基于DSP的機床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計

使機床工作臺達到亞微米級的線性運動精度,現(xiàn)代控制技術(shù)的引入對處理器有了更高
的要求.用高性能的數(shù)字信號處理器(DSP)代替單片機,即可提高機床數(shù)控系統(tǒng)的運行速
度,使之滿足高速和高精度控制的要求.
1引言
數(shù)控技術(shù)作為先進制造技術(shù)(如柔性制造技術(shù),計算機集成制造系統(tǒng))的基礎(chǔ),國家投
入了大量的人力,財力進行攻關(guān)開發(fā),其關(guān)鍵技術(shù)已取得了重大進展,實現(xiàn)了多坐標聯(lián)動,
攻克了交流全數(shù)字伺服和主軸驅(qū)動技術(shù),"九五"期間實現(xiàn)了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)目標,國
產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達到50%,國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)占國有數(shù)控機床配套需求的50%,
產(chǎn)值數(shù)控化率已達到20%以上.
從最近幾次機床展覽會上可以看出,針對快速發(fā)展中的中國市場,國外眾多著名數(shù)控系
統(tǒng)供應(yīng)商如法那克,西門子,日本安川,三菱等公司相繼推出中低檔數(shù)控系統(tǒng).目前,占據(jù)
國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)市場主要份額的仍然是經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng).這類系統(tǒng)大多采用MCS-51系列
單片機或與MCS-51系列兼容的單片機,最高時鐘頻率為12～40MHz,單周期指令執(zhí)行時
間為250ns～1s,限制了經(jīng)濟型數(shù)控機床性能的提高,特別是多軸高速聯(lián)動,螺紋高速切削
和高分辨率控制等功能受到限制.
為使機床工作臺達到亞微米級的線性運動精度,現(xiàn)代控制技術(shù)的引入對處理器有了更高
的要求.精細化的控制單位,以微小程序段連續(xù)進給以及大數(shù)據(jù)量,高精度的補差運算和控
制,也要求處理器能對加工指令做出高速度的反映,高速計算出伺服電機的移動量,隨后發(fā)
出控制指令.用高性能的數(shù)字信號處理器(DSP)代替單片機,即可提高機床數(shù)控系統(tǒng)的運
行速度,使之滿足高速和高精度控制的要求.
2數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計
(1)DSP數(shù)字信號處理器
DSP數(shù)字信號處理器時鐘頻率高,處理速度快,是單片機的理想替代品.TI公司DSP
數(shù)字信號處理器TMS320F240內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括兩個獨立的采樣,保持電路和兩個
10位雙積分型的轉(zhuǎn)換器,16路模擬輸入通道,可同時轉(zhuǎn)換2路信號.DSP還增加了串,并
口的數(shù)量和速度,其處理一條指令的時間提高到幾十納秒,數(shù)據(jù)吞吐能力達到80MIPS以上,
非常適用于大數(shù)據(jù)量的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實時控制系統(tǒng),并能對A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行FFT
分析,小波分析等.因此DSP正被廣泛地應(yīng)用于通信,遙感,語言和圖象處理,電子測量,
自動控制和模式識別等領(lǐng)域.
DSP典型的應(yīng)用特點:
1)當(dāng)前的DSP都采用了與通用微處理機不同的結(jié)構(gòu)(即哈佛結(jié)構(gòu)),實現(xiàn)了流水作業(yè),
使取指,譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行,指令可以在單個機器周期內(nèi)完成,極大地提高了
處理速度.
2)快速運算能力DSP芯片有一個專用的硬件乘法器,在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘
法和一次加法,有利于提高復(fù)雜算法的運行效率.
3)新型的DSP大都設(shè)置了單獨的DMA總線及其控制器,在不影響或基本不影響DSP
處理速度的情況下作并行的數(shù)據(jù)傳輸.這為DSP之間的串聯(lián)和并聯(lián)提供了方便,使得數(shù)控
系統(tǒng)易于實現(xiàn)主從式處理器結(jié)構(gòu),即主機完成前臺控制(人機界面管理,信息顯示和預(yù)處理
器等),從機完成后臺控制及插補運算,伺服控制及反饋處理等頻繁的數(shù)據(jù)運算和操作工作.
4)為了方便用戶的設(shè)計與調(diào)試,許多DSP在片上設(shè)置了JTAG仿真接口和高級語言編
譯器,可以對程序運行,中斷,定時等進行仿真,從而具有極大的方便性,非常適合數(shù)控開
發(fā)的需要.
因此,DSP在高性能數(shù)控系統(tǒng)中具有十分重要的應(yīng)用價值,在精密伺服控制系統(tǒng),刀具檢
測補償和快速伺服裝置,機床保護等方面有著廣泛的應(yīng)用前景.
