CN1267797C - 用于高速运动机件点对点快速精确定位器的数控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高速运动机件点对点快速精确定位器的数控装置。启动信号和制动信号给运动对象提供启/制动指令；减速速率选择器选择合适的减速速率曲线，确保定位快速准确；模糊控制器输出系统进行控制量状态开关切换的位移坐标值x1以及机件处于减速制动状态下的速度下降速率Rdv；方式控制器内含中央处理器功能，脉宽调制器输出的PWM波形态反映了方式控制器所连接的工作状态；逆变驱动对PWM波进行功率放大；译码器对光电编码器输出的位置信号进行译码与电平匹配转换。本发明没有复杂的数学计算，对处理器能力要求不高，制造成本节省25%以上，经济实用可靠简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于高速运动机件点对点快速精确定位器的数控装置。
背景技术
点对点的位置定位系统实质上是采用数字技术控制的伺服随动系统，其根本任务是要实现执行机构对位置指令尽可能快速和准确的跟踪，因此它的控制结构必定具有位置反馈闭环信号。这是一类应用领域非常广泛的系统，遍及国民经济的各个部门，如机械加工过程中机床的定位控制；冶金工业中要求焊机头能准确地对正焊缝以实现有缝钢管的精密焊接；纺织工业中高速平缝机的针位控制；仪表工业中各种记录仪的笔架控制；机器人机械臂的动作控制等，可以说它是高性能机电一体化的核心技术(见图1)。
(1)程序编制和输入装置
数控程序是按对象在机械坐标系上的位置，用标准的计算机语言系统对运动对象的运行轨迹实施控制的指令。输入装置的作用是将程序载体上的数控代码转换成相应的电脉冲信号，传送并存至自动化装置内。
(2)强电控制装置
该装置是介于数控装置和运动机械之间的控制系统，其主要作用是接收数控装置输出的运动指令，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的的电气传动部件；此外，还有过流过压等反馈信号经它送到数控装置进行处理。
(3)伺服驱动系统和位置检测装置
伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，它执行数控装置发来的运行轨迹信号，该部分的核心是采用变频控制器输出最大效率的驱动力矩和制动力矩。位置检测装置主要是用位置传感器或速度传感器检出位置信号。
数控装置是全系统的核心，关键技术多为国外掌握，目前国内的数控位置伺服设备，其关键部分，如主控板(或软件)、精密传感器、高效驱动装置等，都依赖进口，每年要化费大量外汇。如依靠自主开发，因性价比太差或质量不稳定，无法形成产业，反过来制约了研发的进程。
当前，国外的高速运动机件点对点快速精确定位系统，基本理论是基于Bang-Bang控制原理，实际工作框图大致如图2所示：
它包括：控制量开关信号发生器(即bang-bang控制器)、线性控制器、方式选择器等，当运动对象的行程较大时，系统启始阶段的初定位采用bang-bang控制，一旦系统的位置误差变得较小，再通过方式选择器使系统由bang-bang控制转为线性控制，前者用于保证定位的快速性，后者则保证最后的定位精度。但上述结构在bang-bang控制器基础上增加了一个线性控制器，系统较复杂。且这种方法要保证定位精度，需要准确地知道速度量，即需贵重的速度传感器或通过复杂的软件计算进行估计，对中小系统来说，相对成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于高速运动机件点对点快速精确定位器的数控装置。
启动信号给运动对象提供启动指令并使其按设定的运动轨迹运行；制动信号提供制动指令；减速速率选择器在制动指令发出后，根据模糊控制器输出信号调出合适的减速速率曲线，确保定位既快速又准确；模糊控制器输出系统进行控制量状态开关切换的位移坐标值xl以及机件处于减速制动状态下的速度下降速率Rdv；方式控制器内含中央处理器功能，根据模糊控制器的输入信号决定输出处于什么样的工作状态；脉宽调制器输出PWM脉冲波形，波形的形态反映了方式控制器所连接的工作状态；逆变驱动为动作电机提供已经过功率放大的PWM脉冲波；光电编码器输出位置信号；译码器对位置信号进行译码，并转换成与方式控制器匹配的电平，作最后的位置定位修正。
本发明的优点是：
本发明的一种新的快速精确点对点定位数字控制装置，仍基于bang-bang控制器的思想。该研究项目一开始就以填补国内空白、成果全面产业化为主旨，性价比好是一个重要指标，这是与国外产品形成直接竞争力的基础。因此，在满足性能指标下，与国外产品相比，在系统构成上有自己的鲜明特点，主要体现在：
(1)不过分依赖运动模型，构造简单，。
(2)没有复杂的数学计算，对处理器能力要求不高。
(3)总体制造成本比国外产品至少节省25％以上。
