專利名稱：用于高速運動機件點對點快速精確定位器的數(shù)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于高速運動機件點對點快速精確定位器的數(shù)控裝置。
(1)程序編制和輸入裝置數(shù)控程序是按對象在機械坐標(biāo)系上的位置，用標(biāo)準(zhǔn)的計算機語言系統(tǒng)對運動對象的運行軌跡實施控制的指令。輸入裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，傳送并存至自動化裝置內(nèi)。
(2)強電控制裝置該裝置是介于數(shù)控裝置和運動機械之間的控制系統(tǒng)，其主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的運動指令，經(jīng)必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅(qū)動相應(yīng)的的電氣傳動部件；此外，還有過流過壓等反饋信號經(jīng)它送到數(shù)控裝置進行處理。
(3)伺服驅(qū)動系統(tǒng)和位置檢測裝置伺服驅(qū)動系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電路和伺服驅(qū)動裝置組成，它執(zhí)行數(shù)控裝置發(fā)來的運行軌跡信號，該部分的核心是采用變頻控制器輸出最大效率的驅(qū)動力矩和制動力矩。位置檢測裝置主要是用位置傳感器或速度傳感器檢出位置信號。
數(shù)控裝置是全系統(tǒng)的核心，關(guān)鍵技術(shù)多為國外掌握，目前國內(nèi)的數(shù)控位置伺服設(shè)備，其關(guān)鍵部分，如主控板(或軟件)、精密傳感器、高效驅(qū)動裝置等，都依賴進口，每年要化費大量外匯。如依靠自主開發(fā)，因性價比太差或質(zhì)量不穩(wěn)定，無法形成產(chǎn)業(yè)，反過來制約了研發(fā)的進程。
當(dāng)前，國外的高速運動機件點對點快速精確定位系統(tǒng)，基本理論是基于Bang-Bang控制原理，實際工作框圖大致如圖2所示它包括控制量開關(guān)信號發(fā)生器(即bang-bang控制器)、線性控制器、方式選擇器等，當(dāng)運動對象的行程較大時，系統(tǒng)啟始階段的初定位采用bang-bang控制，一旦系統(tǒng)的位置誤差變得較小，再通過方式選擇器使系統(tǒng)由bang-bang控制轉(zhuǎn)為線性控制，前者用于保證定位的快速性，后者則保證最后的定位精度。但上述結(jié)構(gòu)在bang-bang控制器基礎(chǔ)上增加了一個線性控制器，系統(tǒng)較復(fù)雜。且這種方法要保證定位精度，需要準(zhǔn)確地知道速度量，即需貴重的速度傳感器或通過復(fù)雜的軟件計算進行估計，對中小系統(tǒng)來說，相對成本較高。
啟動信號給運動對象提供啟動指令并使其按設(shè)定的運動軌跡運行；制動信號提供制動指令；減速速率選擇器在制動指令發(fā)出后，根據(jù)模糊控制器輸出信號調(diào)出合適的減速速率曲線，確保定位既快速又準(zhǔn)確；模糊控制器輸出系統(tǒng)進行控制量狀態(tài)開關(guān)切換的位移坐標(biāo)值x1以及機件處于減速制動狀態(tài)下的速度下降速率Rdv；方式控制器內(nèi)含中央處理器功能，根據(jù)模糊控制器的輸入信號決定輸出處于什么樣的工作狀態(tài)；脈寬調(diào)制器輸出PWM脈沖波形，波形的形態(tài)反映了方式控制器所連接的工作狀態(tài)；逆變驅(qū)動為動作電機提供已經(jīng)過功率放大的PWM脈沖波；光電編碼器輸出位置信號；譯碼器對位置信號進行譯碼，并轉(zhuǎn)換成與方式控制器匹配的電平，作最后的位置定位修正。
