CN113156839A - 一种伺服***电子齿轮 - Google Patents

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陈连君
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李刚
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Abstract

本发明公开了一种伺服***电子齿轮，包括脉冲处理电路模块、分频电路模块以及正交序列生成模块；脉冲处理电路模块用于接收伺服电机反馈的编码器反馈信号，所述编码器反馈信号为增量脉冲信号或绝对值编码信号，产生方向信号和第一脉冲信号，并将第一脉冲信号发送至分频电路模块，将方向信号发送至正交序列生成模块；分频电路模块用于接收第一脉冲信号并将其进行分频生成第二脉冲信号发送至正交序列生成模块；正交序列生成模块用于接收所述方向信号和第二脉冲信号并根据信号生成正交脉冲信号。该电子齿轮可以适用于不同的编码器反馈信号，提高了适应性能。

Description

一种伺服***电子齿轮
技术领域
本发明涉及机床驱动技术领域，具体涉及伺服***电子齿轮。
背景技术
齿轮是数控机床重要的基础件，对机床的加工效率和精度有重要影响。伺服***电子齿轮，对数控机床加工质量和效率具有十分重要的作用，伺服***的电子齿轮作为高性能数控机床的核心技术，其控制精度直接决定了数控机床的性能，实现高效率高精度多适配的电子齿轮具有重要的应用意义。然而现有的伺服***电子齿轮只能处理单一形式的编码器信号，通用性能不好。
发明内容
本发明提出了一种伺服***电子齿轮，可以处理不同类型的编码器信号，提高了电子齿轮的适应性能。
本发明采用的技术手段如下：
一种伺服***电子齿轮，包括脉冲处理电路模块、分频电路模块以及正交序列生成模块；
脉冲处理电路模块，用于接收伺服电机反馈的编码器反馈信号，所述编码器反馈信号为增量脉冲信号或绝对值编码信号，产生方向信号和第一脉冲信号，并将所述第一脉冲信号发送至分频电路模块，将所述方向信号发送至所述正交序列生成模块；
分频电路模块，用于接收所述第一脉冲信号并将其进行分频生成第二脉冲信号发送至所述正交序列生成模块；
正交序列生成模块，用于接收所述方向信号和第二脉冲信号，并根据所述信号生成正交脉冲信号。
进一步地，所述脉冲处理电路模块包括信号接口模块、增量脉冲信号处理模块以及绝对值编码信号处理模块；
所述信号接口模块包括用于接收增量脉冲信号并将其传输至增量脉冲信号处理模块的增量编码器接口和用于接收绝对值编码信号并将其传输至绝对值编码信号处理模块的绝对值编码器接口；
所述增量脉冲信号处理模块，用于接收所述增量脉冲信号并对其进行处理生成所述方向信号和所述第一脉冲信号；
所述绝对值编码信号处理模块，用于接收所述绝对值脉冲信号并对其进行处理生成所述方向信号和所述第一脉冲信号。
进一步地，所述分频电路模块包括脉冲信号接口、传动比信号接口以及分频处理模块；
所述脉冲信号接口，用于接收所述第一脉冲信号并发送至所述分频处理模块；
所述传动比信号接口，用于设定电子齿轮的传动比并将所述传动比值发送至所述分频处理模块；
所述分频处理模块，用于接收所述第一脉冲信号和传动比值并将所述第一脉冲信号进行分频处理生成第二脉冲信号发送至正交序列生成模块。
进一步地，所述正交序列生成模块包括方向信号接口和信号序列生成模块；
所述方向信号接口，用于接收所述方向信号并将其传输至所述信号序列生成模块；
所述信号序列生成模块，用于接收所述方向信号和第二脉冲信号，并根据所述方向信号和第二脉冲信号生成正交脉冲信号。
与现有技术比较，本发明所述的伺服***电子齿轮具有以下优点，通过设有脉冲处理电路模块，脉冲处理电路模块可以接收并处理不同类型的编码器信号，并生成正交脉冲信号，提高了电子齿轮的使用范围。
