（机械制造及其自动化专业论文）面向开放式数控系统的位置控制技术的研究.pdf

摘要 高速高精度位置控制是现代制造工业的重要研究之一，对提高生产效率和产 品质量具有十分重要的作用。要实现高性能控制，高性能的控制器设计是关键技 术之一。新一代微控制器的进步，使嵌入式处理器更加适合数控领域的开发。鉴 于d s p 高速运算能力与高效控制能力，使其对电机进行位置控制成为当今控制领 域研究的热点之一。传统p i d 控制由于结构本身以及算法设计依赖对象的局限性， 对复杂的动态过程控制不够理想。传统p i d 控制和智能控制的结合研究成为了解 决这一问题的有效途径。 本课题的研究是t d n c s x 开放式数控系统开发中的一部分，文中首先基于 t d n c s x 数控系统的设计理念：嵌入式、模块化、可移植、开放式、网络化， 简要介绍了基于a r m 和d s p 的嵌入式数控系统的总体结构。 其次，对传统p i d 控制、模糊p i d 控制、前馈控制等控制算法作了深入的分析 和研究。基于理论分析，研究设计了前馈控制+ 模糊p i d 控制的组合控制器，并借 助m a t l a b s i m u l i n i ( 进行了仿真和分析，得到了较理想的控制效果。 再次，研究设计了位置控制卡的软件结构，并详细给出了驱动程序和控制算 法程序的编写流程。为保证信号的正确输入，还给出了输入信号的滤波算法。 最后，作为软件和控制算法的载体，设计了一款基于d s p 的位置控制卡。 文中详细给出了位置控制卡的硬件结构设计，以及各部分硬件电路设计。同时， 还对在硬件电路设计中的电磁兼容性问题进行了考虑。 论文结尾对本文研究内容进行了总结和展望。 关键词：嵌入式p i d 控制模糊p i d 位置控制d s p a b s t r a c t h i g h s p e e dh i g ha c c u r a c yp o s i t i o nc o n t r o l i sr e c o g n i z e da so n eo ft h em o s t i m p o r t a n ta r e a si nm o d e r nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , w h i c hi sp l a y i n ga ni m p o r t a n t r o l e i n i n c r e a s i n g t h ep r o d u c t i v i t ya n dq u a l i t yo fm a n u f a c t u r i n g t oa c h i e v eh i g h p e r f o r m a n c ec o n t r o l ，h i g h - p e r f o r m a n c e c o n t r o l l e r d e s i g n i so n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e s an e wg e n e r a t i o n o fm i c r o c o n t r o l l e rh a sg r e a tp r o g r e s si ne v e r y p e r f o r m a n c e ，s ot h a te m b e d d e dp r o c e s s o ri sm o r es u i t a b l e t od e v e l o p m e n to fn c w i t hh i g h s p e e dc o m p u t i n gp o w e ra n de f f i c i e n tc o n t r o l ，d s pt oc a r r yo u tp o s i t i o n c o n t r o lo fm o t o rc o n t r 0 1r e s e a r c hi nt h ef i e l dh a sb e c o m eo n eo ft h eh o t t r a d i t i o n a l p i dc o n t r o lo fc o m p l e xd y n a m i cp r o c e s sc o n t r o li sn o ti d e a lb e c a u s eo ft h e l i m i t a t i o n so ft h es t r u c t u r ei t s e l fa n dt h ed e s i g no fo b j e c t - d e p e n d e n t t h es t u d yo ft h e c o m b i n a t i o no ft r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la n di n t e l l i