本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明的一種新的快速精確點對點定位數(shù)字控制裝置，仍基于bang-bang控制器的思想。該研究項目一開始就以填補國內(nèi)空白、成果全面產(chǎn)業(yè)化為主旨，性價比好是一個重要指標(biāo)，這是與國外產(chǎn)品形成直接競爭力的基礎(chǔ)。因此，在滿足性能指標(biāo)下，與國外產(chǎn)品相比，在系統(tǒng)構(gòu)成上有自己的鮮明特點，主要體現(xiàn)在(1)不過分依賴運動模型，構(gòu)造簡單，。
(2)沒有復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，對處理器能力要求不高。
(3)總體制造成本比國外產(chǎn)品至少節(jié)省25％以上。
(4)經(jīng)濟實用可靠簡單，但性價比不俗。
本發(fā)明在具體技術(shù)方案上的特色是1)取消了速度傳感器，也不追求對速度量的準(zhǔn)確求取，僅用一個成本極低的二分辯率光電編碼器(幾元人民幣，如圖2所示)檢測位置量和作最后的定位修正。
2)控制量的開關(guān)信號切換點坐標(biāo)用一個模糊控制器來產(chǎn)生，這是本發(fā)明裝置的核心。
3)模糊控制器對運動規(guī)律作定性的分析，即對定位過程必須要知道的速度物理量作模糊化處理，該種處理方案在定位的快速性、穩(wěn)定性和精確度上完全能滿足實際需求，軟硬件資源均大大節(jié)省，且易于實現(xiàn)。
本發(fā)明所擁有的新技術(shù)已首先應(yīng)用于國內(nèi)紡織工業(yè)中高速平縫機的針位快速精確控制，之前，國內(nèi)高速平縫機的數(shù)控裝置無一例外的通過進口。它是第一次真正意義上完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控裝置，經(jīng)濟效益巨大，并已形成大規(guī)模生產(chǎn)和出口態(tài)勢。
具體實施例方式
本發(fā)明數(shù)控裝置的基本功能描述如下先給定目標(biāo)位置參考值，在啟動指令作用下，運動機件以盡可能短的時間0～t1運行完畢至A點后，控制量狀態(tài)由方式控制器進行開關(guān)切換，發(fā)出停車制動指令，至t2時刻(B點)恰好停止，完成快速精確的點對點定位，其中開關(guān)切換點坐標(biāo)是由模糊控制器給出的(見圖5)。
如圖3所示，啟動信號給運動對象提供啟動指令并使其按設(shè)定的運動軌跡運行；制動信號提供制動指令；減速速率選擇器在制動指令發(fā)出后，根據(jù)模糊控制器輸出信號調(diào)出合適的減速速率曲線，確保定位既快速又準(zhǔn)確；模糊控制器輸出進行控制量狀態(tài)開關(guān)切換的位移坐標(biāo)值x1和機件處于減速制動狀態(tài)下的速度下降速率Rdv；方式控制器內(nèi)含中央處理器功能，根據(jù)模糊控制器和譯碼器的輸入信號決定整個系統(tǒng)的工作態(tài)，當(dāng)方式開關(guān)接通啟動信號通道時，機件以最大加速度運動，此時中央處理器不斷將譯碼器輸入的位置信號與模糊控制器輸出的變量x1值進行比較，當(dāng)兩者相等時，控制量狀態(tài)發(fā)生開關(guān)切換，方式開關(guān)轉(zhuǎn)接至制動信號通道，并按照調(diào)用的減速速率曲線作減速運行，最后的定位修正由方式控制器根據(jù)譯碼器檢出的A點信號電平高低來完成，當(dāng)機件運動到A點時，方式控制器發(fā)出停車制動指令，使機件到達B點恰好停止，此時方式開關(guān)斷開所有的信號通道。
脈寬調(diào)制器輸出PWM脈沖波形，波形的形態(tài)反映了方式控制器所連接的工作狀態(tài)；逆變驅(qū)動為動作電機提供已經(jīng)過功率放大的PWM脈沖波；光電編碼器輸出位置信號；譯碼器對位置信號進行譯碼，并轉(zhuǎn)換成與方式控制器匹配的電平，作最后的位置定位修正。
