（机械电子工程专业论文）基于pcdsp主从式数控铣床系统的研究与实现.pdf

沈阳下业大学硕士学位论文 摘要 开放式数控系统是上世纪九十年代出现的一种先进的计算机数控体系结构，具有扩 展性好、开发和维护方便、运行稳定性高、能灵活适应不同需要等特点，是未来数控技 术的主要发展趋势。随着现代计算机技术、微电子技术和现代控制技术的不断发展，开 放式数控系统如何有效地利用这些先进的技术，多快好省地进行控制系统的开发就显得 十分的必要。，野放式体系结构的c n c 系统具有灵活的软硬件结构，可以方便地进行软 硬件的更新换代，也是适应f m s 、c i m s 环境的机床控制器的最理想的结构。 本文在对c n c 系统进行面向对象分析的基础上，建立了以p c 机作为上位机，d s p 运动控制器作为下位机的主从式数控铣床系统。在硬件设计上，应用市售m c t 8 0 0 0 f 4 运动控制卡和日本信浓交流伺服系统，充分利用p c 机的固有硬件资源，建立了p c d s p 主从式数控铣床伺服系统的硬件环境。并分析了交流伺服系统的数学模型及p 控 制。在软件设计上，利用w i n d o w s 平台，以c + + b t l i l d e r 为开发工具，采用模块化结 构设计，以实现软件的d p ( 。也体现了数控系统开放性的基本思想。在对c n c 系统整 体结构设计的基础上，本文完成了上下位机通信用数据结构的开发，利用m c t 8 0 0 0 f 4 运动控制器自带的d l l 动态链接库编写了铣床数控指令的解释模块。并且运用 w q d o w s 编程技术完成了人机交互晃面的开发。 本文运用位置控制的方法实现数控系统，在理论和实践的基础上，建立了开放式数 控铣床系统。是将p c 的灵活性与d s p 运算的高速性进行系统集成，是未来开放式数控 系统的发展方向。 关键词：开放式数控系统，运动控制卡，铣垮加工，d s p ，p d 沈阳工业大学硕士学位论文 s t u d y a n dr e a l i z a t i o no f p c d s pm a s t e r s i a v em o d e n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e dm i l ls y s t e m a b s t r a c t t h e o 3 e r ln u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma p p e a r e d i n19 9 0 si sak i n do f a d v a n c e ds t r u c t u r ew i t h e x c e l l e n t e x t e n s i o n ，c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e ，g o o ds t a b i l i t y i n o p e r a t i n g a n d f l e x i b l y a d a p t a b i l i t yt od i f f e r e n tr e q u i r e m e n t i t i st h ef u t u r et r e n d so ft h en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h e t e c h n o l o g i e so f t h ec o m p u t e r , t h e e l e c t r o n i c sa n dt h em o d e r n c o n t r o l ，i tb e c o m e sm o r ea n dm o r en e c e s s a r yt od e v e l o pt h em o d e mc n cs y s t e mc h e a p l ya n d q u i c k l y 、v i t l lt h e s ea d v a n c e dt e c h n o l o g y h a v i n g f l e x i b l es o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h ec n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) s y s t e mo fo p e na r c h i t e c t u r e i sc o n v e n i e n tt or e n e w e da n d t h e r e f o r es u i t a b l ef o rf m sa n dc i m sc i r c u m s t a n c e b a s e do nt h eo b j e c t - o r i e n ta n a l y s i so fc n c s y s t e m ，t h ep a p e rp r o p o s e sad e s i g ni d e ao f m a s t e r - s l a v ec n c s y s t e m w h i c h b u i l d sw i t l lp ca