一种基于位置给定的数控系统控制方法

摘要

本发明提供一种基于位置给定的数控系统控制方法，位置指令脉冲信号通过正交信号编码器对其进行正交编码，使传输频率降低四倍，再经电机驱动装置对正交编码信号进行解码，即进行四倍频处理后使正交编码信号还原，将还原后的位置指令信号传输给计算模块；再根据总线绝对值编码器获取的电机相关信息，进行各种控制及运算得出电机的控制信号；对电机进行精确的位置及速度控制。本发明可以在较高的加工速度下使数控装置实现1微米以下的控制精度，同时电机编码器反馈采用总线式绝对值编码器可以大幅提高其检测精度，真正实现高速高精度加工。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于位置给定的数控系统控制方法，特别是采用正交编码信号做为数控装置位置指令给定和采用总线协议的绝对值编码器做为电机编码器反馈的数控系统控制方法。

背景技术

随着社会发展对先进制造业需求越发广泛，特别以数控加工为代表的先进制造技术取得迅猛发展，数控系统每年以20%的速度增长，数控系统的国产化普及率也越发提高，但由于国内的数控技术起步和发展都比较晚，其可靠性及加工精度无法与国外产品相媲美，只能满足中等精度以下的加工，其主要原因有控制软件和控制算法不够先进，同时受制于数控系统位置指令给定方案的限制，目前数控系统位置指令给定主流方案有三种，第一种采用模拟量加各种分辨率的电机编码器反馈做为数控装置的位置指令给定，此种方案的缺点是模拟量在现场极易受到干扰，容易产生零飘，也不适宜长距离传输，因此绝大多数厂商在新的设计中不再采用此种方案，第二种采用工业现场总线做为数控装置的位置指令给定，采用20bit或17bit的绝对值编码器做为电机编码器反馈，此种方案国外厂商采用较多，但由于其技术难度大，生产成本高昂，在国产数控系统中并没有形成主流，第三种采用高速脉冲串做为数控装置的位置指令给定，采用2500至8192线脉冲增量式编码器做为电机编码器反馈，此种方案应用简单，成本低廉，被大量国内数控系统厂商采用，此种方案通常有两种控制方式：

图1、2为脉冲信号加方向信号控制的典型应用电路及其传输的位置脉冲指令波形，每一个脉冲代表数控装置的一个位置进给当量，所以脉冲频率的高低决定了其位置进给速度的快慢，方向信号的电平高低决定其进给方向。

图3、4、5为双脉冲控制方式的典型应用电路即其传输的脉冲位置指令波形，同样每一个脉冲代表数控装置的一个位置进给当量，脉冲频率的高低决定了其位置进给速度的快慢，进给方向则由正转信号或反转信号决定。

以上两种实现方式都有共同的缺点：（1）在此种方案下，要想实现高速高精度的加工，需要更高频率的位置脉冲，但受制与长线传输位置脉冲频率不能太高，大多在500K频率以下传输，因此在满足较高加工速度下要实现1微米以下的控制精度很难实现（因为其传输频率必然远大于500K），如上电路实现方案，超过500K频率尤其1000K频率以上时容易造成传输不稳定，形成多脉冲或少脉冲的现象，造成加工尺寸不准。（2）同时要想实现高速高精度的加工，还需满足更高分辨率的编码器，脉冲增量型的编码器分辨率很难达到8192线以上，并且高分辨率的脉冲增量型编码器的传输频率也会很高，高频率下传输其可靠性不好，容易受到干扰。（3）负载不均衡，脉冲加方向控制方式中，传输脉冲信号的信号通道负担很重，传输方向信号的信号通道负担很轻，双脉冲控制方式中，始终只有其中一路信号通道有效，另一路信号通道空闲，造成负载不均和资源的浪费。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种采用正交编码信号做为数控系统位置指令给定和采用总线协议的绝对值编码器做为电机编码器反馈的数控系统控制方法，本发明应用简单，成本低廉。

本发明所提供的基于位置给定的数控系统控制方法，包括以下步骤：

（1）插补器对接收到的位置及速度信号插补出表示数控系统位置及速度的高速脉冲串；

（2）正交信号编码器对接收到的高速脉冲串进行正交编码，形成正交编码信号，所述正交编码信号经差分发送器件输出至差分接收器件；

（3）差分接收器件将正交编码信号传送给正交信号解码器，所述正交信号解码器对正交编码信号进行解码，并将解码后的信号传送给计算模块；由总线绝对值编码器获取电机当前的位置及速度信息，并发送给计算模块；

（4）计算模块根据正交信号解码器输出的信号，以及电机当前的位置及速度信息进行PID调节，得出电机驱动控制信号；

（5）电机驱动装置根据电机驱动控制信号驱动电机。

进一步地，所述总线绝对值编码器基于BISS总线协议。分辨率可以大幅提高到17bit至24bit，可靠性和数据吞吐量也大幅度改善。

进一步地，所述差分发送器件、差分接收器件由RS422芯片差分电路实现。

本发明所提供的基于位置给定的数控系统控制方法，用正交编码模式传输位置脉冲不存在信号传输通道空闲和负载不均衡，编码不但简单而且采用编码后抗干扰能力强不易出错，与上述第三种主流方案比较目前的国产数控系统主流方案），可以在同等硬件电路开销的情况下实现，也即可以在现有第三种方案不改变系统硬件的情况下，通过升级软件或升级位置指令给定的逻辑设计，轻松实现正交编码模式传输位置指令脉冲，在同样的信号传输频率下，可以使位置指令脉冲提高四倍，即系统的控制精度提高四倍，同时电机编码器反馈采用了总线式绝对值编码器，可以大幅提高检测精度和其反馈检测的可靠性，从而可以比较方便地使数控系统实现1微米以下的控制精度，实现高速高精度加工，大大改善工件的表面加工质量。

