CN102354163B - 伺服刀架控制器及旋转参考点的捕捉方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及伺服刀架控制器及其旋转参考点的捕捉方法，该控制器包括与伺服电机连接的主回路板，以及与上位机连接的控制板，主回路板与控制板之间通过主回路板接口电路连接；主回路板向控制板输出工作电压；主回路板对伺服电机的电流进行采样，并把电流采样信号上传给控制板；控制板采集电机编码器的信号，并根据上位机的指令、电机编码器所反馈的信号和主回路板所上传的电流采样信号，向主回路板输出PWM驱动信号，控制伺服电机旋转。使伺服刀架省去了PLC或者单片机的部分，节约成本并提高了可靠性；也免去了安装调试接近开关与感应头的麻烦。

Description

伺服刀架控制器及旋转参考点的捕捉方法

技术领域

本发明涉及伺服控制领域，特别涉及伺服刀架控制器及其旋转参考点的捕捉方法。

背景技术

伺服刀架即用伺服驱动器拖动伺服电机去带动刀架，与传统液压刀架相比，它有转速高、定位准、价格便宜的优势。国内伺服刀架的概念是近几年才提出来，所以市场上的成熟产品并不多。国外有几家驱动器技术成熟的厂家有专门针对伺服刀架开发的产品，例如意大利的Baruffaldi、日本的三菱等。国内开发应用的产品基本都是以国外普通伺服驱动器为主体，在驱动器外部加一个PLC(可编程控制器)或单片机，是一种包含了上位机、PLC和驱动器的控制结构，PLC与上位机通过I/O口通讯获得目标刀位数，PLC再把刀位数转换成给驱动器的指令脉冲数来实现伺服刀架驱动器的功能。

现有的伺服刀架主要分三种工作模式：

(1)回零模式，当系统第一次上电时，必须进行回零模式操作，以找到刀架上的第一工位。回零模式时，在刀盘的底座上安装一个接近开关，在旋转的刀盘上安装一个感应头，刀盘旋转一圈，感应头经过接近开关一次，每当感应头经过接近开关时，零点信号电路导通，驱动器根据此信号确定第一工位的位置。

(2)自动模式，刀架根据上位机的指令，运行到不同的工位，以便进行工件加工。自动模式时，驱动器通过与上位机连接的I/O信号，接收目标刀位，计算目标刀位与当前刀位的差值，通过上述差值与每工位的脉冲数的乘积，计算出需要运行的总脉冲数，并变换成周期指令运行，再通过软件内部的指令平滑处理，就可以快速平稳的到达目标工位。

(3)手动模式，在手动模式下按住换刀按钮，刀架就一直旋转，松开按钮后，刀架运行到最近的工位停止。手动模式主要是加工前调试用。手动模式时，根据上位机下发的使能信号来运行停止，有使能信号则驱动器内部自动发送一个工位的脉冲，发送完成则判断是否还有使能信号，有则继续发送一个工位的脉冲，直到使能信号取消。

现有的伺服刀架所存在的缺点是：(1)由于需要根据感应头的信号来确定第一工位需要调节零点补偿参数，且要多次调节才能补偿到位；使用中如果感应头发生松动，则紧固感应头后，需要再次调整零点补偿参数。因此，现有伺服刀架需要安装接近开关与感应头，安装调试麻烦。(2)驱动器不能根据工作状况的变化自动调节控制参数，从而在伺服刀架的自动运行中，驱动器的参数保持不变，当刀架中液体的流量与压力发生一定范围的变化时，会对刀盘的运行到位时间产生影响。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供伺服刀架控制器，使伺服刀架省去了PLC或者单片机的部分，节约成本并提高了可靠性；也免去了安装调试接近开关与感应头的麻烦。

本发明的另一目的是提供伺服刀架控制器的旋转参考点的捕捉方法。

本发明的首要目的通过下述技术方案实现：伺服刀架控制器，其特在在于，包括与伺服电机连接的主回路板，以及与上位机连接的控制板，主回路板与控制板之间通过主回路板接口电路连接；主回路板向控制板输出工作电压；主回路板对伺服电机的电流进行采样，并把电流采样信号上传给控制板；控制板采集电机编码器的信号，并根据上位机的指令、电机编码器所反馈的信号和主回路板所上传的电流采样信号，向主回路板输出PWM驱动信号，控制伺服电机旋转。