su p p e r c h i pa n d m o t i o nc o n t r o l l e rw i t hd s p a sl o w e r c h i p o nt h ed e s i g no f h a r d w a r e ，w h i c h u s em c t 8 0 0 0 f 4m o t i o nc o n t r o l l e rp u r c h a s e d b y m a r k e ta n dj a p a n e s es i n a n oa cs e r v os y s t e m t h ee n v i r o n m e n to f p c - d s pm a s t e r - s l a v e c n c s y s t e mi ss e tu d w i t ht h eb e s tu s eo f t h eh a r d w a r er e s o u r c eo f ap c c o m p u t e r i t s e l f m a t h s m o d e lo fa cs e r v os y s t e ma n dp i dc o n t r o la r es t u d i e d o nt h ed e s i g no fs o t t w a r e ，i nt h e w i n d o w se n v i r o l m a e n t ，t h i sp a p e rr e a l i z e st h ed i yo fs o f t w a r ei nt h ed e s i g nm e t h o do f m o d u l a r i z a t i o ns t r u c t u r eb yt h ed e v e l o p m e n tt o o lo fc + + b u i i d e r , w h i c hm a t e r i a l i z e st h eb a s i c i d e ao f o p e ns y s t e ms t r u c t u r e b a s e do nt h es t r u c t u r ed e s i g no f c n c s y s t e m , f u s t ，t h ep a p e r d e v e l o p st h es t r u c t u r ef o rc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nu p p e r c h i pa n dl o w e rc h i pa n dp r o g r a m t h e e x p l a n a t i o nm o d u l eo f c n c sb ym c t 8 0 0 0 f 4m o t i o nc o n t r o lb o a r d sd y n a m i cl i n kl i b r a r y ， f i n i s h e st h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ew i t lt h et e c h n o l o g yo f w i n d o w sp r o g r a m m i n g i tb a s e do nt h et h e o r ya n d p r a c t i c ea p p l y i n g t h em e t h o d so f p o s i t i o nc o n t r o lb u i l d su pt h e o p e nn u m e r i c a l l yc o n t r o l l e dm i l ls y s t e m i ti n t e g r a t e st h ea g i l i t yo f p ca n dm e k g hs p e e do f c a l c u l a t i o no f t h ed s p ，w h i c hi st h ed i r e c t i o no f t h ef u t u r ed e v e l o p m e n to f o p e nc n c s k e yw o r d 8 ：o p e nn u m e r i c a l l y c o n t r o l l e ds y s t e m ，m o t i o nc o n t r o lb o a r d ，m i l l ， d s p ，p i d 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：勉豳 日期： 塑兰：耋! 坚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 硌酝宙 新躲悼吼逊剑 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 课题背景 传统的数控系统大多采用封闭，专用的体系结构具有某种专用的功能。这种类型的 数控系统虽然具有结构简单，成本低等优点，但随着数控技术的发展，正暴露出越来越 多的弊端。