基于DSP和CPLD 可重構數控系統的設計與仿真

1、前言

　　隨著計算機技術的高速發展，各工業發達國家投入巨資，對現代制造技術進行研究開發，提出了全新的制造模式，其核心思想之一是柔性化制造，制造系統能夠隨著加工條件的變化動態調整。目前，各類MCU 快速發展，它們不僅運算速度快、價格便宜、種類繁多，而目不同M CU 針對不同的應用在其片上集成了專用控制電路，滿足了不同的應用需求還提高了電路的安全性和穩定性。綜合上述的分析與論證，本文設計了一種基于DSP＋CPLD 現場可編程門陣列器件的可重構數控系統。

2、硬件設計

　　本運動控制卡是以PC 機作為主機的運動控制卡，選用DSP 作為核心微處理器，卡上集成編碼器信號采集和處理電路，D/A輸出電路，擴展存儲器電路和PC-DSP通訊電路。PC機把粗處理的數據通過DSP-PC 通訊接口傳遞給運動控制系統，DSP通過對光電編碼器反饋信號處理電路的結果分析，計算出與給定位置的誤差值，再通過軟件位置調節器獲得位置控制量，計算出運動速度控制量，產生的輸出信號經D/A 轉換將模擬電壓量送給伺服放大器，通過對伺服電機的控制實現對位置的閉環控制。系統的結構框圖如圖 1 所示。

　　選用美國TI公司的16位定點DSPTMS320LF2407A作為本運動控制器的核心處理器，地址譯碼、時序邏輯、編碼器信號處理電路用CPLD來完成，用PCI 接口芯片實現雙口RAM與PC 機的通訊，雙口RAM用來存儲和緩沖DSP與PC 機間的通訊數據，SRAM用來存儲運動控制器運行時的程序和數據。

　　(1).DSP外部中斷接口處理

　　對于數控機床來說，由于受工作行程等各方面的限制，在其超過控制范圍時，引入包括限位中斷和編碼器INDEX 信號中斷。每個控制軸有正反方向的兩個限位開關，產生兩個限位信號，4 個軸共8 個限位信號:LIMA+, LIMA -、LIMB +, LIMB -、LIMC +, LIMC-，LIMD+, LIMD -其中“+”表示正限位，“-”表示負限位。這幾個信號通過CPLD 的相與之后接到DSP 的中斷管腳XINT1，同時這些信號通過光藕電路接入DSP的I/O 口。當運動到限位開關處時，就會觸發DSP的外部中斷信號XINT1，然后DSP就可以根據I/O 判定是哪個限位開關超過工作范圍。8 個限位開關分別接到DSP 的I/O 口,通過設置MCRA(地址:7090H),MCRB(地址:7092H)為零，使這些復用管腳處于I/O 功能。限位輸入信號的狀態可以從寄存器PADATDIR(地址:7098H )和PBDATDIR(地址:709AH)對應的數據位讀取,對應的數據方向位設為零，以使這些I/O 管腳工作在“輸入”狀態下。編碼器的INDEX信號處理同上面相類似。每個軸能產生一個INDEX 信號，4 個軸有4個INDEX 信號。這4 個信號通過邏輯與門產生一個中斷信號，接到XINT2,同時接到DSP 的I/O 口，供中斷產生時DSP讀入。

　　(2).四軸編碼器信號處理電路設計

　　四軸編碼器信號處理電路是對光電編碼器輸出的兩組相差90o 的方波信號的處理，從而獲得執行元件實際位置，其輸出是一路16 位的數字量，反饋給中央處理器，編碼器信號處理電路包括濾波，倍頻，計數幾個功能模塊，傳統的四軸編碼器信號處理電路采用分立元件來設計，它可靠性、抗干擾能力差，應用CPLD 設計了單片并行四軸編碼器信號處理電路。