所述控制板包括DSP中央控制平台、FPGA电路、通用输入输出接口电路、电机编码器反馈接口电路和PWM驱动电路；FPGA电路分别与通用输入输出接口电路、电机编码器反馈接口电路及DSP中央控制平台连接；DSP中央控制平台分别与FPGA电路、PWM驱动电路连接；PWM驱动电路与主回路板接口电路连接；通用输入输出接口电路与上位机连接。

所述电机编码器反馈接口电路包括增量式编码器反馈接口电路和绝对式编码器反馈接口电路；增量式编码器反馈接口电路连接在FPGA电路与电机的增量式编码器之间，绝对式编码器反馈接口电路连接在FPGA电路与电机的绝对式编码器之间。

所述电机编码器反馈接口电路包括相连接的码盘差分信号接收电路和差分信号检测电路，其中码盘差分信号接收电路与电机编码器连接，差分信号检测电路与FPGA电路连接。

所述主回路板包括主回路、开关电源、直流母线监测/保护电路、IGBT/IPM功率模块以及IPM驱动/警报接口电路，主回路分别与直流母线监测/保护电路、IGBT/IPM功率模块连接，开关电源分别与直流母线监测/保护电路、IGBT/IPM功率模块连接，IPM驱动/警报接口电路与IGBT/IPM功率模块连接；主回路对三相交流电压进行整流、滤波处理。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：伺服刀架控制器的旋转参考点的捕捉方法，包括以下步骤：

S1、选择零点开关回零模式，上位机向控制板输入零点开关回零模式信号；

S2、控制板收到零点开关回零模式信号后，发送刀架松开信号；

S3、控制板检测刀盘是否松开到位；

S4、刀盘松开到位以后，控制板控制伺服电机以设定的第一速度旋转；

S5、控制板周期检测刀盘是否碰到零点开关，待刀盘碰到零点开关后，控制板控制伺服电机切换到设定的第二速度旋转；

S6、控制板周期检测刀盘是否离开零点开关，若刀盘没离开零点开关，伺服电机继续以设定的第二速度旋转；若刀盘离开零点开关，控制板控制伺服电机运行所预设的零点补偿距离；

S7、伺服电机运行完零点补偿距离后，控制板发送刀架锁紧信号；

S8、控制板收到刀架锁紧到位信号以后，则回零结束。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

1、采用了编码器的记忆功能，支持两种回零模式，尤其是支持参数设置式回零。现有技术主要采用零点开关式回零，需要在刀盘后面安装零点开关，并且每次上电必须首先执行让刀盘旋转一周的回零操作；本发明由于采用参数设置回零方式，只要控制板保存编码器在第一工位的值，以后每次上电都不用执行刀盘旋转回零的操作，根据编码器的旋转距离自动计算出当前的工位，免去了安装调试接近开关与感应头的麻烦。

2、支持自动调谐功能，能根据电机的电流与速度的变化，自动调整控制板的增益类控制参数，保持控制板的控制性能，保证在压力与流量变化时，刀盘的运行到位时间的一致性。由于使用了自动调谐功能，当刀架中液体的流量与压力发生一定范围的变化时，不会对刀盘的运行到位时间产生影响。

3、本发明伺服刀架控制器是专门为驱动伺服刀架而设计的驱动器，它能够根据上位机的换刀要求驱动刀架伺服电机，以达到控制伺服刀架进行手动换刀、自动换刀、刀架回零等动作，并可以进行当前刀位码反馈、换刀故障报警输出，极大的提高了数控机床刀架控制的效率。本发明使伺服刀架采用上位机与驱动器相结合的模式成为可能，相比于现有伺服刀架省去了PLC或者单片机的部分，节约成本并提高了可靠性。

附图说明

图1是本发明控制板的电原理框图；

图2是主回路板的原理框图；

图3是主回路板的电路图；

图4是刀架回零流程示意图。

具体实施方式

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所示，本发明包括相连接的主回路板和控制板，主回路板与控制板之间通过主回路板接口电路连接，主回路板还与伺服电机连接，控制板还与上位机连接。主回路板向控制板输出工作电压；主回路板对伺服电机的电流进行采样，并把电流采样信号上传给控制板；控制板采集电机编码器的信号，并根据上位机的指令、电机编码器所反馈的信号和主回路板所上传的电流采样信号，向主回路板输出PWM驱动信号，控制伺服电机旋转。