如在封闭式结构的系统中，如果要增加用户所需的特殊功能，一般只能由系 统制造商从头开始设计新的系统，不能方便的利用已有的技术；系统制造商重复研究设 计相同或相似的数控软件，造成大量的人力，物力的浪费。 随着计算机技术的发展，系统制造商纷纷采用p c 机和模块化的集成电路来构造具 有拓扑结构的数控系统硬件平台，使得系统的硬件的可重构性和可重用性有了很大改 观。但软件的开发仍沿用传统的面向过程数据的开发方法，使得数控软件的可读性， 可维护性和可重用性没有得到根本改观。如何建立一种通用的模块化的数控软件模型， 提高数控软件的可重构能力和可重用性，成为现代数控领域一项关键技术。 若把数控软件开发过程中的相同部分做成类似硬件组件( 如芯片) 的软件芯片，便 可加快数控机床的制造过程，提高数控机床生产对市场的反应能力。软件芯片的概念的 提出是软件重用发展过程中的里程碑。软件重用是以条理的方式，采用已有的设计，设 计片断，程序文本，文档或其他的程序表示形式来支持建造新的程序的手段。开发软件 芯片就是采用面向对象技术把特定类软件中的一些通用模块做成独立的可重用的对象 类。由于面向对象的诸如封装，分类，消息相应和继承等很有价值的特点，使得软件芯 片和系统其他各部分的耦合度得到了尽可能的降低，这为软件芯片的开发和使用提供了 可靠保证 2 】。 1 2 国内夕 勇躬燃的发展现状 随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强，对数控机床的柔性和通用性 提出了更高的要求，希望市场能提供不同加工需求，迅速高效、低成本地构筑面向用户 的控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求新一代数控系统具有方便 的网络功能，以适应未来车间面向任务和定单的生产组织和管理模式。为此，近1 0 年 沈阳工业大学硕士学位论文 来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很 快。目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。就结构形式而言，当今世界上的数控系 统大致可分为4 种类型： ( 1 ) 传统数控系统，如f a n u c0 系统、m i t s u b i s h im 5 0 系统、s e m i e n s81 0 系 统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户做人机界面，但必 须使用专门的开发工具( 如s i e m e n s 的w s 8 0 0 a ) 耗费较多的人力，而对它的功能扩 展、改变和维修，都必须求助于系统供应商。目前，这类系统还是占领了制造业的大部 分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，已 逐渐减小。 ( 2 ) “p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统，如f a n u c l 8 i 、1 6 i 系统、s i e m e n s 8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b9 3 6 0 等数控系统。这是由于一些数控系统制造商不愿 放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。然 而，尽管它也具有定的开放性，但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系 结构还是不开放的。因此，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强 大，但价格昂贵。 ( 3 ) “n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统，它由开放体系结构运动控制卡+ p c 机构成。这种运动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ，具有很强的运动控制和p l c 控 制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户 w i n d o w s 平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广 泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡 构造的p m a c - n c 数控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c “构 造的m a z a t r o l6 4 0c n c 等【3 j 。 ( 4 ) s o f t 型开放式数控系统，这是种最新开放体系结构的数控系统。它提供给 用户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机 与伺服驱动和外部i o 之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声 卡、c d - r o m 和相应的驱动程序一样。