g e n tc o n t r o lh a sb e c o m ea ne r i e c t i v e w a y t or e s o v et h i si s s u e f i r s t l y , t h es u b j e c ti ss t u d i e da sp a r to f t h ed e v e l o p m e n to ft d n c - s xo p e n c n c s y s t e m t h ep a p e rh a sd e v e l o p e dt h ef o l l o w i n gd e s i g nc o n c e p to ft d n c - s xc n c s y s t e m ：e m b e d d e d ，m o d u l a r , p o r t a b l e ，o p e n ，n e t w o r k - b a s e d a n dt h e o v e r a l ls t r u c t u r e o f a r m b a s e da n dd s p b a s e de m b e d d e dc n cs y s t e ma r eb r i e f l yi n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h ea n a l y s i sa n d r e s e a r c ho ft r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ，f u z z yp i dc o n t r o l ， f e e d f o r w a r dc o n t r o lh a v eb e e nd e v e l o p e dd e e p l y b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h e c o m b i n a t i o nc o n t r o l l e ro ff e e d f o r w a r dc o n t r o la n df u z z yp i dc o n t r o la r ed e s i g n e d a n dt h ep a p e ru s e sm a t l a b s i m u l i n kf o rs i m u l a t i o na n dh a si d e a lc o n t r 0 1 t h i r d l y ，t h ep a p e rd e s i g n st h es o f t w a r es t r u c t u r eo ft h ep o s i t i o nc o n t r o lc a r d ，a n d g i v e si nd e t a i lt h ep r o c e s sp r e p a r a t i o no f t h ed r i v e ra n dt h ec o n t r o la l g o r i t h m i no r d e r t oe n s u r et h ec o r r e c ti n p u ts i g n a l ，t h ei n p u ts i g n a lf i l t e r i n ga l g o r i t h mi sg i v e n f i n a l l y , ad s p b a s e dp o s i t i o nc o n t r o lc a r dh a sb e e nd e s i g n e da sav e c t o rc o n t r o l t e c h n o l o g y t h i sp a p e rg i v e st h ed e s i g no ft h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n dt h eh a r d w a r e c i r c u i to ft h ep o s i t i o nc o n t r o lc a r d a d d i o n a l l y t h ei s s u eo fe l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t yi nt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g ni sc o n s i d e r e d t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ri ss u m m a r i z e da n dp r o s p e c t sa tt h ee n do ft h i sp a p e r k e yw o r d s ：e m b e d d e d ，p i dc o n t r o l ，f u z z yp i d ，p o s i t i o nc o n t r o l ，d s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得：墨窒盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者虢飘缘释字隰 学位论文版权使用授权书 ，i 年汐月妙日 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 文伯弩：矽反缘冶 弋川 7 训( 签字曰期：矽。