附图说明
图1为本发明公开的伺服***电子齿轮应用结构框图；
图2为本发明公开的伺服***电子齿轮基本模块结构图；
图3为本发明公开的伺服***电子齿轮具体模块结构图；
图4为正交脉冲信号图；
图5为增量式编码器脉冲处理模块时序图。
图中：1、脉冲处理电路模块，2、分频电路模块，3、正交脉冲生成模块。
具体实施方式
如图1所示，作用于传动机构的伺服电机编码器反馈，可经过编码器接口1或编码器接口2进入伺服***，若反馈的编码器信号为正交增量型，经过差分转单端电路模块进入FPGA模块；若反馈的编码信号为绝对值式，经过RS485电路模块进入FPGA模块，由FPGA模块实现本发明公开的伺服***电子齿轮功能；数控***通过工业以太网总线或伺服调试软件通过串口，可设定伺服***参数如：编码器1/2的功能、编码器采样周期、编码器分辨率、电子齿轮比等；硬件电路处理后的编码器信号进入以FPGA芯片为基体，采用VHDL硬件编程语言实现的伺服***电子齿轮模块，产生正交序列脉冲信号，经过单端转差分电路模块，进入编码器1或编码器2(可有数控***或伺服调试软件设定正交序列脉冲信号输出使用哪路编码器)，然后传输给数控***或其它协作加工的伺服驱动器，从而数控***知道加工工具的具***置，其它伺服驱动器可将该信号做位置指令，实现协同加工功能。
具体地，如图2和图3所示为本发明公开的一种伺服***电子齿轮，包括脉冲处理电路模块、分频电路模块以及正交序列生成模块；
脉冲处理电路模块1，用于接收伺服电机反馈的编码器反馈信号，所述编码器反馈信号为增量脉冲信号或绝对值编码信号，产生方向信号和第一脉冲信号，并将所述第一脉冲信号发送至分频电路模块，将所述方向信号发送至所述正交序列生成模块；
分频电路模块2，用于接收所述第一脉冲信号并将其进行分频生成第二脉冲信号发送至所述正交序列生成模块；
正交序列生成模块3，用于接收所述方向信号和第二脉冲信号，并根据所述信号生成正交脉冲信号。
具体的，本实施例中，所述脉冲处理电路模块包括信号接口模块、增量脉冲信号处理模块以及绝对值编码信号处理模块；
所述信号接口模块包括用于接收增量脉冲信号并将其传输至增量脉冲信号处理模块的增量编码器接口和用于接收绝对值编码信号并将其传输至绝对值编码信号处理模块的绝对值编码器接口；
具体的，增量式编码器接口为正交的方波A和方波B脉冲信号(如图4所示)。绝对式编码器接口为编码器通信时钟信号CLK和编码器通信传输信号Data。在本实施例中，编码器接口1/2均可支持增量脉冲信号和绝对值编码信号。
所述增量脉冲信号处理模块，用于接收所述增量脉冲信号并对其进行处理生成所述方向信号和所述第一脉冲信号；
在本实施例中，增量脉冲信号处理模块的处理过程如下：增量脉冲信号处理模块通过增量编码器接口对收到的增量编码器发出的脉冲A和脉冲B，对其处理过程包括如下步骤：
步骤1：FPGA以100MHz时钟的上升沿采集脉冲A和脉冲B信号，将这两个信号以寄存器的形式锁存起来，实现信号的同步，产生脉冲信号A1和脉冲信号B1。
步骤2：100MHz时钟上升沿触发采样上一步产生的脉冲信号A1和脉冲信号B1，这两个信号若出现上升沿或下降沿，则产生一个100MHz时钟宽度的脉冲信号Pulse4，该脉冲信号Pulse4是原正交脉冲信号A/B的4倍频，该脉冲信号Pulse4即为第一脉冲信号；同时比较采样的脉冲信号A1和脉冲信号B1，若脉冲信号A1相位相对于脉冲信号B1相位超前90°,则输出方向dir信号值为1(方向信号输出为1)；若脉冲信号A1相位相对于脉冲信号B1相位滞后90°,则输出方向dir信号值为0(方向信号输出为0)，如图5所示，A,B为输出信号，A1,B1为同步锁存后的信号，Dir输出的方向信号，Pluse输出的脉冲信号。