用户可以在w i n d o w sn t 平台上，利用开放 2 沈阳工业大学硕士学位论文 的c n c 内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控 系统相比，s o f t 型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型 产品有美国m d s i 公司的o p e n c n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的p a s 0 0 0 n t 等1 4 j 。 我国的数控技术经过“六五”、“七五”、“八五”到现在“九五”的近2 0 年的发展，基本 上掌握了关键技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自 己的数控产业。“八五”攻关开发的成果：华中i 号、中华i 号、航天i 号和蓝天i 号4 种基本系统建立了具有中国自主版权的数控技术平台。具有中国特色的经济型数控系统 经过这些年来的发展，有了较大的改观。产品的性能和可靠性有了较大的提高，它们逐 渐被用户认可，在市场上站住了脚。如上海开通数控有限公司的k t 系列数控系统和步 进驱动系统、北京凯恩帝数控技术有限公司的 心系列数控系统、广州数控设备厂的 g s k 系列数控系统等。这些产品的共同特点是数控功能较齐全，价格低，可靠性较 好。中国若大的经济型数控机床的市场，吸引了国外厂商。近几年，s i e m e n s 公司推出 8 0 2 s 数控系统，大连大森公司用o e m 方式引进了日本o h m 公司的o n c2 1 0 2 数控系 统。尽管这些系统的技术性能一般，但由于其产品质量可靠加上品牌和庞大的宣传销售 网络，打开了销路，赢得了市场i 引。 1 3 运动控制系统的实现方法 1 3 1 模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统 早期的运动控制系统一般采用运算放大器等分立元件以硬接线方式构成，这种系统 具有以下优点： ( 1 ) 通过对输入信号进行实时处理，可实现系统的高速控制。 ( 2 ) 由于采用硬接线方式可实现无限的采样频率，因此，控制器的精度较高且具 有较大的带宽。 然而，与数字系统相比，模拟系统的几个缺陷也是很显然的： ( 1 ) 老化和环境温度的变化对构成系统的元器件的参数影响很大。 ( 2 ) 构成模拟系统需要的元件较多，从而增加了系统的复杂性，也使最终系统的 可靠性降低。 3 沈i j 1 2 1 业大学硕士学位论文 ( 3 ) 可能的。 ( 4 ) 制算法。 由于系统设计采用硬接线，当系统设计完成以后，升级和功能修改几乎是不 受最终系统规模的限制，很难实现运算量大、精度高、性能更先进的复杂控 模拟控制系统的上述缺陷使它很难用于一些功能要求比较高的场合。然而，作为控 制系统最早的一种实现方式，它仍然在一些早期的系统中发挥作用；另外，对于一些功 能简单的电动机控制系统，仍然可以采用分立元件构成。 1 , 3 2 以控制器为核心的运动控制系统 这里的微处理器是指以m c s 一5 1 、m c s 9 6 等为代表的8 位或1 6 位单片机。利用微 处理器取代模拟电路作为电动机的控制器，所构成的系统具有如下优点： ( 1 ) 使电路更简单。模拟电路为了实现逻辑控制需要许多分立电子元件，从而使 电路变得复杂。采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可采用软件实现。 ( 2 ) 可以实现较复杂的控制算法。微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快、 精度高、具有大容量的存储器，因此有能力实现较复杂的控制算法。 ( 3 ) 灵活性和适应性强。微处理器的控制方式主要由软件来实现，如果需要改变 控制规律，一般不必要修改系统的硬件电路，只需对软件进行修改即可。 ( 4 ) 无零点漂移，控制精度高。数字控制系统中一般不会出现模拟电路中经常遇 到的零点漂移问题，控制器的字长一般可保证足够的控制精度。 ( 5 ) 可提供人机界面，实现多机联网工作。 在一些性能要求不是很高的场合，现在普遍使用单片机作为电动机的控制器。实际 上，与单片机功能相似，可作为电动机控制器的元件还是很多种，如工控机、可编程逻 辑控制器等。 工控机的功能十分强大，他有极高的速度、强大的运算能力和接口能力、方便的软 件环境，但由于工控机成本高、体积大，所以一般只用于大型系统。可编程逻辑控制器 则正好相反，它只能完成逻辑判断、定时、计数和简单的运算，由于功能太弱，它一般 也只用于较简单的电动机控制系统设计。单片机处于工控机和可编程逻辑控制器之间， 4 沈刚工业大学硕士学位论文 拥有强大的控制功能、低廉的成本，可以较好地满足任意类型电动机控制系统设计的需 要。 然而，由于微处理器一般采用冯诺依曼总线结构，处理器的速度有限，处理能力 也有限；另外，单片机系统比较复杂，软件编程的难度较大。同时，一般单片机的集成 度较低，片上不具备运动控制系统所需要的专用外设，如p w m 产生电路等。因此，基 于微处理器构成的电动机控制系统仍然需要较多的元器件，这增加了系统电路板的复杂 性，降低了系统的可靠性，也难以满足运算量较大的实时信号处理的需要，难以实现先 进控制算法，如预测控制、模糊控制等。 由于掌握微处理器的技术人员众多，在设计系统时，微处理器往往会成为优等考虑 的手段。