一种离散采样的S曲线加减速控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于数控加工技术领域，具体是一种离散采样的S曲线加减速控制方法及装置。根据单个采样周期内位移增量是对速度增量积分，也是对加速度增量二重积分的关系，本发明专利技术通过纯硬件实现了高频采样的S曲线加减速控制方法。基于现场可编程门阵列运动控制器硬件平台，利用硬件描述语言设计了包括采样周期、速度控制、计数比较和脉冲发生等功能的运动控制模块；分析了S曲线各变速点的判断方法；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。本发明专利技术采样频率高，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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于数控加工
，具体是一种离散采样的S曲线加减速控制方法及装置。根据单个采样周期内位移增量是对速度增量积分，也是对加速度增量二重积分的关系，本专利技术通过纯硬件实现了高频采样的S曲线加减速控制方法。基于现场可编程门阵列运动控制器硬件平台，利用硬件描述语言设计了包括采样周期、速度控制、计数比较和脉冲发生等功能的运动控制模块；分析了S曲线各变速点的判断方法；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。本专利技术采样频率高，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。【专利说明】一种离散采样的S曲线加减速控制方法及装置
本专利技术涉及数控机床的数字控制加工
，具体是一种离散采样的S曲线加 减速控制方法及其装置。
技术介绍
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，以保证运动部件的平稳和准确定位，必须进行加减速控制，以使进 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。 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。
技术实现思路
本专利技术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门 阵列硬件平台的高频离散采样S曲线加减速控制方法及装置，是一种高速可靠、圆整误差 小、进给速度平滑，适用于一般CNC系统的加减速控制方法及装置。 本专利技术的技术方案如下： 一种离散采样的S曲线加减速控制方法及装置，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，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，以反映当前电机的速度和实际的位 移。（如图1所示） 本专利技术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，这些脉冲即可通 过差分芯片直接控制伺服电机驱动器。 本专利技术基于离散采样，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TS、VJPV^。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t。=N。·Ts (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 ·Ts (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A_^Pja，则由线性变化的加速度规律可得t。=A_/ja。 本专利技术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（如图3所示）。 本专利技术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： Stepl设置一个可更改的分频系数Dt，用于对系统时钟Fcdk的分频。采样频率fT 和采样周期Ts的表达式为：fT=Fdk/DT，Ts=DVFcdk，采样频率越高，速度越平滑。 St印2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，Tb，分别用于触发九乘法器和At乘法器的运作，以实现对速度控制模块中 的两个累加器进行同频异步控制。 本专利技术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，设计了九选择器、At累加器、 ft累加器以及2个乘法器。其具体步骤为： St印1系统设置一个可调加速度导数ja，则ja选择器将对外部控制信号EN1，EN2 进行译码进而选择使用ja，〇及_ja三个参数进入ja乘法器与采样周期值Ts相乘。 St印2九乘法器输出加速度增量J进入At累加器。 St印3At累加器输出当前加速度值A(t)进入At乘法器。 St印4At乘法器将当前加速度值A(t)、采样周期Ts和脉冲当量〇的倒数进行相 乘，输出脉冲频率增量Δ?·进入ft累加器。 St印5ft累加器输出预期脉冲的频率值f(t)。 本专利技术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。 本专利技术的脉冲发生模块设计有锁相环PLL、除法器、寄存器和分频器。其具体步骤 为： Stepl系统时钟Fdk进入PLL倍频，设倍频系数为k。则倍频后的高频时钟Fdkpll =k·Fclk〇 St印2在寄存器中设置32位的整型数G(其值为高频时钟匕11；1)11的频率值），作为 除法器的被除数。 St印3将当前预期脉冲频率值f(t)作为除法器的除数，由此可得：<? =I7U。Q 为除法器运算后的商向下取整的结果，其值也是一个32位的整型。 Step4将Q作为可调分频器的分频系数。可得驱动脉冲的频率为： /a(t) = ^ = 。该驱动脉冲的频率fa(t)与当前预期脉冲频率值f(t)极为接近。 St印5驱动脉冲经过鉴相、滤波即可发送给伺服驱动器驱动电机。 本专利技术的计数比较模块主要用于控制S曲线的各个变加速度点的判断（如图2、 4)，采用多个计数器及比较器实现对信号EN1，EN2的编码输出，进而对九选择器进行参数 输出控制。 在定长脉冲驱动输出模式下，如果设置的定长脉冲数P不足以使S曲线加速到所 设定的最高驱动速度Vs，将形成一个三角形的加速度曲线（如图4)。S曲线分为5段，需实 现4个变速点位置判断功能，分别为：减加速起点α，加减速起点β和减减速起点γ。具 体判断步骤为： St印1经推导可知加加速段所需脉冲P(t。）与总的输出脉冲P之间的关系为： P(t。)/P~ 1/12。使用Pt计数器对驱动脉冲计数，通过比较器当P(t) =P/12且加速度A(t) <八_时，为减加速起点a，ja选择器改变加速度导数ja的符号，开始降低加速度的值。 St印2通过Pt比较器当P(t) =P/2时，为加减速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离散采样的S曲线加减速控制方法及装置，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；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，以反映当前电机的速度和实际的位移；本装置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，从而产生一连串预期频率的脉冲，这些脉冲即可通过差分芯片直接控制伺服电机驱动器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈孟锋，俞红祥，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33