CN2338785Y - 数字速度给定控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种数字速度给定控制器,与伺服电机的速度伺服单元相配套使用,为普通机床的进给轴控制而设计。包括位于操作台侧的数字给定器、位于伺服速度单元侧的位置环控制器及连接两者的30米以上的双绞线。数字给定器及位置控制环以各自的单片机为核心控制部件,并采用RS485半双工串行通讯方式进行数据交换,实现速度伺服系统1∶10000以上的数字速度给定宽调速、电子手摇轮输入显示及机床位移数字显示等功能,解决了普通机床应用速度伺服单元所带来的问题。

Description

数字速度给定控制器

本实用新型涉及一种控制装置，为普通机床的进给轴控制而设计，与伺服电机的速度伺服单元相配套使用。

目前直流伺服电机及其速度伺服单元或交流伺服电机及其伺服单元已经被应用于普通机床的进给轴上，但在实际使用过程中用伺服电机作机床进给轴的宽调速控制时会遇到以下两方面较难处理的问题。

1．用模拟电压直接作速度指令电压时，很难实现低速小电压的给定。如图1所示，在一般的大型机床上，速度给定器都是安装在操作台或按钮站11上，而速度伺服单元12都安装在电气柜13中，它们之间一般要用三十多米或更长的布线15相连接，速度伺服单元12控制伺服电机14。

机床进给轴的速度调节范围一般要求在1∶10000以上，如果以10V电压与电机的额定转速对应，在低速时的指令电压VCMD则为几毫伏或更小。图1中的速度指令电压用电位器产生，直接用电位器方式给出毫伏级的指令电压需要解决两个问题，即怎样精确产生小电压并与电机的实际转数对应；怎样将小电压信号传输三十多米远的距离而不被共模信号淹没。这两个问题实际上是一个问题，当有用的指令电压一旦被共模信号淹没后，电机从方向到速度将不再受指令电压控制。

产生精确的小指令电压可以有多种方法，但小电压信号传输几十米远不被共模电压淹没却不是件容易的事，因为共模干扰一般在7毫伏左右。所以当模拟电压小于7毫伏时就明显不能进行控制了。

为了解决以上问题，人们采用模拟信号与开关信号相结合的方法以避开使用小电压设定。其基本方法是分段传送模拟电压，如当开关值是某一状态时，模拟电压表示10V～0.1V间的指令电压，而当开关值是另一状态时，同样的10V～0.1V间的指令电压，它代表的速度值应当除以100，相当于低速的指令电压值。显然，这就要求在速度环指令电压入口处，对来自操作台的指令电压要事先作一定的处理。

2．直接运用速度环作宽调速的另一个严重问题是伺服刚度和精度问题，因为当指令电压小到一定值时，速度伺服单元已不能分辩，在这样低的指令电压下，伺服电机实际上也不能受控，而处于爬行状态。但这种低速在实际应用中又是非常重要的，如在加工另件前的对刀及上刀操作都要用到这种速度。然而就上刀、对刀操作本身而言，它所运用的伺服操作实质上是位置移动控制，而不是速度的连续调节。

实践表明，伺服电机要想真正达到宽调速的目的，只有改变简单的速度环方式而采用位置环方式，即速度锁相环路方式，与此同时，还要改变用模拟电压进行长距离传输的方式，用数字量替代模拟量传送，以提高传送的可靠性。

本实用新型的目的是设计一种数字速度给定控制器，针对上述实际应用中的问题，对产品的应用原理到设计方案作出改动，而提供一种结构合理、实用可行、稳定可靠的数字式速度给定控制器产品，以提高及替代目前的应用水平。

本实用新型的目的是这样实现的，数字速度给定控制器，包括位于操作台的给定器、位于伺服电机侧的速度伺服单元及连接给定器与速度伺服单元的传输线，其特征在于：

所述的给定器是数字给定器，与电子手摇轮连接；所述的传输线是双绞线；还包括有位置环控制器，位于速度伺服单元侧，连接在双绞线与速度伺服单元间；位置环控制器的输出分别与所述速度伺服单元的速度指令电压输入端及速度负反馈电压输入端连接，所述伺服电机的位置反馈脉冲输出端与位置环控制器连接。

所述的数字给定器包括第一单片机、与所述的电子手摇轮接口连接的第一差动输入门，与第一差动输入门连接的第一辨向倍频电路，与第一辨向倍频电路连接的第一计数器和连接第一单片机及所述传输线的第一差动通讯接口，第一计数器通过数据总线与第一单片机连接。