事实上，经过4 0 多年的发展，以m c s 一5 1 为代表的早期单片机无论从制造工 艺上，还是性能、功能上都有了极大的改进。新单片机( 如c 8 0 5 1 f x x x 系列、a v r 系 列等) 的工作频率一般在2 0 m h z 以上，采用流水线技术，片内集成大量存储单元和功 能外设，有的单片机内部甚至集成了d s p 核，这些措施都使单片机的性能得到了极大 的提高，可以较好的满足高性能运动控制系统的需要。 1 3 3 在通用计算机上用软件实现的运动控制系统 在通用计算机上，利用高级语言编制相关的控制软件，配合驱动电路板、与计算机 进行信号交换的接口板，就可以构成一个运动控制系统。这种实现方法利用计算机的高 速度、强大运算能力和方便的编程环境，可实现高性能、高精度、复杂的控制算法；同 时，控制软件的修改也很方便。 然而，这种实现方式的一个缺点在于系统体积过大，难以应用于工业现场；而且， 由于通用计算机本身的限制，难以实现实时性要求高的信号处理算法。 一般说来，这种系统实现方法可用于控制软件的仿真研究或者用作上位机，与下层 的实时系统一起构成连两级或多极运动控制系统。 1 3 4 利用专用芯片实现的运动控制系统 为了简化电动机模拟控制系统的电路，同时保持系统的快速响应能力，一些公司推 出了专用电动机芯片，如1 1 公司直流无刷电动机控制芯片u c c 3 6 2 6 、u c c 2 6 2 6 等。利 5 沈阳工业大学硕士学位论文 用专用电动机控制芯片构成的运动控制系统保持了模拟控制系统和以处理器为核心的运 动控制系统两种实现方式的长处，具有响应速度快、系统集成度高、使用元件少、可靠 性好等优点；同时，专用电动机控制芯片价格便宜，进一步降低了最终系统的成本。因 此，采用这种方式实现的运动控制系统广泛应用于精度较低、成本敏感的场合，是目前 应用最广的一种运动控制系统实现方法。 然雨，受专用控制芯片本身的限制，这种系统的缺点也是很明显的，主要包括： ( 1 ) 由于已经将软件算法固化在芯片内部，虽然可保证较高的系统响应速度，但 是降低了系统的灵活性，不具有扩展能力。 ( 2 ) 受芯片制造工艺的限制，在现有的电动机专用控制芯片中所实现的算法一般 都是比较简单的。 ( 3 ) 由于用户不能对专用芯片进行编程，因此，很难实现系统的升级。 ( 4 ) 受芯片本身算法的限制，这种系统的控制精度一般都较低，难以用于那些高 性能、高精度的应用场合。 1 3 5 以可编程逻辑器件为核心构成的运动控制系统 由于f p g a c p l d 等可编程逻辑器件的发展，人们可以利用a l t e r a 、x i l i n x 等 公司提供的产品，使用这些公司提供的系统开发软件或v h d l 等开发语言，通过软件 编程实现某种运动控制算法，然后将这些算法下载到相应的可编程逻辑器件中，从而以 硬件的方式实现最终的运动控制系统。 利用可编程逻辑器件实现的运动控制系统具有如下优点： ( 1 ) 系统的主要功能都可在单片f p g a c p l d 器件中实现，减少了所需的元器件 个数，缩小了系统体积。 ( 2 ) 可编程逻辑器件一般具有系统可编程的优点，因此，以之为基础构成的目标 系统具有较好的扩展性和可维护性，通过修改软件并重新下载到目标板上的相关器件 中，就可以实现系统的升级。 ( 3 ) 由于系统以硬件实现，响应速度快，可实现并行处理。 ( 4 ) 开发工具齐全，容易掌握，通用性强。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 然而，这种系统实现方法的缺点也是很显然的，例如，尽管可编程逻辑器件可实现 任意复杂的控制算法，但算法越复杂，可编程逻辑器件内部需要的晶体管门数就越多。 按照目前的芯片制造工艺，可编程逻辑器件的门数越多，价格就越昂贵。因此，考虑到 目标系统的成本，般使用可编程逻辑器件实现较简单的控制算法，构成简单的运动控 制系统。 1 3 6 以可编程d s p 控制器为核心构成的运动控制系统 为了满足世界范围内运动控制系统的需要，t i 公司推出了它的t m s 3 2 0 系列d s p 控制器。 t m s 3 2 0 系列d s p 控制器将一个高性能的d s p 核、大容量的片上存储器和专用的 运动控制外设电路( p w m 产生电路、可编程死区、s s v p w m 产生电路、捕获单元等) 以及其他功能的外设电路( 1 6 通道模拟数字转换单元、串行通讯接口、c a n 控制器模 块等) 集成在单芯片上，保持了传统微处理器可编程、集成度高、灵活性和适应性好、 升级方便等优点；同时，其内部的d s p 核可提供更高的运算速度、运算精度和处理大 量数据运算的能力。 t m s 3 2 0 系列d s p 控制器采用改进的哈佛结构，分别用独立的总线来访问程序和数 据存储空间，配合片内的硬件存储器、指令的流水线操作和优化的指令集。d s p 控制器 可较好的满足系统的实时性要求，实现复杂的控制算法如k a k n a n 滤波、模糊控制、神 经元控制等。 基于d s p 控制器构成的电动机控制系统事实上是一个单片系统，因为整个电动机 控制所需的各种功能都可由d s p 控制器来实现。因此，可大幅度缩小目标系统的体 积，减少外部元器件的个数，增加系统的可靠性。另外，由于各种功能都通过软件编程 来实现，因此，目标系统升级容易、扩展性、维护性都很好。