控制板是伺服刀架控制器的核心控制部分，它主要负责伺服刀架的运动控制和报警处理，绝对式编码器协议解析，兼容增量式编码和绝对式编码两种编码方式。控制板包含有以下几部分电路：DSP中央控制平台、FPGA(现场可编程门阵列)电路、报警与控制电路、电源及复位模块、通用输入输出接口电路、电机编码器反馈接口电路、电流采样运放电路、PWM驱动电路、EEPROM存储器和显示板接口电路。其中FPGA电路分别与电源及复位模块、报警与控制电路、通用输入输出接口电路、电机编码器反馈接口电路及DSP中央控制平台连接；DSP中央控制平台分别与FPGA电路、电流采样运放电路、PWM驱动电路、EEPROM存储器和显示板接口电路连接；主回路板接口电路分别与电源及复位模块、报警与控制电路、电流采样运放电路及PWM驱动电路连接。所述电机编码器反馈接口电路包括增量式编码器反馈接口电路和绝对式编码器反馈接口电路；增量式编码器反馈接口电路连接在FPGA电路与电机的增量式编码器之间，绝对式编码器反馈接口电路连接在FPGA电路与电机的绝对式编码器之间。控制板通过通用输入输出接口电路与上位机连接。

DSP中央控制平台包括DSP芯片及其外围电路。DSP芯片采用的是TI公司的TMS320LF2407A芯片，其工作电压为3.3V，运算速度为40MIPS。DSP外围电路包括模拟基准电压电路和数据存储电路。模拟基准电压为DSP芯片的AD转换模块提供模拟基准电压。数据存储电路用来保存用户设置的参数和信息。

FPGA电路中，FPGA芯片采用的是LATTICE公司的FPGA芯片LFXP3C3QN208C。FPGA芯片所要完成的功能是扩展DSP芯片的输入输出口、解析绝对式编码器通讯协议、对数字指令进行计数、为电机码盘反馈信号提供缓冲驱动、实现硬件报警处理和电路硬件加密功能等。

显示板接口电路负责两部分功能：对存在外部存储器中的用户数据进行读写和对按键板进行显示扫描。

电流采样运放电路的主要作用是对DSP中央控制平台要进行AD转换采样的模拟信号进行线性转换，使模拟信号的量程符合DSP芯片的AD转换模块的输入要求。

PWM信号是最主要和最重要的电机控制信号。由于从DSP中央控制平台输出的PWM信号的功率小，不能够驱动IPM驱动电路中的光耦一次侧二极管，所以在设计中加入了PWM驱动电路用以驱动PWM信号。在PWM驱动电路中还引入了从FPGA送来的故障关闭信号；当系统发生故障时，故障关闭信号将PWM信号关闭，以保护电路不受损坏。

通用输入输出接口电路是伺服驱动器(即伺服刀架)与CNC或上位机通信的接口。该接口用于接收CNC或上位机传来的运动指令、控制指令及向CNC或上位机输出应答及故障报警信号。伺服驱动器与CNC或上位机的通信全部采用光耦进行光电隔离，使伺服系统内部电路与外部没有电气耦合，以消除外部干扰。通用输入输出接口电路的信号主要有：1、运行模式选择，2、目标刀位码输入，3、控制刀架的松开锁紧信号，4、当前刀位码的输出，5、故障报警信号。

电机编码器反馈接口电路是伺服驱动器内部电路与电机码盘相连的通道。该部分电路(无论是增量式编码器反馈接口电路，还是绝对式编码器反馈接口电路)主要有两部分：相连接的码盘差分信号接收电路和差分信号检测电路，其中码盘差分信号接收电路与电机编码器连接，差分信号检测电路与FPGA电路连接。码盘差分信号接收电路将码盘反馈的差分信号转换为内部逻辑电平信号；差分信号检测电路是检测差分输入信号，判断信号是否有错误或漏接。

主回路板作为整流、逆变、驱动、检测等核心电路的载体，在伺服驱动器中充当着非常重要的角色，同时也是整台伺服驱动器材料成本的最主要组成部分。如图2所示，主回路板包括主回路、开关电源、IGBT/IPM驱动/警报接口电路、直流母线监测/保护电路和IGBT/IPM功率模块。主回路用于将三相交流电源(220V工频)进行整流、滤波后，提供直流电压给IGBT/IPM功率模块进行逆变，从而给伺服电机提供额定功率；同时接收来自控制板DSP中央控制平台输出的PWM信号，在电流采样运放和反馈电路的作用下，组成闭环控制系统，驱动交流伺服电机工作。