7 年月争日 导师签 签字目 同 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 制造是人类经济活动的重要基石，也是人类历史发展和文明进步的动力。随 着人类文明的不断进步，制造业已经发展为国民经济的重要基础之一，它不仅直 接创造价值，成为社会财富的主要创造者和国民经济收入的重要来源，而且为国 民经济、科学研究各个部门，包括国防、交通、能源、信息领域的发展提供先进 的设备和手段。随着工业技术的飞速发展，先进制造技术已成为当今制造业赖以 生存和发展的基础。作为装备制造业的关键环节，数控加工行业已成为先进制造 技术的重要载体和装备工业的基本生产手段【l j 。 以数控技术为核心的现代先进制造技术是2 l 世纪知识经济和高科技产业的 热点之一。目前的先进制造技术( 精密化、柔性化、数字化、智能化、网络化、 集成化、敏捷化和虚拟化等) 以及先进的制造模式( 虚拟制造( v m ) 、敏捷制造 ( a m ) 、精良生产( l p ) 、集成制造( c i m ) 、智能制造( i m ) 、分散式联网制造州m ) 和独立制造岛( a m i ) 等) 都是通过数控技术来实现的【2 】。数控加工中使用的数控技 术是由机械学控制论电子学计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性的 新型学科。正是由于这一点数控技术水平已经成为一个国家上述各个学科技术水 平的综合性标志 3 - 7 。大力发展和推广应用数控技术用数控技术改造传统产业是 提高产业竞争力的重要手段，在机床工具行业机床数控化已经成为发展的必然趋 势。 现代科学技术给机械制造业带来了深刻的变化一方面，它们促使形成国际上 的激烈竞争市场，使用户对产品质量、品种和价格的要求越来越严格，在机械制 造业中表现为高精度、多品种、小批量、低成本和快周期的生产要求；另一方面， 它们与机械制造科学技术的结合，为机械制造产业适应这种发展趋势提供了重要 的系统理论和实现的技术基础。数控机床正是适应这种需求而正在发展着，已发 展有加工中心、柔性制造单元等，它们是电子技术、信息技术和机床技术相结合 的产物。与传统的普通机床相比，数控机床无疑具有强大的技术优势，更适于以 高速、高精、高效、柔性为特征的现代制造方式【8 】。 近十几年来，国外数控机床技术发展很快，欧、美、日等工业化国家都在其 工业化进程中大力发展数控产业，并始终保持着较高的制造水平。特别是近十几 年来，工业发达国家，如美、日、德、意等国家数控机床的产量、产值和拥有量 第一章绪论 的数控化率均超过了2 5 ，5 0 和10 ，并在此基础之上广泛进行了f m s ，c i m s 和i m s 的理论和实用化研究工作。在世界范围内以日本f a n u c 和德国s i e m e n s 两家数控系统制造商为代表，这两家公司的产品在世界市场上的占有率超过 8 0 。仅2 0 0 4 年发那科和西门予在我国销售的数控系统就分别达到1 2 万台和 7 0 0 0 台1 9 , 1 0 1 。 我国数控机床技术发展相对工业发达国家来说，无论在产量、产值和拥有量 的数控化率方面，还是在品种、性能和可靠性等技术方面，都还有很大差距。在 历次举行的中国国际机床展上，高精端的国产数控系统更是鲜见。 因此，根据国内外机械制造自动化发展现状，从我国的实际出发，除必要的 跟踪研究以外，集中必要的人力和资金研究机械制造自动化关键设备和基础理论 与技术，例如高性能新型数控系统、高精度伺服控制技术与主轴驱动技术等，对 我国机械制造水平，特别是基础技术水平的提高，为更高层次的综合自动化的开 发以及对国民经济的发展均具有重要意义。为此，必须开展广泛深入的基础理论 和基础技术的研究工作。新一代数控装置，实现高速度、高精度、高效率和高可 靠性的加工是优先考虑的问题瞵j 。应该指出，高速度、高精度、高效率和高可靠 性4 个高性能指标是统一的整体。因此，要实现高性能控制，高性能数控系统伺 服控制器设计是基础和关键技术之一。 1 2 课题研究的现状和发展方向 数控系统自1 9 5 2 年的第一代电子管数控系统诞生起，经历了晶体管数控系 统、集成电路数控系统、小型计算机数控系统、微型计算机数控、p c 数控系统 1 1 - 1 2 】 等几代的变革，从硬件和软件上都有了质的突破。