同时，d s p 控制器的高性 能使最终系统既可满足那些要求比较低的系统，更可满足那些对系统性能和精度要求较 高的场合的需要。 通过上面各种方法的对比，可以得到以下结论： ( 1 ) 基于以d s p 控 b 螺构成运动控制系统各满足任意场合的需要，将是运动控制 一7 沈阳工业大学硕十学位论文 系统实现技术的发展方向。 ( 2 ) 可以采用新型微处理器来实现一些功能复杂、要求较高的运动控制系统，然 而，与同样性能的d s p 控制器相比，这些新型微处理器的价格往往比较昂贵。 ( 3 ) 在一些简单、性能要求不高的场合，可选择采用专用控制芯片、微处理器、 可编程逻辑控制器、可编程逻辑器件来构成运动控制系统。 ( 4 ) 在一些工作环境良好的大型系统中，可考虑采用通用计算机、工业计算机来 构成运动控制系统 6 1 。 1 4 本论文所完成的工作 1 4 1 系统硬件结构方案 交流伺服系统是一个典型的速度闭环系统，伺服驱动器从主控制系统接受电压变化 范围为一u ru i 的速度指令信号。电压从一u i 变化到u i 的过程中，伺服电机可实现从反转 最高速度变化到零，然后再变化到正转最高速度。带位置环的全数字式交流伺服系统， 不仅可以进行位置的闭环控制，还使得交流伺服电机可以像步进电机一样易于控制，上 位控制器可以是c n c 、p l c 或者直接是c o m p u t e r 等。交流伺服系统的位置环、速度环 和电流环都集成在伺服驱动器内部。伺服电机都带有高精度的光电编码器，给伺服驱动 器提供高精度的速度和位置反馈信号。在本系统中的信浓伺服驱动器就可以直接返回编 码器信号，同时接受1 0 v 的直流电压。因此，此类伺服系统很易于应用于p c 机构成 的系统中。 本系统组成如图1 1 所示： l 。j 图1 1 交流伺服系统硬件结构 8 沈阳 二业大学硕士学位论文 m c t 8 0 0 0 f 4 型d s p 多轴运动控制器通过p c 机1 s a 总线直接与p c 机相连接，组 成主控制系统。控制器核心芯片为t l 公司的t m s 3 2 0 c 3 l 。 1 4 2 系统软件结构 ( 1 ) 数控系统软件功能模块的划分 在设计可视化数控系统软件组件以前，首先要分析开放式、通用型数控系统软件所 应具有的基本功能。通过对数控系统的功能分析，一般认为，开放式、通用型数控系统 软件依据其各功能的不同，可以分为下列7 个基本模块： 1 ) 人机界面模块 作为机床操作者和系统之间的信息交互通道，人机界面没有一个统一的标准，而且 在可视化编程工具日趋普及的情况下，制作一个友好的人机界面是一件轻而易举的事 情，所以在设计可视化数控系统软件组件时，就没有必要再专门设计人机界面组件。 2 ) 译码模块 译码模块包括语法检查类和解释类，其主要功能是对用户提供的数控加工源程序进 行语法检查和语义解释，提取数控程序段中各功能字后的数据信息，为预处理模块提供 正确、完整的零件3 n 7 - 信息。 3 ) 预处理模块 预处理模块包括长度补偿类和半径补偿类，以便对译码后的零件加工信息进行刀具 长度补偿和刀尖半径补偿，使刀尖轨迹转换为刀具中心轨迹。 4 ) 插补模块 插补模块的功能是根据零件的加工程序指令，在插补周期内计算出各个运动轴的位 置增量值，以便进行轴的控制。 5 ) 位置控制模块 位置控制模块包括轨迹控制类、速度控制类和加速度控制类，它根据插补模块计算 出的各个运动轴的位置增量值，接收伺服系统反馈的信息，完成各个运动轴的轨迹、速 度、加速度控制。 6 ) p l c 控制模块 9 沈阳工业大学硕士学位论文 p l c 控制模块的主要功能是完成机床逻辑量和辅助功能的控制。 7 ) 故障诊断模块 故障诊断模块的功能是在系统工作过程中，随时发现系统故障，指示故障类型，以 实现在线诊断，保证系统的正常、安全运行。 上述各个模块之间，关系松散、接口简单，可以利用面向对象的编程方法和功能强 大的c + + b u i l d e r ，将这些基本功能模块设计成可视化的数控系统软件组件。 ( 2 ) 利用c + + b u i l d e r 设计数控系统软件组件 利用c + + b u i l d e r 设计可视化数控系统软件组件时，要遵循一定的步骤和方法。基 本步骤如下： 1 ) 分析组件所应具有的功能； 2 ) 依据组件功能和组件在程序运行时是否可见，确立组件父类，设计组件应该具 有的方法和属性，并在代码编辑器中编写组件方法、属性； 3 ) 测试组件； 4 ) 制作数控系统软件组件的图标： 5 ) 将组件安装在c + + b u i l d e r i d e 自定义面板上。 1 5 本章小结 本章主要讨论了本文所研究课题立项的学术背景、理论与实际意义，对电动机控制 系统的实现方法和d s p 数字处理器的发展现状作了简单的介绍，并为课题所要研究的 主要内容做出了具体的方案。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 2 系统硬件结构分析与设计 2 1j 哒 m c t 8 0 0 0 运动控制器是由深圳市摩信科技有限公司开发的新一代开放式结构2 _ 8 轴运动控制器系列产品。该控制器的c p u 采用美国1 1 公司的t m s 3 2 0 c 3 14 0 m h z d s p ，支持i s a 、p c i 标准总线或u s b 高速接口与主控机连接。