主回路板各部分电路如图3所示，包括主回路、开关电源、直流母线监测/保护电路、IGBT/IPM功率模块以及IPM驱动/警报接口电路，主回路分别与直流母线监测/保护电路、IGBT/IPM功率模块连接，开关电源分别与直流母线监测/保护电路、IGBT/IPM功率模块连接，IPM驱动/警报接口电路与IGBT/IPM功率模块连接。主回路对三相交流电压进行整流、滤波处理，包括整流电路、滤波电路、母线电容预充电(又称软启动)电路、逆变电路、制动电路及电流采样电路。其中母线电容预充电电路的软启动信号、制动电路的制动控制信号均由主回路板上硬件电路检测，控制板上硬件控制给出；电流采样电路利用采样电阻对伺服电机的U、V两相进行采样，经线性光耦放大调制后输出至控制板，实现电流闭环控制，完成自动调谐的功能。

开关电源将220V交流市电的母线电压进行AC-DC变换，给本发明控制器提供控制电源和工作电源。输出四组相互隔离的+15V电压作为IGBT/IPM功率模块的控制电源，输出+15V、-15V电压作为本发明控制器中模拟电路的工作电源，输出+5V电压作为本发明控制器中数字电路的工作电源，输出+12V电压作为继电器和风扇的工作电源。

直流母线监测/保护电路对直流母线电压进行按比例分压采样(分压比为1/280)，送到DSP芯片的模数转换模块(ADC)，并实现母线欠压报警、过压报警、泵升制动等功能；另外对输入三相交流电源进行时时监测，及时对交流过压、掉电、缺相进行检测并报警，保护主要元器件工作在安全区域，以免造成损坏。

IGBT/IPM驱动/警报接口电路接收PWM驱动电路输出的PWM信号，再通过IGBT/IPM功率模块驱动伺服电机工作，并将IGBT/IPM报警信号返回给控制板。

本伺服刀架控制器的回零模式，即刀架控制器旋转参考点的捕捉方式，主要功能是实现初始上电时第一把刀的定位，主要包括松开电磁阀、锁紧电磁阀、零点信号检测、运行、零点补偿等子模块。由于控制板兼容增量式编码器与绝对式编码器，所以本发明支持两种回零方式：零点开关回零与参数设置回零。

当伺服电机安装的是增量式编码器时，就必须采用零点开关回零方式。当系统进入机械回零操作时，同时下发模式信号给控制板，控制板收到模式信号，内部运行为“回零模式”，刀盘松开到位后，电机带动刀盘旋转的中心轴的后端安装有感应块，当感应块旋转到接近开关位置时，零点检测开关ZEROP接收到刀位零点信号，伺服电机带动刀盘开始减速，并以控制器所预设的低速运行，当离开零点开关以后，伺服电机会再运行一段补偿距离，然后停止。并把当前刀位作为第一工位。采用此回零模式时，每次上电都必须首先执行回零操作，以对刀架进行定位。回零流程见图4，刀架控制器旋转参考点的捕捉步骤如下：

S1、选择零点开关回零模式，上位机向控制板输入零点开关回零模式信号；

S2、控制板收到零点开关回零模式信号后，通过通用输入输出接口电路发送刀架松开信号；

S3、控制板检测刀盘是否松开到位；

S4、刀盘松开到位以后，控制板控制伺服电机以参数PA53设定的第一速度旋转；

S5、控制板周期检测刀盘是否碰到零点开关，待刀盘碰到零点开关后，控制板控制伺服电机切换到参数PA54设定的第二速度旋转；

S6、控制板周期检测刀盘是否离开零点开关，若刀盘没离开零点开关，伺服电机继续以PA54设定的第二速度旋转；若刀盘离开零点开关，控制板控制伺服电机运行所预设的零点补偿距离；

