基于DSP的機床數控系統設計

使機床工作臺達到亞微米級的線性運動精度,現代控制技術的引入對處理器有了更高
的要求.用高性能的數字信號處理器(DSP)代替單片機,即可提高機床數控系統的運行速
度,使之滿足高速和高精度控制的要求.
1引言
數控技術作為先進制造技術(如柔性制造技術,計算機集成制造系統)的基礎,國家投
入了大量的人力,財力進行攻關開發,其關鍵技術已取得了重大進展,實現了多坐標聯動,
攻克了交流全數字伺服和主軸驅動技術,"九五"期間實現了數控機床產業化攻關目標,國
產數控機床的國內市場占有率達到50%,國產數控系統占國有數控機床配套需求的50%,
產值數控化率已達到20%以上.
從最近幾次機床展覽會上可以看出,針對快速發展中的中國市場,國外眾多著名數控系
統供應商如法那克,西門子,日本安川,三菱等公司相繼推出中低檔數控系統.目前,占據
國內數控系統市場主要份額的仍然是經濟型數控機床系統.這類系統大多采用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,單周期指令執行時
間為250ns～1s,限制了經濟型數控機床性能的提高,特別是多軸高速聯動,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,現代控制技術的引入對處理器有了更高
的要求.精細化的控制單位,以微小程序段連續進給以及大數據量,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
出控制指令.用高性能的數字信號處理器(DSP)代替單片機,即可提高機床數控系統的運
行速度,使之滿足高速和高精度控制的要求.
2數控系統硬件設計
(1)DSP數字信號處理器
DSP數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
數字信號處理器TMS320F240內部的模數轉換模塊包括兩個獨立的采樣,保持電路和兩個
10位雙積分型的轉換器,16路模擬輸入通道,可同時轉換2路信號.DSP還增加了串,并
口的數量和速度,其處理一條指令的時間提高到幾十納秒,數據吞吐能力達到80MIPS以上,
非常適用于大數據量的高速數據采集系統和實時控制系統,并能對A/D轉換的結果進行FFT
分析,小波分析等.因此DSP正被廣泛地應用于通信,遙感,語言和圖象處理,電子測量,
自動控制和模式識別等領域.
DSP典型的應用特點:
1)當前的DSP都采用了與通用微處理機不同的結構(即哈佛結構),實現了流水作業,
使取指,譯碼和執行等操作可以重疊執行,指令可以在單個機器周期內完成,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,在一個指令周期內可完成一次乘
法和一次加法,有利于提高復雜算法的運行效率.
3)新型的DSP大都設置了單獨的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據傳輸.這為DSP之間的串聯和并聯提供了方便,使得數控
系統易于實現主從式處理器結構,即主機完成前臺控制(人機界面管理,信息顯示和預處理
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據運算和操作工作.
4)為了方便用戶的設計與調試,許多DSP在片上設置了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,非常適合數控開
發的需要.
因此,DSP在高性能數控系統中具有十分重要的應用價值,在精密伺服控制系統,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用前景.
(2)主控制系統設計
數控系統控制車床的主運動,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,數控刀架轉位,開關關閉,查詢X和Z向步進電機的相
位,主軸正反轉等,其總體結構如圖1所示.
