[发明专利]基于工业以太网总线的绝对式光栅控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业以太网的技术领域，特别涉及一种基于工业以太网总线的绝对式光栅控制系统及控制方法。

背景技术

由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统，又称反馈控制系统。这是一种自动控制系统，其中包括功率放大和反馈，使输出变量的值响应输入变量的值。数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若工作台没有移动，即位置反馈信号不变时，指令和反馈差值经放大器放大后使伺服电动机转动，经过齿轮、滚珠丝杠螺母副等传动元件带动机床工作台移动。装在机床工作台上的位置测量元件，测出工作台的实际位移量后，反馈到数控装置的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行控制。若两者存在差值，经放大器后放大，再控制伺服驱动电动机转动，直至差值为零时，工作台才停止移动。

目前的光栅闭环控制主要采用两种方法实现：1.伺服驱动器直接带光栅控制接口；2.采用现场总线通过光栅适配器与光栅连接通信。

方法1主要存在不能灵活适配各种光栅设备的缺点，很难实现多重系统保护功能，并增加伺服驱动的运算负荷；方法2主要存在现场总线通信速率较低，通信数据量小，很难实现伺服系统与光栅设备数据的高速交叉通信的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于工业以太网总线的绝对式光栅控制系统。

本发明的另一目的在于，提供一种基于上述控制系统的控制方法。

为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：

本发明基于工业以太网总线的绝对式光栅控制系统，由数控系统通过工业以太网总线与各从站设备环形拓扑连接，从站包括顺序连接的IO单元、数字主轴驱动器、进给轴驱动器和光栅适配器从站PDU，所述光栅适配器从站PDU连接直线光栅和角度光栅。

优选的，所述光栅适配器从站PDU包括FPGA主芯片，串行存储器EPCS和SDRAM存储器，以太网物理芯片与双网络接口、电源转换以及光栅设备串行接口。

优选的，所述FPGA主芯片采用片上系统SOC技术，可灵活配置软硬件系统框架，硬件框架构造包括软核主CPU、与软核主CPU连接的内部RAM、定时器、工业以太网协议接口及光栅通信协议模块，通过内部Avalon总线互连通信；由软核主CPU控制程序，通过光栅通信协议模块及光栅接口与光栅设备实时通信，并通过工业以太网协议接口与主站CNC系统实时交互通信，将光栅设备数据信息实时反馈给主系统。

优选的，所述数字主轴驱动器连接主轴电机，所述进给轴驱动器连接进给轴电机，所述IO单元连接输入输出信号，通过工业以太网接口与主系统实时交互数据，有效控制电机的运动和IO信号的正常运行。

为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：

本发明基于工业以太网总线的绝对式光栅控制方法，包括下述步骤：

S11、基于工业以太网的CNC系统主站和伺服驱动器、数字主轴驱动器、IO单元以及光栅适配器从站的环形拓扑连接；

S12、光栅适配器从站连接绝对光栅设备，光栅适配器从站采用Altera FPGA提供的Quartus-ii及SOPC Builder开发环境，建立系统硬件工程，所述系统硬件工程具体包括：软核主CPU、EPCS存储芯片接口、片上RAM、SDRAM控制器接口、与海德汉绝对光栅通信的Endat2.2协议接口（或与发格绝对光栅通信的Feedat2.0协议接口）及GSK-Link工业以太网协议接口等构成；

S13、光栅适配器从站上电后，软件初始化系统外围设备，读取各光栅设备的ID，光栅类型及光栅精度等信息，通过GSK-Link工业以太网总线，交互各光栅设备的通信和类型参数，并开启光栅周期数据通信中断和工业以太网总线中断，然后系统进入正常周期通信处理流程；

S14、系统周期性的读取各光栅设备的位置数据，并根据步骤S13中已得到的光栅类型和光栅精度信息，折算为实际光栅绝对位置，通过工业以太网总线实时反馈给CNC主系统；

S15、系统周期读取各光栅设备位置数据与速度数据的同时，也实时得到光栅的运行状态，当光栅设备异常报警时，也通过工业以太网总线实时反馈给CNC主系统，以保证系统的安全运行。

优选的，步骤S14中，折算光栅实际绝对位置的具体方法如下：

S141、系统指令位置的指令精度单位和反馈位置数据的检测精度单位保持一致，综合实际使用需求，按照0.1um的精度单位进行；