主控机与控制器之间通 过双向高速f i f o 进行通讯，可提供2 8 轴的高速，高精度的伺服控制。主控机可选用 通用的p c 系列微机。和传统的运动控制器产品相比，m c t 8 0 0 0 系列产品具有开放式结 构，高速、高精度，网际在线控制，多轴同步控制等功能特点【”。 2 2t m s 3 2 0 c 3 1 简介 2 2 1t m s 3 2 0 c 3 1 性能 t m s 3 2 0 c 3 1 芯片是t i 公司推出的浮点运算d s p 芯片，由于其较高的性能价格比， 应用及其广泛；由于浮点运算与定点运算结合起来，具有更高的精度，并借不用考虑运 算的溢出问题，因此浮点d s p 具有更好的性能，更容易在系统的处理器上实现高级语 言。 t m s 3 2 0 c 3 1 的速度可达5 0 m bf l o p s ，单周期执行时间可达到5 0 n s 。c 3 1 具有如下 性能： ( 1 ) 可在单周期内，对整数或浮点数进行并行的乘法及a l u 操作。 ( 2 ) 具有可用的寄存器组、程序高速缓存( c a c h e ) 、专用的辅助寄存器运 ( a 】叉a u ) 、内部双存取存储器。 ( 3 ) 1 6 m b 的地址空间、多处理器接口、内部及外部产生的等待状态、外部接口 端口。 ( 4 ) 一个d m a 通道支持开发的i o 、两个内部3 2 位定时器、一个串行接口、多 重中断结构。 ( 5 ) 适合用于主处理器或专用的协处理器。 ( 6 ) 具有程序引导装载功能。 t m s 3 2 0 c 3 1 的结构框图如图2 1 所示： 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 1t m s 3 2 0 c 3 1 的结构框图 2 2 2 田懒o c 3 】特点 ( 1 ) c p u t m s 3 2 0 的c p u 是以寄存器为基础的，包括乘法器、a l u 、3 2 位桶式移位器、辅 助寄存器运算单元( a r a u s ) 、寄存器组。他们之间通过内部总线连接在一起。 乘法器：单周期完成2 4 位整数及3 2 位浮点数乘法运算。如果输入为2 4 位整数， 那么输出为3 2 位；如果输入为3 2 位浮点数，输出为4 0 位。 a l u ：单周期完成3 2 位整数、4 0 位浮点的除乘法之外的其他运算( 包括加、减、 格式转换等) ，单周期完成3 2 位逻辑数的一切逻辑运算。 a r a u s ：两个辅助寄存器运算单元( a ra 1 】s o 、a r a u s l ) 可在单周期内产生两个 地址。它仍支持带有偏移的寻址、变址寄存器寻址、循环寻址及码位倒置。 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 寄存器：t m s 3 2 0 c 31 有2 8 个与c u u 紧耦合多端口寄存器。这些寄存器允许乘法 器和a l u 操作。它们可被用作通用寄存器，同时具有一定的特殊功能。 ( 2 ) 存储器组织 t m s 3 2 0 c 3 1 的总存储器空间为1 6 m 3 2 位。程序、数据和i o 之间都包含在这。 1 6 m 字中。这就使得系数表、程序码或数据即可放在r a m 存储器中，又可放在r o m 中的存储器空间，可以按不同要求采用不同的方法进行分配地址，从而可以达到最大的 存储利用率。其存储器的组织结构如图2 2 所示： r d y h o l d h d l d a s t r b r v d ( 3 0 0 ) a ( 3 0 。) ( 3 ) 总线操作 j 蚌 指令裂 删d m a 控据 图2 2 i i k s 3 2 1 k 3 1 存储器的组织结构 j 3 沈阳】。业大学碗士学位论文 t m s 3 2 0 c 3 1 型d s p 的高性能在很大程度上归功于内部总线结构及优质带来的并行 性；1 m s 3 2 0 c 3 l 型d s p 的灵活性，则在很大程度上归功于外部总线的控制及由之带来 的允许外设程度的多样性。 1 ) 内部总线 独立的程序总线、数据总线和d m a 总线，是程序的提取、数据读写和d m a 存取 可以并行地进行。这些总线连接所有的t m s 3 2 0 c 3 1 的物理空间( 包括片内存储器、片 外存储器、片内外围等) 。 程序计数器p c 与2 4 位程序地址总线( p a d d r ) 相连。指令寄存器( i r ) 与3 2 位的程序数据总线( p d a t a ) 相连，也就是说程序总线在每一指令周期内可提取一条 指令。数据总线在每一指令周期内支持两次数据存储器的存取。d d a t a 总线通过 c p u l ，c p u 2 总线运送两个数据存储器操作数到乘法器、a l u 、寄存器组。d d a t a 总 线通过r e g l 、r e g 2 运送两个数据到乘法器和a 1 砌。 d m a 控制器由2 4 位地址总线( d m a a d d r ) 和3 2 位数据总线( d m a d a t a ) 所 支持。这些总线使d m a 能与数据总线和程序总线并行地执行存储器存取。 2 ) 外部总线 t m s 3 2 0 c 3 1 有个主总线接口。它包括3 2 位数据总线、2 4 位地址总线及一组控制 信号( r d y ，h o l d ，h o l d a ，s t r b ，r w ) ，可以用来对外部程序数据存储器或 f o 空间进行寻址。