(2)主控制系統(tǒng)設(shè)計
數(shù)控系統(tǒng)控制車床的主運動,進給運動和輔助運動,具體來說就是控制鍵盤的輸入和
輸出,刀架在X,Z方向的行程,數(shù)控刀架轉(zhuǎn)位,開關(guān)關(guān)閉,查詢X和Z向步進電機的相
位,主軸正反轉(zhuǎn)等,其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.
圖1硬件結(jié)構(gòu)原理框圖
TMS320f240通過一定的插補算法將當(dāng)前的反饋位置信號與插補計算的理論位置相比
較,通過環(huán)行分配,確定X,Z軸的進給脈沖;進給脈沖通過光電隔離,信號放大驅(qū)動X,
Z軸步進電機完成相應(yīng)的加工運動;軟件同時完成升降速控制,刀架轉(zhuǎn)位控制以及螺紋加工
程序.精密數(shù)控系統(tǒng)的插補周期極短,插補間隔小,其控制和插補運算相當(dāng)頻繁,從而要求
數(shù)控系統(tǒng)在極短的時間內(nèi)對各軸反饋的位置信號進行處理(目前插補周期已達到毫秒級),
從而使TMS320f240處理器的采用成為必然.TMS320f240處理器強大的數(shù)據(jù)運算能力和極
高的運算速度,對精密數(shù)控系統(tǒng)來說是一種極佳的選擇,可以實現(xiàn)精密機床的高精度位置伺
服控制和輪廓加工控制,同時提供機床及刀具的熱效應(yīng)和幾何誤差補償與控制.
通用的變頻器采用交—直—交的形式,先把工頻交流通過整流器轉(zhuǎn)變成直流,然后再變
換成頻率,電壓均可控制的交流.DSP控制器由于內(nèi)嵌PWM電路,A/D轉(zhuǎn)換電路以及其它
相關(guān)電路,可以實現(xiàn)交流異步電動機的全數(shù)字化控制系統(tǒng).TMS320f240處理器內(nèi)嵌了空間
矢量狀態(tài)機,因此很容易的以空間矢量方法來通斷逆變橋的六個開關(guān)器件,使得逆變橋輸出
電壓滿足要求.由它構(gòu)成的主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)比其它PWM方法能提高電壓的利用率,減少
諧波的影響.
(3)大容量DSP程序自加載
在系統(tǒng)上電或復(fù)位后,TMS320f240內(nèi)部的程序裝載器(Bootloader)將DSP程序從外
部的慢速E2PROM中轉(zhuǎn)移到外部快速的SRAM中啟動運行.而本系統(tǒng)需要的程序存儲器空
間超出32K×8位的限制,因此應(yīng)特別設(shè)計專門的控制邏輯,實現(xiàn)系統(tǒng)程序的二次加載.在
E2PROM中放置二次加載引導(dǎo)程序和DSP運行程序,上電后,二次加載引導(dǎo)程序首先被內(nèi)
部的Bootloader裝載ARAM中運行,其任務(wù)是將DSP運行程序從EPROM中搬運到SPAM
中,然后將系統(tǒng)控制權(quán)轉(zhuǎn)交給DSP運行程序.這種方法突破了TE340f240系統(tǒng)自加載程序
容量的限制,可以將較大的DSP程序裝載運行.
DSP配備有64K×16的SRAM,64K×8的E2PROM和8K×8的DRAM,在上電或復(fù)
位后的程序裝載階段,SRAM映射在DSP64K×16的程序存儲器空間,E2PROM映射在64K
×16的局部數(shù)據(jù)空間和32K×16的全局數(shù)據(jù)空間,不允許DSP對DPRAM操作.程序運行
時,SRAM對應(yīng)64K×16的程序存儲器空間和局部數(shù)據(jù)存儲器空間,DARAM對應(yīng)在全局
數(shù)據(jù)存儲器空間,不允許DSP對E2PROM操作.因此SRAM,DARAM和E2PROM的片
選信號譯碼如下:
CESRAM=ps×br×k×ds
CEE2PROM=k+br+ds
CEDARAM=k×br×ds
式中ds為數(shù)據(jù)存儲器選擇引腳,br為總線請求引腳,ps為程序存儲器選擇引腳;k為
模式轉(zhuǎn)換控制位,上電或復(fù)位后,k=0;程序運行后,DSP通過端口操作可使k=1,來改變
系統(tǒng)各存儲器在DSP存儲器空間的映射范圍,實現(xiàn)存儲器空間范圍在SRAM,DARAM和
EPROM的重新分配.
3數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計
(1)軟件結(jié)構(gòu)
該經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了全軟件控制,完成了諸如信息處理,加減速控制,適量變換控
制,伺服控制等基本功能,具有點位控制功能,連續(xù)輪廓控制功能(直線插補,圓弧插補和
三軸聯(lián)動功能),刀具半徑和長度補償功能,刀具選擇和交換功能,鏡象加工功能,固定循
環(huán)功能等,系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示.