所述的数字给定器还包括有与光栅数显尺连接的第二差动输入门、与第二差动输入门连接的第二辨向倍频电路、与第二辨向倍频电路连接的第二计数器、键盘/显示接口、分别与键盘/显示接口连接的小键盘及显示器；键盘/显示接口及第二计数器通过数据总线与所述的第一单片机连接。

所述的位置环控制器包括第二单片机、由顺序连接的接口电路、并入串出锁存器、脉宽调制控制电路、模拟开关及放大器构成的脉宽调制数/模变换器、由与所述伺服电机的位置反馈脉冲信号端连接的第三差动输入门、与第三差动输入门输出端连接的第三辨向倍频电路、与第三辨向倍频电路输出连接的精密双单稳电路及第三计数器、与精密双单稳电路输出端连接的频率/电压变换电路构成的位置反馈脉冲输入电路及速度负反馈电压输出电路，和连接第二单片机及所述传输线的第二差动通讯接口；所述的接口电路及第三计数器通过数据总线与所述的第二单片机连接，所述放大器的输出端与所述速度伺服单元的速度指令电压输入端连接，所述的频率/电压变换电路的输出端与所述速度伺服单元的速度负反馈电压输入端连接。

所述的位置环控制器还包括有键盘/显示接口、分别与键盘/显示接口连接的小键盘及显示器；键盘/显示接口通过数据总线与所述的第二单片机连接。

所述的位置环控制器还包括有用于保存各种调节参数及机械参数的参数存储器，参数存储器与所述的第二单片机连接。

所述的第一、第二差动通讯接口是半双工RS485串行通讯口。

所述的第一、第二、第三辨向倍频电路及所述的脉宽调制控制电路是采用可编程逻辑阵列GAL芯片构成的，所述的第一、第二、第三辨向倍频电路是四倍频电路。

本实用新型的控制器在原速度伺服单元(即速度环)上套上位置环控制器，变速度环调节为位置环调节，或称速度锁相控制，即通过重新设计一个位置环控制器并加在原有的速度伺服单元之上，该位置环的所有入口都是数字量、开关量或脉冲量，输出时再作D/A变换，使之与速度环输入接口之间保持原来的正常连接。本实用新型位置环控制器的核心部件是单片机，全部调节均由软件完成，最后的结果采用脉宽调制(PWM)方式D/A变换输出，针对调节算法和机械参数，设置了许多参数并由串行接口EEPROM保存，掉电不丢失，可连机在线调节，为用户提供一个柔性的控制器。本实用新型的数字给定器，其宽速度的给定不再采用电位器而是采用了一个在单片机管理下的数字设定器，用于数字速度给定的输入及处理，然后将结果用串行通讯方式传送给位置环控制器。由于给定值用数字设定，使其数值有了更准确的表示，提高了给定值的精度，而实现数字指示则是很容易的事，此外在操作台侧设置微处理器，不仅可以完成数字速度给定操作，还可实现电子手摇轮的输入，从而解决了微量进给及单步进给的问题，给操作带来方便。本控制器的串行通讯采用RS485标准方式，保证了远距离传输的可靠性。

下面结合实施例及附图进一步说明本实用新型的技术

图1是传统的伺服电机速度给定控制器结构示意图

图2是采用数字速度给定控制器的伺服单元速度锁相环路结构示意图

图3是图2中数字给定器的结构原理图

图4是图3中单片机及差动通讯接口的实际电路图

图5是图3中光栅数显尺及电子手摇轮输入电路图

图6是图2中位置环控制器的结构原理图

图7是图6中单片机及参数存储器、差动通讯接口的实施电路图

图8是图6中位置反馈脉冲输入电路及速度负反馈电压输出电路的实际电路图

图9是图6中高精度D/A变换实际电路图

图1说明前已述及不再赘述

参见图2，图中虚线右侧是待控制的伺服电机14及其速度伺服单元12。为适应目前的位置环调节，伺服电机14的速度反馈元件需作调整，其调整方法有两种：一种是增加一个反馈元件，另一种是用如光电位置脉冲编码器一类的位置反馈元件替换如测速机一类的速度反馈元件。对第一种情况，速度负反馈电压TSA和位置反馈脉冲P.P(PositionPulse)分别由两个元件产生，并分别馈送给速度环和位置环。对第二种情况，虽然只有位置脉冲反馈，但位置环内部可通过一定变换如F/V变换后产生速度负反馈电压，提供给速度伺服单元12，达到接口条件不变。