如圖4所示，總的模糊控制器由模糊子控制器1和模糊子控制器2構(gòu)成，模糊子控制器1從給定的速度指令中大概判斷當(dāng)前的轉(zhuǎn)子速度vr，以確定系統(tǒng)進行控制量狀態(tài)開關(guān)切換的位移坐標(biāo)值x1，對應(yīng)的模糊關(guān)系為vr越大，x1越?。荒：涌刂破?綜合轉(zhuǎn)子速度模糊值vr和位移坐標(biāo)值x1以決定控制量狀態(tài)開關(guān)切換后，機件處于減速制動狀態(tài)下的速度下降速率Rdv，對應(yīng)的模糊關(guān)系為vr越大，Rdv越大?？偟哪：刂破鲝耐獠慷丝诳磥恚话粋€變量vr輸入、二個變量Rdv和x1輸出，并無實測物理量存在；并且由二個模糊子控制器的模糊蘊含關(guān)系規(guī)劃成的模糊控制曲線，是以定位精度和快速性為工程指標(biāo)，通過大量實驗和參考人機專家經(jīng)驗以表格形式得到的，故大大節(jié)省了軟硬件資源。模糊控制屬于智能控制范疇，由于它具有超調(diào)小、魯棒性強、能夠克服非線性因素的影響等特點，故對復(fù)雜系統(tǒng)是一種有效的控制策略。
權(quán)利要求
1.一種用于高速運動機件點對點快速精確定位器的數(shù)控裝置，其特征在于啟動信號給運動對象提供啟動指令并使其按設(shè)定的運動軌跡運行；制動信號提供制動指令；減速速率選擇器在制動指令發(fā)出后，根據(jù)模糊控制器輸出信號調(diào)出合適的減速速率曲線，確保定位既快速又準(zhǔn)確；模糊控制器輸出系統(tǒng)進行控制量狀態(tài)開關(guān)切換的位移坐標(biāo)值x1以及機件處于減速制動狀態(tài)下的速度下降速率Rdv；方式控制器內(nèi)含中央處理器功能，根據(jù)模糊控制器的輸入信號決定輸出處于什么樣的工作狀態(tài)；脈寬調(diào)制器輸出PWM脈沖波形，波形的形態(tài)反映了方式控制器所連接的工作狀態(tài)；逆變驅(qū)動為動作電機提供已經(jīng)過功率放大的PWM脈沖波；光電編碼器輸出位置信號；譯碼器對位置信號進行譯碼，并轉(zhuǎn)換成與方式控制器匹配的電平，作最后的位置定位修正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速運動機件點對點快速精確定位器的數(shù)控裝置，其特征在于所說的模糊控制器的模糊子控制器1是從給定的速度指令中大概判斷當(dāng)前的轉(zhuǎn)子速度vr，以確定系統(tǒng)進行控制量開關(guān)切換的位移坐標(biāo)值x1，模糊子控制器2綜合轉(zhuǎn)子速度模糊值vr和位移坐標(biāo)值x1以決定控制量狀態(tài)開關(guān)切換后，機件處于減速制動狀態(tài)下的速度下降速率Rdv。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速運動機件點對點快速精確定位器的數(shù)控裝置，其特征在于所說的光電編碼器是二分辯率的，給定目標(biāo)位置指令后，運動機件以盡可能短的時間0～t1運行完畢至A點后，控制量開關(guān)切換，發(fā)出制動信號，至t2時刻(B點)恰好停止，依靠這種最低分辯率的光電編碼器就能完成傳統(tǒng)上只有靠高分辯率光電編碼器才能實現(xiàn)的快速精確點對點定位功能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于高速運動機件點對點快速精確定位器的數(shù)控裝置。啟動信號和制動信號給運動對象提供啟/制動指令；減速速率選擇器選擇合適的減速速率曲線，確保定位快速準(zhǔn)確；模糊控制器輸出系統(tǒng)進行控制量狀態(tài)開關(guān)切換的位移坐標(biāo)值x
文檔編號G05B19/18GK1437081SQ0311571
公開日2003年8月20日 申請日期2003年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月8日
發(fā)明者張寅孩, 張仲超 申請人:浙江大學(xué)