栅的反馈值与系统的指令值保持一致，因此可以直接采用PID闭环处理；而角度光栅的反馈值总是在O至360度内变化，但指令坐标值则可能与它不一致，因此不能直接采用PID闭环处理，还需要对反馈光栅坐标值作相应的匹配换算处理。换算的方法由系统指令坐标得到多循环值，由多循环值乘以360度，再加上光栅反馈坐标值即为换算后的机床反馈坐标值，此时可进行PID全闭环或双位置环的运算。还需要注意的是，反馈的光栅坐标值可能在O度和360度的小区间内跳变，此时得到的机床反馈坐标值可能与指令坐标值存在360度的计算差值，因此需要考虑这个因素后的值才是实际的机床反馈坐标值。
(9)CNC系统与绝对光栅从站之间的通信协议通过双向握手翻转信号加以保护，即CNC系统的指令控制字和光栅从站的反馈控制字每次翻转握手，使每次的正常通信数据都具有翻转握手信号，进一步保证系统通信的数据正确性。(10)对于(8)所述的角度光栅，在旋转轴一直往相同的方向运动的情况下，为了保证系统的运算精度以及防止数据溢出的问题，系统需采用双精度浮点PID闭环运算。为此采用FPGA的硬件实现闭环位控功能，可大大减轻系统负荷，并得到更短的闭环控制周期与系统实时通信周期，从而确保闭环控制的有效运行。(11)光栅振动抑制是全闭环光栅控制中需要重点解决的问题。由于采用(4)中提到的双位置环控制方法会带来加工过程中的精度损失，因此必须采用全闭环控制，但由于机床在加减速控制等情况下，伺服电机与机械之间会发生扭转变形，有时会产生速度差而导致机床振动，因此需要将光栅设备反馈的速度(即机床速度)通过总线交叉通信实时反馈给伺服系统，根据伺服电机和机械速度的差值作为电流(力矩)控制的考量因素，可以避免机床的振动。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于工业以太网总线的绝对式光栅控制系统，由数控系统通过工业以太网总线与各从站设备环形拓扑连接，其特征在于，从站包括顺序连接的IO单元、数字主轴驱动器、进给轴驱动器和光栅适配器从站rou，所述光栅适配器从站PDU连接直线光栅和角度光栅。
2.根据权利要求1所述的基于工业以太网总线的绝对式光栅控制系统，其特征在于，所述光栅适配器从站PDU包括FPGA主芯片，串行存储器EPCS和SDRAM存储器，以太网物理芯片与双网络接口、电源转换以及光栅设备串行接口。
3.根据权利要求1所述的基于工业以太网总线的绝对式光栅系统，其特征在于，所述FPGA主芯片采用片上系统SOC技术，可灵活配置软硬件系统框架，硬件框架构造包括软核主CPU、与软核主CPU连接的内部RAM、定时器、工业以太网协议接口及光栅通信协议模块，通过内部Avalon总线互连通信；由软核主CPU控制程序，通过光栅通信协议模块及光栅接口与光栅设备实时通信，并通过工业以太网协议接口与主站CNC系统实时交互通信，将光栅设备数据信息实时反馈给主系统。
4.根据权利要求1所述的基于工业以太网总线的绝对式光栅系统，其特征在于，所述数字主轴驱动器连接主轴电机，所述进给轴驱动器连接进给轴电机，所述IO单元连接输入输出信号，通过工业以太网接口与主系统实时交互数据，有效控制电机的运动和IO信号的正常运行。
5.一种基于工业以太网总线的绝对式光栅控制方法，其特征在于，包括下述步骤: S11、基于工业以太网的CNC系统主站和伺服驱动器、数字主轴驱动器、IO单元以及光栅适配器从站的环形拓扑连接； 512、光栅适配器从站连接绝对光栅设备，光栅适配器从站采用AlteraFPGA提供的Quartus-1i及SOPC Builder开发环境,建立系统硬件工程； S13、光栅适配器从站上电后，软件初始化系统外围设备,读取各光栅设备的ID,光栅类型及光栅精度等信息，通过GSK-Link工业以太网总线，交互各光栅设备的通信和类型参数，并开启光栅周期数据通信中断和工业以太网总线中断，然后系统进入正常周期通信处理流程； S14、系统周期性的读取各光栅设备的位置数据，并根据步骤S13中已得到的光栅类型和光栅精度信息，折算为实际光栅绝对位置，通过工业以太网总线实时反馈给CNC主系统； S15、系统周期读取各光栅设备位置数据与速度数据的同时，也实时得到光栅的运行状态，当光栅设备异常报警时，也通过工业以太网总线实时反馈给CNC主系统，以保证系统的安全运行。
6.根据权利要求5所述基于工业以太网总线的绝对式光栅控制方法，其特征在于，步骤S14中，折算光栅实际绝对位置的具体方法如下: S141、系统指令位置的指令精度单位和反馈位置数据的检测精度单位保持一致，综合实际使用需求，按照0.1um的精度单位进行； S142、在步骤S13初始化中系统自动得到光栅的类型和光栅精度信息，光栅类型主要包括直线光栅和角度光栅，对于直线光栅，单位为nm，角度光栅为每转脉冲个数，因此直线光栅的计算因子为:光栅精度数据/100 (0.1um),而角度光栅计算因子为:360*10000/光栅精度数据(0.1udeg)； S143、光栅绝对位置=光栅反馈位置数据*光栅计算因子。
