CN204576209U - 一种基于可编程逻辑器件的直线加减速控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于数控加工技术领域，具体是一种基于可编程逻辑器件的直线加减速控制装置。PC机1通过总线将运动参数写入可编程逻辑器件2，将可编程逻辑器件2片内逻辑设计为采样周期模块6、加速度选择器7、乘法器8、速度累加器9、反馈比较模块10和脉冲发生模块11。可编程逻辑器件2进行加减速运算，从而配置脉冲频率产生相应脉冲并将脉冲发送给差分芯片3，差分芯片3将脉冲信号送入驱动器4，而驱动器4在驱动伺服电机5的同时将编码脉冲反馈到可编程逻辑器件2，从而实现伺服电机5的直线加减速控制。本实用新型的主要优势在于高速采样频率直线加减速的模块化设计和纯硬件实现，提高电机运行效率和系统的可靠性，便于维护及功能重构。
Description
技术领域
本实用新型涉及数控机床的数字控制加工技术领域，具体是一种基于可编程逻辑器件的直线加减速控制装置。
背景技术
随着科学技术的不断发展，人们对数控机床机械加工的精度要求越来越高，在实际的生产、生活以及科学研究领域，经常要求对各种数控装置系统的直线运动、角度偏转、以及空间位置等进行精确的定位，这需要通过对数控系统和机器人系统中的加减速控制来实现。加减速控制是运动控制系统的关键技术之一，也是实现数控系统高实时性和电机高速控制的瓶颈。对于高速运转的数控机床，其进给速度直接影响到加工零件表面的粗糙度和精度，还影响到刀具和机床的寿命以及生产效率，同时为充分利用机床的有效工作行程，必须要求各运动轴能在短时间内达到给定的速度，并能在高速运行状态下实现高速起停。因此合理的加减速控制对整个系统的精度和性能有重要的影响。
对于运动控制器来说，良好的加减速控制算法不仅要求能对运动坐标轴的运动轨迹进行控制，为避免机床在起停或加工突变时发生冲击、失步、超程和震荡现象，还应具有算法简单，系统加减速处理时间短，实时性强的特点，以保证加工工件的精度和平面质量、减少道具磨损、提高加工效率。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。直线加减速计算量小，编程较简单，在对加速过程要求不高且控制系统处理速度较慢的场合，仍得到广泛应用。具有可编程功能的逻辑器件内部资源丰富、设计灵活，无需外部存储器芯片，可利用可编程逻辑器件实现对电机直线加减速控制的目的，进而提高现阶段直线加减速的性能。
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可编程逻辑器件的直线加减速控制装置。是一种设计灵活、重构复用、运行可靠，适用于一般CNC系统的直线加减速控制装置。
本实用新型的技术方案如下：
一种基于可编程逻辑器件的直线加减速控制装置，其特征在于：PC机通过总线将运动参数写入可编程逻辑器件，根据直线运动规划，采用硬件描述语言将可编程逻辑器件片内逻辑设计分为以下子功能模块：采样周期模块、加速度选择器、乘法器、速度累加器、反馈比较模块和脉冲发生模块；可编程逻辑器件进行加减速运算，从而配置脉冲频率产生相应脉冲， 这些脉冲即可通过差分芯片直接控制驱动器驱动伺服电机，当输出脉冲数等于设置脉冲数时，控制器停止输出脉冲，从而实现伺服电机的直线加减速控制(如图1所示)。
本实用新型基于离散采样，可设装置设置的采样周期、最高驱动速度和初始速度分别为Ts、VS和T0。限定加速段、减速段所用的时间相等。
本实用新型根据直线加减速所需实现的功能，采用硬件描述语言将可编程逻辑器件片内逻辑设计分为以下子功能模块：采样周期模块、加速度选择器、乘法器、速度累加器、反馈比较模块和脉冲发生模块(如图1所示)。
本实用新型的直线加减速控制功能实现步骤主要为：
Step1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的，由一个分频器和一个计数器组成。设置一个可更改的分频系数Div，用于对系统时钟Clk的分频。则采样周期TS的表达式为：