为了能对各种速度的外设进行访问，它还支持软件控制的等待状态 和外部准备信号。对于主总线的控密0 是通过控制映射到寄存器存储的主总线控制寄存器 来实现的。 ( 4 ) d m a 在一般的计算机中，用直接存储器存取( d m a ) 方法时，c p u 往往要让出总线。 这时c p u 与d m a 其实存在冲突，降l e tc p u 的处理能力。由于d s p 中d m a 有专用 的d m a 地址及数据总线，这使得c p u 与d m a 控制嚣之间的冲突降到最低程度。d s p 片内d m a 可以存取存储器空间中任何单元，而不涉及c p u 操作。这为t m s 3 2 0 c 3 1 与 较慢的外设之间进行大量数据的交换，而不降低c p u 的处理能力提供了可能。如多路 一1 4 沈阳 业大学硕士学位论文 a d 采样就可以通过d m a 来进行，大量的数据还可以存在慢速的e p r o m 中，使用时 通过d m a 调入等。 ( 5 ) 程序引导装载功能 程序引导装载功能能使得t m s 3 2 0 c 3 1 可以方便地将那些存储单元和慢速的e p r o m 或其他标准件中的程序装载到快速的片内r a m 或片外s r a m 中来运行。它可以在 不使用昂贵的快速e p r o m 的情况下获得高速运行的能力。由于从e p r o m 或p r o m 装入程序时可以采用8 1 6 3 2 位来装入，这给硬件设计带来了极大的方便，可以在基本 不降低运行性能的条件下减少芯片，压缩体积，降低成本f 8 】。 2 3m c - i l t i i f f 4 型d s p 多轴运动控审幡 m c t 8 0 0 0 f 4 型d s p 多轴运动控制器通过p c 机i s a 总线直接与p c 机相连接，其 核心芯片为t m s c 3 2 0 c 3 1 。由于采用了最新的d s p 和f p g a 技术，该控制器具有高速 通信功能和低电磁辐射( 通过了f c c 、c e 等认证) 等特点。经过特殊的设计， m c t 8 0 0 0 f 4 多轴运动控制器能基于主机运行或者脱离主机独立运行。m c t 8 0 0 0 f 4 与主 机的接1 3 是1 6 个1 6 位的端e l ，这个i o 口可用于控制板卡的设置、程序的下载和运行 中的数据传递。总线检测控制器的设置和数据的传递也是通过这个i o1 ：3 实现的。为使 d s p 和主机的运行同步，设计了两个双端1 3r a m ，用于主机对d s p 产生中断或d s p 对主机产生中断。一个通道用于发送和接受命令，另一个通道用于主机与控制器之间的 数据传递，实现了在程序运行过程中，实时读取控制器运行状态参数的功能。 m c t 8 0 0 0 f 4 多轴运动控制器上有2 m 的闪存用于非易失性存储，可保存应用程 序、系统参数、数组和底层软件。另外，也可以选择将底层软件保存在1 m 的可擦写只 读存储器中。 m c t 8 0 0 0 f 4 多轴运动控制器可解决复杂的运动控制问题，如点动、点到点定位、 矢量定位、多轴联动和轮廓控制等。控制器的自动加减速功能消除了运动冲击，从而实 现了平滑的运动轨迹。为平稳的跟踪复杂轨迹，m c t 8 0 0 0 f 4 实现了任意直线和圆弧段 的连续矢量进给1 9 。 一1 5 沈阳工业大学硕士学位沦文 2 3 1 控制器特有特征 ( 1 ) 网际浮动式操作界面，方便远程在线、多系统协调作业，支持远程调试和 故障诊断功能； ( 2 ) 开放式结构，可随意增加外部传感器，扩展系统功能； ( 3 ) 高可靠性双c p u 结构，下位机可脱离上位机工作； ( 4 ) 高伺服更新速度，每轴1 0 1 a s ，可直接控制d d ( d i r e c td r i v e ) 臂机器人和 高速直线电机； ( 5 ) 优良的软硬件重构特性，便于技术升级和维护； ( 6 ) 兼容性好，配备摩信科技的运动控制模块，可以控制多种机器人、数控机 床以及其他过程控制系统。 2 3 2 控制器技术参数 ( 1 ) c p u 采用美国t e x a si n s t r u m e n t s 所产t m s 3 2 0 c 3 14 0 m h zd s p 。 ( 2 ) 1 2 8 科5 1 2 到6 4 0 k 3 2 位1 2 n s 高速静态r a m 。 ( 3 ) 2 m 位9 0 n s 闪速( f l a s h ) 内存。 ( 4 ) 4 通道1 2 位模拟量输出，一1 0 v + 1 0 v 输出范围，工作频率】0 0 k h z 。 ( 5 ) 4 通道0 2 m h z 的正负步进脉冲输出，正负方向控制信号。 ( 6 ) 6 通道1 2 位模拟量输入，一1 0 v + l o v 输入范围，6 2 5 k h z 采样频率。 ( 7 ) 4 通道光电编码器接口，2 4 位计数器，计数频率1 7 m h z ，差动或单端输 入，i n d e x 信号，内部数字滤波。 ( 8 ) 1 6 位可编程数字输入输出接口，t t l 电平。 ( 9 ) 3 2 6 4 9 6 1 2 8 1 6 0 1 9 2 2 2 4 2 5 6 位( 可指定) 数字输出接口， 选用光电隔离、继电器或t t l 直接输出。 ( 1 0 ) 3 2 6 4 9 6 1 2 8 1 6 0 1 9 2 2 2 4 2 5 6 位( 可