[发明专利]一种离散采样的S曲线加减速控制方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉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曲线加减速控制方法及其装置。

背景技术

在计算机数字控制系统(CNC，Computer Numerical Control)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。

发明内容

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。

本发明的技术方案如下：

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)

本发明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。

本发明基于离散采样，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T_s、V_s和V₀。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_c(如图2)，则有t_c＝N_c·T_s(N_c表示t_c时间内的采样周期数)，匀速段所用时间为t_u，匀加速段和匀减速段所用的时间相等且设为t_d，则有t_d＝N_d·T_s(N_d表示t_d时间内的采样周期数)。最大加速度和加速度导数分别为A_max和j_a，则由线性变化的加速度规律可得t_c＝A_max/j_a。

本发明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)。

本发明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：

Step1设置一个可更改的分频系数D_T，用于对系统时钟F_clk的分频。采样频率f_T和采样周期T_s的表达式为：f_T＝F_clk/D_T，T_s＝D_T/F_clk，采样频率越高，速度越平滑。

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f_T)但不同步的触发脉冲T_A，T_B，分别用于触发j_a乘法器和A_t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。