TS＝Div/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，产生触发脉冲L，用于触发乘法器和加速度累加器。
Step3从采样周期模块中产生的采样周期TS进入加速度选择器，加速度选择器中预设有A，0及-A三个参数。加速度选择器将对反馈比较器产生的控制信号EN1，EN2进行译码进而选择使用A，0及-A三个参数进入乘法器。
Step4计数器产生的触发脉冲L进入乘法器后，乘法器将加速度值、采样周期TS和脉冲当量σ的倒数进行相乘，输出脉冲频率增量Δf进入速度累加器。
Step5反馈比较模块采用2个计数器及比较器实现对信号EN的编码输出，进而对加速度选择器进行参数输出控制。首先对速度累加器输出的预期脉冲和驱动器的编码脉冲进行计数并与设置的最高驱动速度VS进行比较，从而产生相应的编码信号EN，用于驱动加速度选择器的参数选择。
Step6脉冲发生模块设计有除法器、寄存器和分频器。将预期脉冲的频率值P作为除法器的除数，进而产生可调分频器的分频系数，通过对系统时钟的分频可得驱动脉冲的频率f(t)。
Step7驱动脉冲的频率f(t)通过差分芯片进入伺服驱动器。
Step8伺服驱动器控制电机的直线加减速以及正反转方向。最终实现伺服电机的直线加减速控制的模块化设计。
本实用新型实施例选用2台Panasonic公司Minas A4系列MCDDT3520伺服驱动器和2台适配MHMD082P1U伺服电机，其额定功率为750W，额定转速为3000rpm。
本实用新型选用的可编程逻辑器件是Altera公司MAX3000A系列的EPM3128ATC100，它有2500个可用门，包括128个宏单元和8个逻辑阵列块，最大用户I/O可达100个。加上24MHz高频有源晶振搭建解码器硬件平台，可以满足设计需求。
本实用新型采用VHDL硬件描述语言在Quartus II9.0开发环境中进行信号处理及功能仿真，同时采用至上而下的设计方法。
本实用新型的程序采用JTAG接口方式进行烧写。
本实用新型实现了对电机直线加减速控制。本实用新型的主要优势在于高速采样频率直线加减速的模块化设计和纯硬件实现，提高电机运行效率和系统的可靠性，便于维护及功能重构。
附图说明
图1为基于可编程逻辑器件的直线加减速控制装置示意图。
图2为直线加减速的加速度、进给速度的变化规律示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本技术及装置进一步说明如下：
一种基于可编程逻辑器件的直线加减速控制装置，其具体实施过程：PC机1通过总线将运动参数写入可编程逻辑器件2，根据直线运动规划，采用硬件描述语言将可编程逻辑器件2片内逻辑设计分为以下子功能模块：采样周期模块6、加速度选择器7、乘法器8、速度累加器9、反馈比较模块10和脉冲发生模块11；可编程逻辑器件2进行加减速运算，从而配置脉冲频率产生相应脉冲，这些脉冲即可通过差分芯片3直接控制驱动器4驱动伺服电机5，当输出脉冲数等于设置脉冲数时，控制器停止输出脉冲，从而实现伺服电机5的直线加减速控制(如图1所示)。
本实用新型基于离散采样，可设装置设置的采样周期、最高驱动速度和初始速度分别为TS、VS和V0。限定加速段、减速段所用的时间相等(如图2所示)。
本实用新型根据直线加减速所需实现的功能，采用硬件描述语言将可编程逻辑器件片内逻辑设计分为以下子功能模块：采样周期模块6、加速度选择器7、乘法器8、速度累加器9、反馈比较模块10和脉冲发生模块11(如图1所示)。
本实用新型的直线加减速控制功能实现步骤主要为：
Step1采样周期模块6主要是通过对系统时钟分频计数得到采样周期的，由一个分频器和一个计数器组成。设置一个可更改的分频系数Div，用于对系统时钟Clk的分频。则采样周期Ts的表达式为：
TS＝Div/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，产生触发脉冲L，用于触发乘法器和速度累加器。