　　它具有實時性好，硬件體積小，工作效率高，提高系統的集成度，相對于分立元件，單片并行四軸編碼信號處理電路集成在一個片子上，一方面單片芯片內的門電路、觸發器的參數特性是完全一致的，在相同轉速下脈沖信號的脈沖周期可以保持一致。另一方面，電路做在單個芯片內，抗干擾性能比分離器件構成的電路也有很大的提高，增強了系統的靈活性、通用性和可靠性。本文設計是一個四軸伺服系統，因此有八路四組方波信號，A 相B相相差90o，CLR，CLK，WE 分別為輸出清零，系統時鐘和輸出使能，SEL*是輸出選擇信號，選擇X，Y，Z，A中的一組信號處理的結果作為輸出信號，分時送到數據總線。

　　濾波模塊的設計

　　編碼盤理論上是穩定的方波信號，但在實際操作中，經常會存在脈動干擾，濾波模塊的功能是將這些脈動干擾濾掉，降低系統產生誤動作的可能性，提高系統的可靠性，下面的VHDL 程序通過對A，B 兩相方波信號同時延時四個CLK 脈沖，，脈沖寬度小于三個CLK脈沖周期的輸入信號被濾掉。仿真結果如圖：

　　倍頻計數模塊的設計

　　四倍頻電路的設計是為了增加計數脈沖在一個周期中的個數，來提高測量的分辨率，工程中常把光電編碼器輸出的兩路方波信號的上升沿和下降沿，來獲得四倍頻的脈沖信號，把光電編碼器的分辨率提高四倍，通過光電編碼器輸出兩路方波信號相差的正負來確定運動的方向，對光電編碼器輸出信號A、B；可以寫成：

　　如圖：

　在一個周期內產生的四倍頻計數脈沖輸出S，方向判別信號J，通過一個16 位可逆計數就可以實現對伺服裝置的位置檢測，實現位置伺服控制系統的控制。

　　3、控制算法的設計

　　（1）.控制模型

　　數控機床的最高運動速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標均取決于驅動及位置控制系統的動態與靜態性能。因此，研究與開發高性能的驅動系統及位置控制系統，一直是研究數控機床的關鍵技術之。日前數控機床位置伺服控制仍然普遍應用經典控制方法，如比例型或比例一積分型等算法，其優點是算法簡便，易于實現，但存在著控制參數的適應性差、抗十擾能力不強等缺陷。為了適應制造業對高效率地生產高質量產品日標的追求以及對形狀愈來愈復雜零件的加工需要，要求不斷地改善與提高位置伺服系統的穩態精度、動態響應特性，對系統參數變化的自適應性和抗干擾性，因而采用并發展先進的控制技術是必然趨勢。可惜的是，目前提出的諸多控制算法中，具有實用價值的技術極少，主要表現在:①受算法計算量等限制，難以滿足控制的實時性要求;②控制理論在參數設計及穩定性分析等方面不完善;③建模誤差對控制品質的限制。

　　本文利用神經網絡的自學習功能，設計了一種在線單神經元PID 與CMAC 并行控制智能型位置控制器，并將之用到數控系統的實時控制中，取得了很好的控制效果，控制模型結構如圖：

　　（2）仿真和實現

　　采用的單神經元PID及CMAC 相結合的復合控制算法，完成對位置伺服控制器典型輸入斜坡輸入響應的仿真實驗。圖5 是位置伺服系統的單位斜坡輸入在輸入端加入10%的階躍擾動后，兩種控制算法的輸出曲線圖，通過對圖形的分析，可以看出，單神經元PID 與CMAC相結合控制算法比常規PID 控制算法有更小的跟隨誤差，和更好的抗干擾能力。這個在位置伺服控制系統中更為重要。

　　4、結束語

　　利用計算控制功能強大的DSP 芯片構建了數控系統平臺，應用CPLD 解決了系統不同應用場合邏輯電路變化的問題，從硬件上實現了可重構性。控制算法較常規PID 控制有更好的動態特性、控制精度、抗干擾能力，而且具有自適應功能。該系統是一種開放的系統，可以使用戶很方便的不斷進行軟、硬件升級，一定時間內跟上數控技術發展的步伐。