速度和精度已经成为数控机床 的两个重要指标，在速度方面，目前数控机床运动的加速度已提高到2 3 9 ，快 速移动速度提高至u 1 5 0 - - - 2 0 0 m m i n 。在精度方面，一般的精密数控机床的机械加 工精度已0 0 1 m m 提升到微米级( 0 0 0 1 m m ) 。超精密数控机床的微细切削和磨削加 工精度可达0 0 5 畦右，形状精度可达0 0 1 m 左右1 1 3 j 。 数控技术是一种集计算机、电子、自动控制、机械制造等于一体的高精尖技 术，现正在发生根本性变革。集成化、模块化、智能化、网络化和通用型开发式 闭环控制模式已逐渐成为未来数控系统结构发展的方向【悼1 7 】。当前，对数控系统 的开放性研究和应用多着眼于基于p c 平台的软硬件开发，其实质就是在p c 平台的 基础上，配以一定的接口卡及人际交互界面进行数控加工的专用工具，在结构和 性能上存在着很大的局限性。随着l s i ( l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 技术的不断 发展，新一代m c u ( m i c r oc o m p u t e rc o n t r o lu n i t ) 在各方面性能上的长足进步， 第一章绪论 嵌入式处理器更适合数控领域的开发。其稳定性高，占用资源较少，也不存在不 相关硬件干扰，使系统很纯粹地用于所需的加工控制；微处理器的集成度高，集 有多种功能模块和更多种类的网络接口；微控制器和处理器开发手段和调试平台 越来越完善；嵌入式实时操作系统( l u n i x ) 广泛应用，对于微控系统的开发提供 了良好的任务管理平台和底层驱动平台，这为上层软件模块可靠方便的开发和管 理提供了有力保证。因此，综合多种因素的考虑，我们对所开发t d n c s x 数控 系统的设计理念是：嵌入式、模块化、可移植、开放式、网络化【1 4 7 1 。 开放结构数控系统的概念起源于美国。8 0 年代美国国防部为了摆脱军备制造 对日本控制系统的依赖性发起了名为下一代控制器n g c ( n e x tg e n e r a t i o n c o n t r o l l e r ) 的研究计划。到9 0 年代，占主流的美国0 姒c 计划、欧洲o s a c a 计划和 日本o s e c 计划大大推动了开放结构数控系统的研究，几乎垄断了开放数控的前 沿。目前，新一代开放式数控技术正在进行，主要还是以美国、日本和欧洲为主 流 2 , 1 7 - 1 8 1 。 国内的开放式数控系统发展较晚，基本沿用国外的体系，且都是以p c 机为基 础的总线式、模块化、开放式单或多处理器平台。开放性的特征就是系统互换性、 系统可伸缩性、系统可移植性、系统互操作性、系统可扩展性。其开放的本质就 是控制器的开放，允许进行系统的修改、补充、扩展，以及功能的组合、系统的 升级、控制策略的更新等 1 3 - 1 4 , 1 2 1 。其开放性还体现在：标准化的人机界面与编 程语言和方便用户使用及对用户特殊要求开放。国内的许多高校和科研部门已经 开始了对嵌入式开放数控系统的研究和设计，我们也看到了许多关于嵌入式数控 系统方面的论文，但真正的嵌入式数控系统的产品在市面上还很鲜见。 在控制算法方面，传统的数控系统对机床的控制主要采用经典控制论方法， 大部分是传统p i d 控制。由于该算法成熟、结构简单、方便易用，鲁棒性好，可 靠性高等优点，而被广泛应用，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。 由于p i d 控制器的结构本身以及算法设计依赖对象的局限性，使得精度的改善导 致动态性能的减弱，而动态性能的改善，又使执行机构庞大且能耗增加；再者， 同一控制器不仅用来改善输人输出的动态性能，而且还用来消除负载扰动，使系 统具有满意的静态性能指标，p i d 参数整定算法就变得相当困难。由于经典控制 论方法完全依赖于精确数学模型，只能实现随机控制，在解决系统中存在着非线 性因素不易定量描述的不确定模型问题时，p i d 控制器显得无能为力。由于传统 数控系统的专有体系结构，系统的控制策略难以更新，实现自适应控制需要较高 的成本和代价，而自适应控制对控制性能的改善也不够显著，所以自适应控制并 没有成为机床控制中的主流技术【8 】。实际的数控加工过程中往往具有非线性、时 滞、时变不确定性和难以建立精确的数学模型等情况，并且随着数控系统的高速 第一章绪论 化、高精度化要求的提高，应用传统p i d 控制已不能达到理想的效果，而且由于 受到参数整定方法繁杂的困扰，传统p i d 控制往往还出现参数整定不良、性能欠 佳等问题，因此对智能控制方法的研究成为了解决这一问题的有效途径。同时， 由于目前数控系统的开放性不够，专有体系结构，并且控制环节中相互藕合的中 间部件过多，使控制策略更新很难或者基本不可能。因此这也对控制器的开放性 提出了更高的要求。 