圖2數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
1)在操作方式上設(shè)有編程,參數(shù)設(shè)定,自動運行,空運行,手動運行,回零(回機械
原點,回程序原點),MDI(自動數(shù)據(jù)輸入),通訊,示教等多種模式.編程模式指零件加工
程序的輸入,檢索,插入,刪除和復(fù)制;自動模式包括連續(xù)加工零件和單段加工零件兩種方
式,加工速率可以實時修調(diào);空運行模式指零件模擬加工,有連續(xù)運行和單段運行兩種方式;
手動模式指工作臺位置的調(diào)整,就是按下方向鍵移動工作臺,進給速率可以調(diào)修;回零模式
指工作臺手動返回零點操作,點擊方向鍵,相應(yīng)坐標軸回零;對刀模式包括手動對刀和自動
對刀(手動對刀就是采用多次試切確定參考點,自動對刀就是采用專用對刀器快速確定參考
點),中文提示,真正實現(xiàn)人機對話的操作,簡便易學(xué);示教功能則適應(yīng)了當(dāng)前機電一體化
教學(xué)實驗的需要.
2)完善的補償功能.如:刀具半徑補償,刀具長度補償,間隙補償?shù)?特別是可以實
現(xiàn)尖角,內(nèi)角的自動過渡功能,有效的解決了模具加工中垂直型腔的加工問題.
3)多種循環(huán)控制功能的設(shè)置,有效地提高了產(chǎn)品加工時效及產(chǎn)品加工的一致性.如:
直線等分循環(huán),圓槽循環(huán),矩槽循環(huán),圓弧等分循環(huán),輪廓循環(huán),深孔鉆孔循環(huán)等等.
事實上,TMS320f240數(shù)字信號處理器在精密數(shù)控加工的伺服控制,刀具監(jiān)控補償及快
速伺服,先進控制算法的采用,機床保護系統(tǒng)等方面有著廣泛而有效的應(yīng)用.
(2)采用改進的控制算法
數(shù)字信號處理器的應(yīng)用,使許多先進控制策略和方法如自適應(yīng)控制,學(xué)習(xí)控制,摩擦控
制等等得以應(yīng)用于高精度伺服控制系統(tǒng),大大提高了控制精度和快速性.本系統(tǒng)采用改進的
時間分割法進行插補運算.以直線插補為例:在粗插補中,通過該算法占用的指令數(shù)計算出
的插補運算時間以及反饋采樣周期,精度,速度確定插補周期T;綜合插補周期T,進給速
度F以及插補直線段的終點坐標X,Z計算出本插補周期各個坐標的位移DX及DZ;通過
反饋采樣和比較環(huán)節(jié)計算得到本次插補周期內(nèi)各軸位移實際進給量SX,SZ,換算成相應(yīng)的
脈沖數(shù)d'Z,取整后得dX,dZ;采用DDA脈沖分配法,利用脈沖分配數(shù)組dX(i),dZ
(j)來分配X,Z軸的脈沖數(shù).在精插補中,將粗插補中分配完成的脈沖數(shù)組dXi(i),dZ
(i)送入脈沖發(fā)送的中斷服務(wù)子程序中,中斷服務(wù)子程序由TM320f240內(nèi)部的可編程定時
計數(shù)器產(chǎn)生的中斷調(diào)用;響應(yīng)中斷后,轉(zhuǎn)入脈沖發(fā)送中斷服務(wù)子程序,判斷脈沖數(shù)組相應(yīng)的
內(nèi)容,若數(shù)組內(nèi)容為1,就向硬件端口發(fā)送脈沖,若為0,則不發(fā),從而完成了本次插補周
期內(nèi)對各軸步進電機進給脈沖的調(diào)協(xié)分配.
在實際運行中,該系統(tǒng)將每個插補周期分為10個控制周期進行伺服控制,從而對插補
過程構(gòu)成更為有效的控制,使曲線的插補更加精確.結(jié)果表明:該方法大大提高了系統(tǒng)對曲
線跟蹤的準確性和快速性.
4結(jié)語
基于DSP的數(shù)控機床的高速性能得到大大提高,改造后機床達到的技術(shù)參數(shù)為:脈沖
當(dāng)量,X向0.005mm/脈沖,Z向0.01mm/脈沖;最大進給速度,X向50mm/s,Z向100mm/s;
自動進給速度,1~100mm/s;X,Z兩軸聯(lián)動;坐標顯示分辨率,X向0.005,Z向0.01mm.
DSP數(shù)字信號處理器的應(yīng)用為精密數(shù)控的伺服控制系統(tǒng)提供了良好跟蹤伺服控制,用DSF
處理器進行數(shù)控系統(tǒng)的改造后可以用于機床的閉環(huán)控制和其他高速運動裝置的控制,同時用
戶可以用很少的費用不斷進行軟,硬件升級,始終跟上數(shù)控技術(shù)的發(fā)展步伐.