Step3从采样周期模块6中产生的采样周期TS进入加速度选择器7，加速度选择器7中预设有A，0及-A三个参数。加速度选择器7将对反馈比较器10产生的控制信号EN1，EN2进行译码进而选择使用A，0及-A三个参数进入乘法器8。
Step4计数器产生的触发脉冲L进入乘法器8后，乘法器8将加速度值、采样周期TS和脉冲当量σ的倒数进行相乘，输出脉冲频率增量V进入速度累加器9。
Step5反馈比较模块10采用2个计数器及比较器实现对信号EN的编码输出，进而对加速度选择器7进行参数输出控制。首先对速度累加器9输出的预期脉冲和驱动器4的编码脉冲进行计数并与设置的最高驱动速度VS进行比较，从而产生相应的编码信号EN，用于驱动加速度选择器7的参数选择。
Step6脉冲发生模块11设计有除法器、寄存器和分频器。将预期脉冲的频率值P作为除法器的除数，进而产生可调分频器的分频系数，通过对系统时钟的分频可得驱动脉冲的频率f(t)。
Step7驱动脉冲的频率f(t)通过差分芯片3进入伺服驱动器4。
Step8伺服驱动器4控制电机5的直线加减速以及正反转方向。最终实现伺服电机5的直线加减速控制的模块化设计。
本实用新型实施例选用2台Panasonic公司Minas A4系列MCDDT3520伺服驱动器4和2台适配MHMD082P1U伺服电机5，其额定功率为750W，额定转速为3000rpm。
本实用新型选用的可编程逻辑器件是Altera公司MAX3000A系列的EPM3128ATC100，它有2500个可用门，包括128个宏单元和8个逻辑阵列块，最大用户I/O可达100个。加上24MHz高频有源晶振搭建解码器硬件平台，可以满足设计需求。
本实用新型采用VHDL硬件描述语言在Quartus II9.0开发环境中进行信号处理及功能仿真，同时采用至上而下的设计方法。
本实用新型的程序采用JTAG接口方式进行烧写。
本实用新型实现了对电机直线加减速控制。本实用新型的主要优势在于高速采样频率直线加减速的模块化设计和纯硬件实现，提高电机运行效率和系统的可靠性，便于维护及功能重构。
以上所述为本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (2)
1.一种基于可编程逻辑器件的直线加减速控制装置，其特征在于：PC机通过总线将运动参数写入可编程逻辑器件，根据直线运动规划，采用硬件描述语言将可编程逻辑器件片内逻辑设计分为以下子功能模块：采样周期模块、加速度选择器、乘法器、速度累加器、反馈比较模块和脉冲发生模块；可编程逻辑器件进行加减速运算，从而配置脉冲频率产生相应脉冲，这些脉冲即可通过差分芯片直接控制驱动器驱动伺服电机，当输出脉冲数等于设置脉冲数时，控制器停止输出脉冲，从而实现伺服电机的直线加减速控制。
2.根据权利要求1中所述的基于可编程逻辑器件的直线加减速控制装置，其特征在于：可编程逻辑器件中的反馈比较模块采用2个计数器及比较器对速度累加器输出的预期脉冲和驱动器的编码脉冲进行计数并与设置的最高驱动速度进行比较，从而产生相应的编码信号，用于控制加速度选择器的参数选择。
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| CN107092238A (zh) * | 2016-12-22 | 2017-08-25 | 深圳学泰科技有限公司 | 基于脉冲驱动型电机的平滑加速控制方法和系统 |
| CN108762151A (zh) * | 2018-06-04 | 2018-11-06 | 绵阳逢研科技有限公司 | 智能信息共享导向标识柱控制系统 |
| CN110879568A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-03-13 | 南京工程学院 | 多轴联动经济型数控系统的运动控制方法 |
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