经济型数控系统中基于插补缓冲区的闭环控制方法

闭环控制是数控机床提高加工精度的重要方法。其控制精度的高低和响应速度直接决定着数控系统的加工精度和加工效率。目前，在经济型数控系统中实现高精度的闭环控制，是各数控厂家和数控工作者面临的一个难题。由于经济型数控系统一般是以单CPU为控制核心。大部分的硬件功能均由软件仿真来实现，因此控制效率不高，实现高精度的闭环控制具有相当的难度。因此，研究闭环控制原理，探讨新的闭环控制实现方法，对提高经济型数控系统的加工性能具有重要意义。

    

    1闭环控制原理

    数控系统基本的闭环控制原理是：控制核心将插补计算的理论位置与实际反馈位置进行比较，用其差值去控制进给电机，使实际值与理论值趋于重合，从而消除加工误差。在经济型数控系统中，闭环控制主要应用于工作台的直线移动位置控制，其闭环控制模型见示意图图1[1，2]。

    在数控系统中，闭环控制与插补是紧密相关的，闭环控制以插补的数据为控制基础。在实际应用中，常用的闭环控制实现方法主要有：

    1）间接控制方法

    间接控制方法将位置检测的误差值加人到插补过程中，通过修改插补数据的方法将加工误差在下一次插补输出的结果中得以修正，达到闭环控制的目的。这是一种软件闭环控制方法，控制简单，易于实现，经济型数控系统由于本身的限制常用此法。不难看出，间接控制方法具有控制滞后、响应精度低的缺点，采用这种方法很难提高闭环控制精度。

    2）直接控制方法

    直接控制方法将位置检测的误差值反馈到驱动系统上，通过专门的硬件电路将其与插补数据综合，形成对伺服电机的二次控制，达到减小误差的目的。这是一种硬件控制方法，其控制实时性好、响应精度高，但硬件系统复杂，成本高，常用于高精度的数控系统中。在经济型数控系统中，提高闭环精度的有效方法是采用直接控制方法。在实践中，我们提出了基于插补缓冲区的闭环控制方法。

    2基于插补缓冲区的闭环控制方法

    数控系统的加工过程一般要经过插补、输出脉冲、反馈等几个过程，传统的方法是插补一次，发出个脉冲，检测一次误差。在这种方法下，控制过程是一种顺序过程，其中各个环节相互制约，因此很难实现误差的快速响应。基于插补缓冲区的闭环控制方法利用现代先进的多任务并行处理技术，采用前后台控制模型来提高闭环响应速度。其基本原理是：建立一个高速插补缓冲插补区，插补过程插补出的控制数据存放在此缓冲区中。位控系统根据加工速度从此缓冲区中取出加工数据，并与反馈系统检测的误差数据合并处理。然后直接控制伺服电机。在这种方法下。位控过程与插补过程相对独立，它们仅通过插补缓冲区进行数据传递，插补送人数据，它是在前台实现的；位控提取数据，它是在后台实现的。这种前后台控制模型是一个多任务并行处理过程．它使插补和位控可以不顺序实现，位控系统可以同时处理多个插补数据。而不必等待插补过程的执行．因此它可以随时将误差数据与插补数据合并处理，实时地跟踪误差，从而可以提高闭环控制精度。

    插补缓冲区定义为一个先进先出的数据队列，长度可根据系统处理速度确定，以一个三轴数控系统为例，每一个数据节点为一个16位无符号整形数，格式定义如图2。

    每个电机的控制数据由4位组成，第1、2位确定电机转向：o0为不动；01为正转；10为反转。第3位指定该次进给是误差补偿数据还是正常插补数据。例如：缓冲区某个数据为0xxxx010x001x000，表示X轴不动，Y轴正向进给，Z轴反向进给。位控系统根据这些数据送出正确的电机控制字。

    基于插补缓冲区的闭环控制方法是由位控系统根据误差补偿数据自动与插补数据合并而实现的。例如同样的插补数据，位控任务在发送给伺服电机之前会根据误差数据重新设置．假设此时向正向有误差（未移动够），位控系统根据向的控制数据进行合并处理，在本例中向不动（x000），合并后变为xl01，即使电机正转；如果向本身为反向（x010）．则合并为xl00，即电机不转；如果向本身为正向（x001）则将误差留到与下一个数据进行合并。经过这样的处理之后，位控系统及时地将加工误差进行朴膳，提高了反馈补偿的响应速度。而传统的间接控制方法是将误差补偿数据编人插补算法中，这样补偿被人为地滞后，其响应速度自然降低。

    3实验

    实验是在Ⅻ一CXZ300数控多功能机床上进行的。实验中所用的闭环检测元件是普通金属光栅尺．其检测分辨率为0.001mm，Z向电机的脉冲当量为0.01mm。光栅尺安装在Z轴上，系统通过与光栅尺配套的检测控制卡读取数据。系统软件采用多任务并行处理技术中的前后台控制方法实现，位控模块采用定时器中断驱动运行，插补模块采用循环控制方式运行，误差检测模块由闭环控制卡的硬件中断驱动运行。数控系统使用PID00通用微机做控制核心，插补缓冲区长度为200。

    实验分别测试了高速（1500mm／min、2500mm／min）、中速（300mm／min、720mm／min）、低速（18mm／min、60mm／min）下的误差补偿情况，实验结果见表1。

    数据表明，补偿后误差在0.01～0.03mm之间比没有反馈补偿的误差0.02～0.05mm减小了1～2倍（此数据于1999年8月通过鉴定时所测），且高速时效果明显，低速时效果较差，这主要是由于机床本身的精度较低所致。

    4结论

    实验结果证明，在不使用特殊硬件系统的条件下，采用本文提出的闭环控制方法可以有效地提高数控系统的加工精度，是经济型数控系统实现闭环控制的有效方法。