圖1硬件結構原理框圖
TMS320f240通過一定的插補算法將當前的反饋位置信號與插補計算的理論位置相比
較,通過環行分配,確定X,Z軸的進給脈沖;進給脈沖通過光電隔離,信號放大驅動X,
Z軸步進電機完成相應的加工運動;軟件同時完成升降速控制,刀架轉位控制以及螺紋加工
程序.精密數控系統的插補周期極短,插補間隔小,其控制和插補運算相當頻繁,從而要求
數控系統在極短的時間內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處理器強大的數據運算能力和極
高的運算速度,對精密數控系統來說是一種極佳的選擇,可以實現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控制器由于內嵌PWM電路,A/D轉換電路以及其它
相關電路,可以實現交流異步電動機的全數字化控制系統.TMS320f240處理器內嵌了空間
矢量狀態機,因此很容易的以空間矢量方法來通斷逆變橋的六個開關器件,使得逆變橋輸出
電壓滿足要求.由它構成的主軸變頻調速系統比其它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
在系統上電或復位后,TMS320f240內部的程序裝載器(Bootloader)將DSP程序從外
部的慢速E2PROM中轉移到外部快速的SRAM中啟動運行.而本系統需要的程序存儲器空
間超出32K×8位的限制,因此應特別設計專門的控制邏輯,實現系統程序的二次加載.在
E2PROM中放置二次加載引導程序和DSP運行程序,上電后,二次加載引導程序首先被內
部的Bootloader裝載ARAM中運行,其任務是將DSP運行程序從EPROM中搬運到SPAM
中,然后將系統控制權轉交給DSP運行程序.這種方法突破了TE340f240系統自加載程序
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
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的局部數據空間和32K×16的全局數據空間,不允許DSP對DPRAM操作.程序運行
時,SRAM對應64K×16的程序存儲器空間和局部數據存儲器空間,DARAM對應在全局
數據存儲器空間,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為數據存儲器選擇引腳,br為總線請求引腳,ps為程序存儲器選擇引腳;k為
模式轉換控制位,上電或復位后,k=0;程序運行后,DSP通過端口操作可使k=1,來改變
系統各存儲器在DSP存儲器空間的映射范圍,實現存儲器空間范圍在SRAM,DARAM和
EPROM的重新分配.
3數控系統軟件設計
(1)軟件結構
該經濟型數控系統實現了全軟件控制,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,連續輪廓控制功能(直線插補,圓弧插補和
三軸聯動功能),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
環功能等,系統軟件結構如圖2所示.
圖2數控系統軟件結構
1)在操作方式上設有編程,參數設定,自動運行,空運行,手動運行,回零(回機械
原點,回程序原點),MDI(自動數據輸入),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,刪除和復制;自動模式包括連續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;空運行模式指零件模擬加工,有連續運行和單段運行兩種方式;
手動模式指工作臺位置的調整,就是按下方向鍵移動工作臺,進給速率可以調修;回零模式
指工作臺手動返回零點操作,點擊方向鍵,相應坐標軸回零;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,真正實現人機對話的操作,簡便易學;示教功能則適應了當前機電一體化
教學實驗的需要.
2)完善的補償功能.如:刀具半徑補償,刀具長度補償,間隙補償等,特別是可以實
現尖角,內角的自動過渡功能,有效的解決了模具加工中垂直型腔的加工問題.
3)多種循環控制功能的設置,有效地提高了產品加工時效及產品加工的一致性.如:
直線等分循環,圓槽循環,矩槽循環,圓弧等分循環,輪廓循環,深孔鉆孔循環等等.
事實上,TMS320f240數字信號處理器在精密數控加工的伺服控制,刀具監控補償及快
速伺服,先進控制算法的采用,機床保護系統等方面有著廣泛而有效的應用.
(2)采用改進的控制算法
數字信號處理器的應用,使許多先進控制策略和方法如自適應控制,學習控制,摩擦控
制等等得以應用于高精度伺服控制系統,大大提高了控制精度和快速性.本系統采用改進的
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
反饋采樣和比較環節計算得到本次插補周期內各軸位移實際進給量SX,SZ,換算成相應的
脈沖數d'Z,取整后得dX,dZ;采用DDA脈沖分配法,利用脈沖分配數組dX(i),dZ
(j)來分配X,Z軸的脈沖數.在精插補中,將粗插補中分配完成的脈沖數組dXi(i),dZ
(i)送入脈沖發送的中斷服務子程序中,中斷服務子程序由TM320f240內部的可編程定時
計數器產生的中斷調用;響應中斷后,轉入脈沖發送中斷服務子程序,判斷脈沖數組相應的
內容,若數組內容為1,就向硬件端口發送脈沖,若為0,則不發,從而完成了本次插補周
期內對各軸步進電機進給脈沖的調協分配.
在實際運行中,該系統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
過程構成更為有效的控制,使曲線的插補更加精確.結果表明:該方法大大提高了系統對曲
線跟蹤的準確性和快速性.
4結語
基于DSP的數控機床的高速性能得到大大提高,改造后機床達到的技術參數為:脈沖
當量,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兩軸聯動;坐標顯示分辨率,X向0.005,Z向0.01mm.
DSP數字信號處理器的應用為精密數控的伺服控制系統提供了良好跟蹤伺服控制,用DSF
處理器進行數控系統的改造后可以用于機床的閉環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,始終跟上數控技術的發展步伐.