7.根据权利要求5所述基于工业以太网总线的绝对式光栅控制方法，其特征在于，所述控制方法为全闭环控制方法，全闭环控制方法具体步骤如下: 521、通过工业以太网总线，CNC系统在初始阶段或急停松开时，将反馈的各光栅设备的绝对位置作为系统机床坐标位置；系统正常运行过程中，系统指令位置与周期得到的各光栅设备的绝对位置数据作位置PID闭环处理，得到的指令速度控制伺服系统的运行，最终带动机床的运动； 522、各光栅轴设备通过参数选择有效或无效，光栅轴设备选择无效时，由伺服的反馈位置作半闭环处理，但相应的光栅位置数据可通过诊断显示出来； 523、光栅位置方向可通过参数设置选择,确保光栅运动方向与伺服轴运动方向保持一致，从而保证PID位置闭环的有效运行； 524、系统实现双位置环功能，以解决全闭环控制下，对于间隙比较大的机床，在较高速度运行时可能出现机床振动的情况，机床运动移动中获得如同半闭环一样的高控制性能，而在停止时使用光栅检测的高精度定位； 525、系统提供设置机床零点功能，设置光栅零点时，设置光栅的零点偏置保存在CNC系统的铁电内存中，即使系统断电也不消失，这样周期反馈的光栅位置与零点偏置值之差就是实际的光栅反馈位置； 526、伺服系统采用绝对式编码器，系统断电重启也能记忆伺服反馈位置，反馈的绝对光栅位置与伺服编码器反馈的位置之差超过参数设置的容许范围时，则产生报警； 527、开启全闭环振动抑制功能时，光栅适配器从站将光栅反馈速度通过工业以太网总线实时发送到相应的伺服系统从站，实现工业以太网总线从站之间实时高速交叉通信，伺服系统速度环PID控制中，通过纳入光栅速度数据的计算，可有效抑制全闭环机床的振动。
8.根据权利要求 7所述基于工业以太网总线的绝对式光栅控制方法，其特征在于，系统具有静态超差和动态超差参数，当系统初始化时，指令的位置值与反馈的光栅绝对位置值在静态超差参数范围内时，系统I3ID闭环自动调节光栅位置值到指令的位置值，否则系统指令值跟随光栅反馈位置值；系统静止时，偏差最大值为静态超差参数值，系统运动时，则偏差最大值自动切换到动态超差参数值，如果系统指令位置值与光栅反馈位置值的偏差值超过偏差最大值时，启动超差报警。
9.根据权利要求7所述基于工业以太网总线的绝对式光栅控制方法，其特征在于，直线光栅的坐标值与系统的指令坐标值保持一致，因此可以直接采用PID闭环处理；而角度光栅反馈值总是在O至360度范围内变化，但指令坐标值则可能与它不一致，因此不能直接采用PID闭环处理，还需要对反馈光栅坐标值作相应的匹配换算处理；换算的方法如下: 光栅多循环值=系统指令坐标值/360 ； 实际PID计算的反馈坐标值=光栅多循环值*360+光栅反馈坐标值 此时可进行PID全闭环或双位置环的运算，这里需要注意的是，反馈的光栅坐标值可能在O度与360度的小区间跳变，此时得到的PID计算的反馈坐标值可能与指令坐标值存在近360度的差值，因此需要考虑这个因素后的位置值才是最终PID计算的机床反馈坐标值。
10.根据权利要求7所述基于工业以太网总线的绝对式光栅控制方法，其特征在于，除使用工业以太网协议本身的CRC校验外，CNC系统与光栅适配器从站之间的实时通信协议通过双向握手翻转信号加以保护，即CNC系统的指令控制字和光栅适配器从站的反馈控制字周期通信翻转握手，保证周期通信数据都具有翻转握手信号才接收新的数据，进一步确保系统实时通信的数据 安全性。
全文摘要
本发明公开了一种基于工业以太网总线的绝对式光栅控制系统及控制方法，由数控系统主站通过工业以太网总线顺序连接IO单元、数字主轴驱动器、进给轴驱动器和光栅适配器从站PDU等，所述光栅适配器从站PDU连接有X轴直线光栅、Y轴直线光栅、Z轴直线光栅和角度光栅。本发明光栅适配器从站可以灵活适配各种光栅设备，能实现更高的通信吞吐量、通信速率及更短的通信周期，伺服系统与光栅设备间能实现直接高速交叉通信，为闭环振动抑制功能的实施提供简洁强大的技术支撑。同时本发明闭环控制系统采用环形拓扑，连接简便，从站设备可灵活扩展，闭环控制系统具备多重系统保护功能，保证系统安全有效运行。
文档编号G05B19/418GK103076780SQ20121058414
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者邓龙军, 孔德裔 申请人:广州数控设备有限公司