所述绝对值编码信号处理模块，用于接收所述绝对值脉冲信号并对其进行处理生成所述方向信号和所述第一脉冲信号。
绝对值编码信号处理模块的处理过程如下：绝对值编码信号处理模块通过绝对值编码器接口对收到的绝对值脉冲信号，对其处理过程包括如下步骤：
步骤1：数控***通过总线通讯或伺服调试软件通过调试串口设定编码器位置信号采样周期SmpTime，绝对值编码器分辨率Resolution；其中采样周期SmpTime以FPGA的***100MHz时钟周期为基准，如采样周期SmpTime为100，则表示采样周期为100个***时钟周期。
步骤2：计算T时刻一个采样周期SmpTime内期望输出脉冲数△PosDataT，计算公式为(1)：
△PosDataT＝|PosDataT-PosDataT-1| (1)
其中：PosDataT为本次采样绝对值编码器位置数据，
PosDataT-1为上一次采样的绝对值编码器位置数据；
步骤3：由公式(2)计算得到脉冲累加比较值△Pluse；
△Pluse＝SmpTime/△PosDataT (2)；
步骤4:每次在FPGA的100MHz***时钟的上升沿，Pluse_num累加1，若累加值Pluse_num>△Pluse，累加值Pluse_num减去△Pluse，绝对值编码信号处理模块输出一个100MHz***时钟宽度的脉冲Pluse信号。
步骤5：比较两个采样周期内，绝对值编码器位置值若PosDataT>PosDataT-1，
脉冲处理模块输出方向信号dir值为1(即表示电机正传)，若PosDataT<PosDataT-1，脉冲处理模块输出方向信号dir值为0(即表示电机反转)。
以如下举例说明应用，假设编码器采样周期为62.5us，伺服电机最大转速6000rpm。则采样周期SmpTime为6250，对应的编码器线数为100M*60/6000＝1M,由2^19＝524288，则在此转速下可支持的最高编码器位数为19bit。若需要支持的编码器线数增加，则电机最大转速需要相应降低。
所述分频电路模块包括脉冲信号接口、传动比信号接口以及分频处理模块；所述脉冲信号接口，用于接收所述第一脉冲信号并发送至所述分频处理模块；所述传动比信号接口，用于设定电子齿轮的传动比并将所述传动比值发送至所述分频处理模块；所述分频处理模块，用于接收所述第一脉冲信号和传动比值并将所述第一脉冲信号进行分频处理生成第二脉冲信号发送至正交序列生成模块。
具体的，脉冲信号接口接收脉冲电路处理模块输出的第一脉冲信号后传输至分频处理模块，传动比信号接口由数控***或伺服调试软件设定的电子齿轮传动比N/M(其中，脉冲分频比分子N和脉冲分频比分母M，其中N、M为正整数)并发送至分频处理模块。
分频处理模块对第一脉冲信号进行分频的过程如下，
步骤1：由数控***或伺服调试软件设定脉冲分频比分子N和脉冲分频比分母M，其中N、M为正整数。
步骤2：分频处理模块在***100MHz***时钟上升沿采集第一脉冲信号，若第一脉冲信号出现上升沿，则进行分频脉冲数Div_num累加M，其中M为脉冲分频比分母；若累加值分频脉冲数Div_num>脉冲分频比分子N,则分频模块输出一个100MHz***时钟宽度的脉冲，并且累加值Div_num减去N，当下次出现输入脉冲Pluse的上升沿时，Div_num再次累加脉冲分频比分母M，如此分频模块输出分频比K＝N/M的第二脉冲信号。如表1分频过程示例，输入脉冲为8，实现分频比K＝8/3第二脉冲信号输出。
表1电子齿轮传动比8/3时过程示例
脉冲输入 分频脉冲数累加Div_num 分频脉冲输出
1 3 0
2 6 0
3 9-8 1
4 4 0
5 7 0
6 10-8 1
7 5 0
8 8-8 1
进一步地，所述正交序列生成模块包括方向信号接口和信号序列生成模块；