图中虚线左侧是本实用新型的数字速度给定控制器，包括数字给定器21、双绞传输线22、位置环控制器23、光栅数显尺24和电子手摇轮25。手摇轮倍率等的部分I/O信号也可输入数字给定器21中，数字给定器21一般设置在操作台上，用数字给定替代模拟量小信号给定，提高速度给定精度。双铰线长度通常大于30米，用RS485串行半双式通讯方式，实现数字信号长距离传输。位置环控制器23用位置环作宽调速，实现调速比1∶10000以上。位置环控制器23接受来自伺服电机14的电机位置编码脉冲信号P.P(A.B两路)、来自计算机PC的I/O控制信号，位置环控制器23向速度伺服单元12输出速度指令电压VCMD和速度负反馈电压TSA。

参见图3，并结合参见图4、图5。数字给定器21主要包括十六位单片机U1(80C196)，锁存低位地址A0-A7的地址锁存器U2(74LS373)，产生选片信号SEL0-SEL7的译码器U3(74LS138)，向单片机输入部分I/O信号的光电耦合隔离电路U4(由4个光电耦合隔离器521-4组成的14路光电耦合隔离电路)和I/O接口电路U5(8155，使用A口和C口)，U4输入端与接线端子排连接，向单片机输入电子手摇轮脉冲的差动输入门U6(75175、去共模干扰)、辨向倍频电路U7(GAL16V8)及计数器接口U8(8254)，差动输入门U6与电子手摇轮接口连接，向单片机输入光栅数显尺脉冲信号的差动输入门U9(75175)、辨向倍频电路U10(GAL16V8)及计数器接口U11(8254)，由六个键构成的小键盘U12、键盘/显示接口电路U13(8279)、显示驱动电路U14及由8个发光二极管组成的LED数码显示器U15。键盘/显示接口U13与小键盘U12间连线传送扫描信号及键盘输入信号，设置数码显示器使给定器还可兼作数显表表头，简化了装置结构实现电子手摇轮输入显示及机床位移数字显示。图3、图4中U16是程序存储器(2764)，U17是专用芯片差动通讯接口(75176)，其左侧一端与单片机U1的-I/O端连接，用于传送通讯方向控制信号，另两端与单片机U1的串行口连接(RXD、TXD)，其右侧端连接双绞线22。数字给定器21与位置环控制器23间采用RS485串行通讯半双工方式工作，实现给定器与位置环间的大量数据交换，可不受共模电压干扰的影响。只用两根差动双绞网线通讯，每次通讯为四个字节，波特率为62.5K。来自位置环控制器的显示数值，在算法上其累加和在位置环处，给定器只作显示格式变换，不保存累加和。

由数字给定器21的结构决定了它的三大功能，即数字速度设定及显示、电子手摇轮输入及显示，和既可接光栅数显尺又可作半闭环数显的数显表头功能。其中的半闭环数显是指：由于采用串行通讯，位置环处的位置反馈值脉冲信号P.P就可直接反馈给给定器的CPU，实现半闭环数显。在一定精度范围内如±0.01mm时，这种数显功能对大多数机床的进给轴都是非常实用的，给操作者增加可视程度，且不增加产品成本。该三大功能集中在操作台或按钮站上，给用户操作带来极大便利，是以往的普通机床从未实现过的。

电子手摇轮的输入接口逻辑及光栅数显尺的输入接口逻辑分别全部固化在由可编程逻辑阵列U7、U10组成的辨向(正方向脉冲或反方向脉冲)4倍频电路中。此外，小键盘、键盘/显示接口、显示驱动电路及LED数码显示器电路等均为通用技术，不再给出具体的电路。

参见图6，并结合参见图7至图9，位置环控制器23主要由以下部件组成。十六位单片机U200(80C196)，完成低位地址A0-A7数据锁存的数据锁存器U201(74LS373)，产生选片信号SEL0-SEL7的译码器U202(74LS138)，由两个光电耦合器521-4组成的8路光电耦合电路U204，通过接口电路U203(8155)的A口向单片机U200输入来自PC逻辑的I/O控制信号。单片机U200通过接口电路U203的B口及C口向并入串出数据锁存器U205(74LS193×4)送出14位调制脉冲信号，经脉宽调制控制电路U206(GAL16V8)、模拟开关D/A变换器U207(AD7511)及功率放大器U208(LM741)向速度伺服单元12输送速度指令电压VCMD，采用模拟开关及三状态控制逻辑PWM实现高精度14位D/A脉宽调制变换，完成与速度伺服单元的接口，其组合逻辑及时序逻辑固化在可编程逻辑阵列片U206中。来自伺服电机的A、B两路位置反馈脉冲P.P经差动输入门U211(75175)去共模干扰、辨向倍频电路U210(GAL16V8)四倍频及辨向后经计数器U209(8254)进入单片机U200中，其组合逻辑及时序逻辑全部固化在GAL芯片U210中，辨向倍频后信号还同时经精密双单稳电路U212(4538)及频率/电压F/V变换电路U213(LM348)向速度伺服单元12送速度负反馈电压信号TSA。图中，U214是程序存储器(2764)，U215是小键盘，U216是键盘/显示接口(8279),U217是显示驱动电路，U218是四位LED数码显示器。其实际电路为通用技术不再赘述。