S7、伺服电机运行完零点补偿距离后，控制板发送刀架锁紧信号；

S8、控制板收到刀架锁紧到位信号以后，则回零结束。

当电机安装的是绝对式编码器时，可以采用零点开关回零方式，其回零控制步骤如上述步骤S1-S9；也可以采用参数设置回零。当采用参数设置回零时，只要在控制板上执行Ab-set操作，则自动把当前工位设为第一工位。设置完成以后，每次运行完后上电都不用再执行回零操作，每次上电软件会根据绝对式编码器的值自动计算出当前工位号。执行Ab-set时，程序记录当前编码器的值作为第一工位的值，然后无论刀盘如何旋转，以及系统断电上电，当前电机位置距离第一工位的距离都可以通过编码器的值计算获得，省去每次上电必须回零的操作。

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。

Claims (7)

1.基于伺服刀架控制器的旋转参考点的捕捉方法，所述伺服刀架控制器包括与伺服电机连接的主回路板，以及与上位机连接的控制板，主回路板与控制板之间通过主回路板接口电路连接；主回路板向控制板输出工作电压；主回路板对伺服电机的电流进行采样，并把电流采样信号上传给控制板；控制板采集电机编码器的信号，并根据上位机的指令、电机编码器所反馈的信号和主回路板所上传的电流采样信号，向主回路板输出PWM驱动信号，控制伺服电机旋转；其特征在于所述旋转参考点的捕捉方法包括以下步骤：

S1、选择零点开关回零模式，上位机向控制板输入零点开关回零模式信号；

S2、控制板收到零点开关回零模式信号后，发送刀盘松开信号；

S3、控制板检测刀盘是否松开到位；

S4、刀盘松开到位以后，控制板控制伺服电机以设定的第一速度旋转；

S5、控制板周期检测刀盘是否碰到零点开关，待刀盘碰到零点开关后，控制板控制伺服电机切换到设定的第二速度旋转；

S6、控制板周期检测刀盘是否离开零点开关，若刀盘没离开零点开关，伺服电机继续以设定的第二速度旋转；若刀盘离开零点开关，控制板控制伺服电机运行所预设的零点补偿距离；

S7、伺服电机运行完零点补偿距离后，控制板发送刀架锁紧信号；

S8、控制板收到刀架锁紧到位信号以后，则回零结束。

2.根据权利要求1所述的旋转参考点的捕捉方法，其特征在于，所述伺服刀架控制器的所述控制板包括DSP中央控制平台、FPGA电路、通用输入输出接口电路、电机编码器反馈接口电路和PWM驱动电路；FPGA电路分别与通用输入输出接口电路、电机编码器反馈接口电路及DSP中央控制平台连接；DSP中央控制平台分别与FPGA电路、PWM驱动电路连接；PWM驱动电路与主回路板接口电路连接；通用输入输出接口电路与上位机连接。

3.根据权利要求2所述的旋转参考点的捕捉方法，其特征在于，所述伺服刀架控制器的所述电机编码器反馈接口电路包括增量式编码器反馈接口电路和绝对式编码器反馈接口电路；增量式编码器反馈接口电路连接在FPGA电路与电机的增量式编码器之间，绝对式编码器反馈接口电路连接在FPGA电路与电机的绝对式编码器之间。

4.根据权利要求2所述的旋转参考点的捕捉方法，其特征在于，所述伺服刀架控制器的所述电机编码器反馈接口电路包括相连接的码盘差分信号接收电路和差分信号检测电路，其中码盘差分信号接收电路与电机编码器连接，差分信号检测电路与FPGA电路连接。

5.根据权利要求1所述的旋转参考点的捕捉方法，其特征在于，所述伺服刀架控制器的所述主回路板包括主回路、开关电源、直流母线监测/保护电路、IGBT/IPM功率模块以及IPM驱动/警报接口电路，主回路分别与直流母线监测/保护电路、IGBT/IPM功率模块连接，开关电源分别与直流母线监测/保护电路、IGBT/IPM功率模块连接，IPM驱动/警报接口电路与IGBT/IPM功率模块连接；主回路对三相交流电压进行整流、滤波处理。

6.根据权利要求5所述的旋转参考点的捕捉方法，其特征在于，所述伺服刀架控制器的所述直流母线监测/保护电路对直流母线电压进行按比例分压采样。

7.根据权利要求6所述的旋转参考点的捕捉方法，其特征在于，所述伺服刀架控制器的所述直流母线监测/保护电路对直流母线电压进行按比例分压采样时，分压比为1/280。

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