所述方向信号接口，用于接收所述方向信号并将其传输至所述信号序列生成模块；所述信号序列生成模块，用于接收所述方向信号和第二脉冲信号，并根据所述方向信号和第二脉冲信号生成正交脉冲信号。
具体的，方向信号接口接收所述方向信号并将其传输至所述信号序列生成模块；所述信号序列生成模块接收所述方向信号和第二脉冲信号，并根据所述方向信号和第二脉冲信号生成正交脉冲信号，信号序列生成模块处理过程如下：
步骤1，100MHz***时钟上升沿采集输入的方向信号dir，由方向信号dir的值决定生成的的正交脉冲序列。
步骤2：若方向信号dir值为1，***以100MHz的时钟采样输入的第二脉冲信号，第二脉冲信号边沿信号触发触发输出脉冲A和输出脉冲B的信号变化，并按照10→11→01→00循环顺序进行切换状态。
步骤3：若方向信号dir值为0，***以100MHz的时钟采样输入的脉冲信号第二脉冲信号，第二脉冲信号上升沿信号触发触发输出脉冲A和输出脉冲B的信号变化，按照00→01→11→10循环顺序进行切换状态。进而生成正交脉冲序列形式发送给数控***或其它伺服驱动器。例如，该伺服***电子齿轮可将接收到的伺服电机编码器信号，按照设定的分频系数，产生出实际丝杠导轨移动位置，以正交脉冲的形式发送给数控***或其它伺服驱动器，数控***可得知丝杠移动位置，进而实现伺服驱动器实现龙门机床双驱功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种伺服***电子齿轮，其特征在于：包括脉冲处理电路模块、分频电路模块以及正交序列生成模块；
脉冲处理电路模块，用于接收伺服电机反馈的编码器反馈信号，所述编码器反馈信号为增量脉冲信号或绝对值编码信号，产生方向信号和第一脉冲信号，并将所述第一脉冲信号发送至分频电路模块，将所述方向信号发送至所述正交序列生成模块；
分频电路模块，用于接收所述第一脉冲信号并将其进行分频生成第二脉冲信号发送至所述正交序列生成模块；
正交序列生成模块，用于接收所述方向信号和第二脉冲信号，并根据所述信号生成正交脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的伺服***电子齿轮，其特征在于：所述脉冲处理电路模块包括信号接口模块、增量脉冲信号处理模块以及绝对值编码信号处理模块；
所述信号接口模块包括用于接收增量脉冲信号并将其传输至增量脉冲信号处理模块的增量编码器接口和用于接收绝对值编码信号并将其传输至绝对值编码信号处理模块的绝对值编码器接口；
所述增量脉冲信号处理模块，用于接收所述增量脉冲信号并对其进行处理生成所述方向信号和所述第一脉冲信号；
所述绝对值编码信号处理模块，用于接收所述绝对值脉冲信号并对其进行处理生成所述方向信号和所述第一脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的伺服***电子齿轮，其特征在于：所述分频电路模块包括脉冲信号接口、传动比信号接口以及分频处理模块；
所述脉冲信号接口，用于接收所述第一脉冲信号并发送至所述分频处理模块；
所述传动比信号接口，用于设定电子齿轮的传动比并将所述传动比值发送至所述分频处理模块；
所述分频处理模块，用于接收所述第一脉冲信号和传动比值并将所述第一脉冲信号进行分频处理生成第二脉冲信号发送至正交序列生成模块。
4.根据权利要求2所述的伺服***电子齿轮，其特征在于：所述正交序列生成模块包括方向信号接口和信号序列生成模块；
所述方向信号接口，用于接收所述方向信号并将其传输至所述信号序列生成模块；
所述信号序列生成模块，用于接收所述方向信号和第二脉冲信号，并根据所述方向信号和第二脉冲信号生成正交脉冲信号。
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