附图说明

图1为脉冲信号加方向信号作为位置指令给定的数控系统电路图；

图2为图1所述电路传输的位置脉冲指令波形图；

图3为双脉冲作为位置指令给定的数控系统电路图；

图4为正向位置进给脉冲位置指令波形图；

图5为反向位置进给脉冲位置指令波形图；

图6为正交编码信号作为位置指令给定的数控系统电路图；

图7为位置指令信号正交编码波形图；

图8为位置指令信号正交编码正向位置进给波形图；

图9为位置指令信号正交编码反向位置进给波形图；

图10为图8所示信号四倍频后波形图；

图11为BISS总线编码器反馈波形图；

图12为PID调节逻辑图；

图13为本发明所述方法流程图。

具体实施方式

如图12、13所示，本发明所提供的基于位置给定的数控系统控制方法，包括以下步骤：

（1）插补器对接收到的位置及速度信号插补出表示数控系统位置及速度的高速脉冲串；

（2）正交信号编码器对接收到的高速脉冲串进行正交编码，形成正交编码信号，所述正交编码信号经差分发送器件输出至差分接收器件；

（3）差分接收器件将正交编码信号传送给正交信号解码器，由正交信号解码器对正交编码信号进行解码，并将解码后的信号传送给计算模块；由总线绝对值编码器获取电机当前的位置及速度信息，并发送给计算模块；

（4）计算模块根据正交信号解码器输出的信号，以及电机当前的位置及速度信息进行PID调节，得出电机驱动控制信号；

（5）电机驱动装置根据电机驱动控制信号驱动电机。

计算模块可以通过PID控制器实现，由PID控制器根据正交信号解码器输出信号及电机当前位置及速度等信息进行位置调节、速度调节以及电流调节等。

差分发送器件以及差分接收器件可以由RS422芯片差分电路实现；总线绝对值编码器为基于BISS总线协议的编码器。

插补器可以采用软件/硬件插补，即先通过软件算法实现粗插补，再由硬件实现精插补，将位置及速度信号转换为高速脉冲串进行传输，该高速脉冲串包括位置和速度信号。差分发送器件对接收到的正交编码信号进行转换，形成差分对，以减少干扰；相应地，差分接收器件将接收到的差分对转换为普通电平的正交编码信号，以便正交信号解码器对该信号进行解码，解码后还原成高速脉冲串，供计算模块使用。

实现本发明的所述的基于位置给定的数控系统控制方法的电路如图6所示，数控系统的CPU、FPGA或CPLD输出位置指令信号，该信号包括位置及速度信号，位置指令信号经软件及硬件插补器粗插补及精插补后，形成高速脉冲串并发送给正交信号编码器，编码后形成正交编码信号，插补器及正交信号编码器可以集成在CPU、FPGA或CPLD中；正交编码信号经RS422芯片处理，输出差分对至电机驱动装置中的差分接收器件，差分接收器件可以由RS422芯片差分电路实现，差分接收器件将接收到的信号转换为普通电平的正交编码信号，并发送给正交信号解码器进行解码，解码后的信号发送给计算模块。总线绝对值编码器与电机连接，用于获取电机当前位置及速度信息，该信息传送给计算模块；总线绝对值编码器可以基于BISS总线协议，其波形如图11所示。计算模块根据电机当前位置及速度信息及经正交信号解码器解码后的信号计算得出电机驱动控制信号，电机驱动控制信息包括位置信号、速度信号等，电机驱动装置根据电机驱动控制信号驱动电机运转。位置脉冲的正交编码如图7所示，编码后使其信号传输频率降低4倍，由两路正交脉冲的一路相对于另一路是超前还是滞后来确定位置进给的方向。正向位置进给、反向位置进给脉冲波形分别如图8、9所示。正交信号解码器接收后进行解码处理，通过检测两路传输信号的跳变沿实现4倍频，从而还原位置脉冲，经过四倍频处理后的波形如图10所示。

位置指令信号由两路正交编码信号同时传输，较传统方案同等的位置指令信号给定，其信号传输频率可以降低4倍，由于正交编码模式下两路传输信号之间有相差，电机驱动装置可以通过检测两路传输信号的跳变沿实现4倍频，从而还原位置脉冲，这样就可以在原来的同等信号通道频率上提高四倍的位置进给脉冲，即两路信号同样在500K脉冲频率传输情况下，其等效的数控装置位置脉冲频率为2000K，这样可以在不改变原有方案的硬件电路的情况下，不增加硬件电路成本从而提高位置脉冲频率，电机驱动装置通过检测两路信号通道中的其中一路相对于另一路的相位是超前还是滞后来决定位置指令方向，同时电机编码器采用总线绝对值编码器，其分辨率可以大幅提高到17bit至24bit，同时电机编码器检测信号的传输采用总线编码模式，其可靠性和数据吞吐量也大幅度改善，可采用基于BISS总线协议的绝对值编码器。

由上述可知，位置脉冲经正交编码后其传输频率可以降低4倍，再经电机驱动器4倍频后进行位置脉冲还原。降低了对信号传输通道的要求，在传统方案的同等信号传输频率下其位置指令脉冲可以提高四倍，从而可以在较高的加工速度下使数控装置实现1微米以下的控制精度，同时电机编码器的反馈采用总线式绝对值编码器可以大幅提高其检测精度，有了这两个很好的基本指标便可以真正实现高速高精度加工，大力提升装备设备的市场竞争力。