(4)经济实用可靠简单，但性价比不俗。
本发明在具体技术方案上的特色是：
1)取消了速度传感器，也不追求对速度量的准确求取，仅用一个成本极低的二分辩率光电编码器(几元人民币，如图2所示)检测位置量和作最后的定位修正。
2)控制量的开关信号切换点坐标用一个模糊控制器来产生，这是本发明装置的核心。
3)模糊控制器对运动规律作定性的分析，即对定位过程必须要知道的速度物理量作模糊化处理，该种处理方案在定位的快速性、稳定性和精确度上完全能满足实际需求，软硬件资源均大大节省，且易于实现。
本发明所拥有的新技术已首先应用于国内纺织工业中高速平缝机的针位快速精确控制，之前，国内高速平缝机的数控装置无一例外的通过进口。它是第一次真正意义上完全拥有自主知识产权的数控装置，经济效益巨大，并已形成大规模生产和出口态势。
附图说明
图1是高速运动机件点对点快速精确定位器基本结构示意图；
图2是国外某高速运动机件点对点快速精确定位器数控装置结构示意图；
图3是本发明高速运动机件点对点快速精确定位器数控装置结构示意图；
图4是模糊控制器内部解析示意图；
图5是低成本分辨率为2的光电编码器示意图。
具体实施方式
本发明数控装置的基本功能描述如下：先给定目标位置参考值，在启动指令作用下，运动机件以尽可能短的时间0～t1运行完毕至A点后，控制量状态由方式控制器进行开关切换，发出停车制动指令，至t2时刻(B点)恰好停止，完成快速精确的点对点定位，其中开关切换点坐标是由模糊控制器给出的(见图5)。
如图3所示，启动信号给运动对象提供启动指令并使其按设定的运动轨迹运行；制动信号提供制动指令；减速速率选择器在制动指令发出后，根据模糊控制器输出信号调出合适的减速速率曲线，确保定位既快速又准确；模糊控制器输出进行控制量状态开关切换的位移坐标值xl和机件处于减速制动状态下的速度下降速率Rdv；方式控制器内含中央处理器功能，根据模糊控制器和译码器的输入信号决定整个系统的工作态，当方式开关接通启动信号通道时，机件以最大加速度运动，此时中央处理器不断将译码器输入的位置信号与模糊控制器输出的变量xl值进行比较，当两者相等时，控制量状态发生开关切换，方式开关转接至制动信号通道，并按照调用的减速速率曲线作减速运行，最后的定位修正由方式控制器根据译码器检出的A点信号电平高低来完成，当机件运动到A点时，方式控制器发出停车制动指令，使机件到达B点恰好停止，此时方式开关断开所有的信号通道。
脉宽调制器输出PWM脉冲波形，波形的形态反映了方式控制器所连接的工作状态；逆变驱动为动作电机提供已经过功率放大的PWM脉冲波；光电编码器输出位置信号；译码器对位置信号进行译码，并转换成与方式控制器匹配的电平，作最后的位置定位修正。
如图4所示，总的模糊控制器由模糊子控制器1和模糊子控制器2构成，模糊子控制器1从给定的速度指令中大概判断当前的转子速度vr，以确定系统进行控制量状态开关切换的位移坐标值xl，对应的模糊关系为vr越大，xl越小；模糊子控制器2综合转子速度模糊值vr和位移坐标值xl以决定控制量状态开关切换后，机件处于减速制动状态下的速度下降速率Rdv，对应的模糊关系为vr越大，Rdv越大。总的模糊控制器从外部端口看来，只包含一个变量vr输入、二个变量Rdv和xl输出，并无实测物理量存在；并且由二个模糊子控制器的模糊蕴含关系规划成的模糊控制曲线，是以定位精度和快速性为工程指标，通过大量实验和参考人机专家经验以表格形式得到的，故大大节省了软硬件资源。模糊控制属于智能控制范畴，由于它具有超调小、鲁棒性强、能够克服非线性因素的影响等特点，故对复杂系统是一种有效的控制策略。
Claims (2)
1.一种用于高速运动机件点对点快速精确定位器的数控装置，其特征在于：启动信号给运动对象提供启动指令并使其按设定的运动轨迹运行；制动信号提供制动指令；减速速率选择器在制动指令发出后，根据模糊控制器输出信号调出合适的减速速率曲线，确保定位既快速又准确；模糊控制器输出系统进行控制量状态开关切换的位移坐标值x1以及机件处于减速制动状态下的速度下降速率Rdv；方式控制器内含中央处理器功能，根据模糊控制器的输入信号决定输出处于什么样的工作状态；脉宽调制器输出PWM脉冲波形，波形的形态反映了方式控制器所连接的工作状态；逆变驱动为动作电机提供已经过功率放大的PWM脉冲波；光电编码器输出位置信号；译码器对位置信号进行译码，并转换成与方式控制器匹配的电平，作最后的位置定位修正。
2.根据权利要求1所述的一种用于高速运动机件点对点快速精确定位器的数控装置，其特征在于所说的模糊控制器的模糊子控制器1是从给定的速度指令中大概判断当前的转子速度vr，以确定系统进行控制量开关切换的位移坐标值x1，模糊子控制器2综合转子速度模糊值vr和位移坐标值x1以决定控制量状态开关切换后，机件处于减速制动状态下的速度下降速率Rdv。
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