同数字给定器21一样，差动通讯接口U219采用专用芯片75176。其结构特点及功能如前所述。图中U220是参数存储器(AT93C46)，用于保存各种调节参数和机械参数，包括位置环调节参数、数显参数、位置反馈元件参数、电机参数、快速参数、间隙补偿参数、电子齿轮参数及读写保护参数等，便于用户作连机在线调节。

本实用新型的控制器，是由RS485半双工串行通讯网线联接的由两个单片机构成的装置，与速度伺服单元及伺服电机一起构成数字给定输入的位置环调节系统，位置环套在速度伺服单元之上，实现速度伺服系统的数字速度给定宽调速、电子手摇轮输入显示及机床位移数字显示。用14位高精度的D/A变换，保证了与速度伺服单元间的正常连接。由于给定部分和位置部分都有自己的CPU，它们之间完全可以用串行通讯方式进行数据交换，不会再受共模干扰影响。在两个单片机处分别用两个控制程序为控制器服务，并加载在各自的EPROM芯片2764上。从而解决了普通机床应用速度伺服单元时所产生的一系列的问题。

Claims (8)

1．一种数字速度给定控制器，包括位于操作台的给定器、位于伺服电机侧的速度伺服单元及连接给定器与速度伺服单元的传输线，其特征在于：

所述的给定器是数字给定器，与电子手摇轮连接；所述的传输线是双绞线；还包括有位置环控制器，位于速度伺服单元侧，连接在双绞线与速度伺服单元间；位置环控制器的输出分别与所述速度伺服单元的速度指令电压输入端及速度负反馈电压输入端连接，所述伺服电机的位置反馈脉冲输出端与位置环控制器连接。

2．根据权利要求1所述的数字速度给定控制器，其特征在于；所述的数字给定器包括第一单片机、与所述的电子手摇轮接口连接的第一差动输入门，与第一差动输入门连接的第一辨向倍频电路，与第一辨向倍频电路连接的第一计数器和连接第一单片机及所述传输线的第一差动通讯接口，第一计数器通过数据总线与第一单片机连接。

3．根据权利要求2所述的数字速度给定控制器，其特征在于：所述的数字给定器还包括有与光栅数显尺连接的第二差动输入门、与第二差动输入门连接的第二辨向倍频电路、与第二辨向倍频电路连接的第二计数器、键盘/显示接口、分别与键盘/显示接口连接的小键盘及显示器；键盘/显示接口及第二计数器通过数据总线与所述的第一单片机连接。

4．根据权利要求1所述的数字速度给定控制器，其特征在于：所述的位置环控制器包括第二单片机、由顺序连接的接口电路、并入串出锁存器、脉宽调制控制电路、模拟开关及放大器构成的脉宽调制数/模变换器、由与所述伺服电机的位置反馈脉冲信号端连接的第三差动输入门、与第三差动输入门输出端连接的第三辨向倍频电路，与第三辨向倍频电路输出连接的精密双单稳电路及第三计数器，与精密双单稳电路输出端连接的频率/电压变换电路构成的位置反馈脉冲输入电路及速度负反馈电压输出电路、和连接第二单片机及所述传输线的第二差动通讯接口；所述的接口电路及第三计数器通过数据总线与所述的第二单片机连接，所述放大器的输出端与所述速度伺服单元的速度指令电压输入端连接，所述的频率/电压变换电路的输出端与所述速度伺服单元的速度负反馈电压输入端连接。

5．根据权利要求4所述的数字速度给定控制器，其特征在于：所述的位置环控制器还包括有键盘/显示接口、分别与键盘/显示接口连接的小键盘及显示器；键盘/显示接口通过数据总线与所述的第二单片机连接。

6．根据权利要求4所述的数字速度给定控制器，其特征在于：所述的位置环控制器还包括有用于保存各种调节参数及机械参数的参数存储器，参数存储器与所述的第二单片机连接。

7．根据权利要求2或4所述的数字速度给定控制器，其特征在于所述的第一、第二差动通讯接口是半双工RS485串行通讯口。

8．根据权利要求2或3或4所述的数字速度给定控制器，其特征在于：所述的第一、第二、第三辨向倍频电路及所述的脉宽调制控制电路是采用可编程逻辑阵列GAL芯片构成的，所述的第一、第二、第三辨向倍频电路是四倍频电路。

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