智能控制是自动控制发展的高级阶段，是控制论、系统论、信息论和人工智 能等多种学科交叉和综合的产物，为解决那些用传统方法难以解决的复杂系统 的控制提供了有效的理论和方法。1 9 6 6 年j m 门德尔( m e n d e l ) 首先主张将人工 智能用于飞船控制系统的设计【23 | 。1 9 7 1 年著名学者傅京逊k s f u 从发展学习控制 的角度首次正式提出智能控制这个新兴的学科领域，他的文章题目是：“学习控 制系统和智能控制系统：人工智能与自动控制的交叉1 2 4 。1 9 8 5 年8 月，i e e e 在 美国纽约召开了第一届智能控制学术讨论会，设立一个i e e e 智能控制专业委员 会。这标志着智能控制学科研究领域的正式诞生，作为一门独立的学科，已正式 在国际上建立起来。在国内，涂序彦和郭荣江于1 9 7 7 年在自动化学报上发表 “智能控制及其应用”一文，成为我国智能控制方面的第一篇论文。1 9 9 3 年清华 大学组织召开了全球第一届智能控制学术会议，内容丰富，反映了智能控制在我 国的蓬勃发展1 2 引。1 9 9 9 年，国家科技部发展司制定的国家重点领域技术预测研 究报告把智能数控技术列为先进制造技术的关键前沿【2 6 】，说明在我国智能控制 技术在数控方面的研究应用已被高度重视。同时，智能控制也被认为是提高新一 代数控系统性能的有效手段，是实现“智能数控 的基础技术。 由于人们在对复杂生产过程的预测和控制中，通常把整个复杂过程分解为不 同侧面或部分，采用单一智能技术去预测和调节，缺乏系统性和科学性。于是传 统p i d 控制和智能控制的结合即组合智能控制就成为当今控制领域研究的热点之 一。目前国内的许多高校已经开始了对基于嵌入式数控系统的组合智能控制算法 的研究和设计，我们也看到了许多关于开放式数控系统组合智能控制方面的论 文，大多仅仅限于理论的研究，真正的基于组合智能控制的嵌入式数控系统的产 品还未在市面上问世，但其前景盎然生机。 1 3 课题研究的意义和课题来源 基于d s p 嵌入智能p i d 控制算法的运动控制系统广泛应用于数控机械加工及 其它生产过程自动化运动控制中，如各种数控机床进给轴运动、机器人各关节运 动、纺织、冶金、造纸、包装以及军事、航空工业设备等现代机械工业中。特别 4 第一章绪论 是先进制造业对精密加工的综合精度指标己经超过了微米级，对机床数控系统的 伺服控制提出了更高的要求。同时，在实际的工业生产过程中往往具有非线性、 时滞、时变不确定性和难以建立精确的数学模型等情况，并且要求系统能高速插 补、计算伺服电机的位移量，在极短的时间内达到指定的运行速度，在高速运行 中保持高的位置跟踪精度，应用传统p i d 控制器已不能达到理想的效果。为了适 应高速和高精度加工的需要，这就对控制系统的硬件结构和控制算法提出了更高 的要求。随着l s i ( l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 技术的不断发展，新一代m c u ( m i c r o c o m p u t e rc o n t r o lu n i t ) 在各方面性能上的长足进步，使稳定性高、集成度高、 开发调试平台完善的嵌入式处理器更适合数控领域的开发，鉴于d s p 的高速运算 能力与面向电机的高效控制能力，组合智能控制兼有传统p i d 和智能控制的优点， 采用d s p 嵌入传统p i d 控制和智能控制组合控制算法的控制系统对电机进行位置 控制，成为当今控制领域研究的热点之一 2 6 - 2 7 1 。 本论文在国家自然科学基金项目( 5 0 4 7 5 1 1 7 ) 、天津市科技发展计划项目 ( 0 6 y f g z g x l8 2 0 0 ) 、天津市应用基础研究计划重点项目( 0 5 y f j z j c 0 18 0 0 ) 等多个 科研项目的资助下，基于实验室研发项目，对面向高性能开放数控系统的位置控 制问题进行了深入探讨研究，并阐述了相关的硬件技术方案。 1 4 论文主要完成的工作 针对当前数控系统在实时性和可靠性等方面所存在问题，建立一种以嵌入式 微处理器a r m 和d s p 为基础，基于l u n i x 操作系统的数控系统的设计，使系统 模块化、网络化、可移植、高性能，提高数控系统的实时性和可靠性。 ( 1 ) 由于本课题的研究是t d n c s x 嵌入式数控系统开发中的一部分，文中首 先简要介绍了t d n c s x 系统的框架体系及相关知识。 ( 2 ) 分别对传统p i d 控制、模糊p i d 控制及前馈控制进行了理论分析，给出了 模糊p i d 控制器的设计步骤和基于摩擦模型的前馈补偿模型。综合前面的理论和 实践基础，设计了模糊p i d 控制+ 速度前馈复合控制算法的组合控制器。 ( 4 ) 研究设计了位置控制卡的软件模块结构，并详细给出了驱动程序的编写， 和控制算法的软件编写流程。为保证信号的正确输入，还给出了输入信号的滤波 算法。 ( 5 ) 设计了一款基于d s p 的位置控制卡，作为所研究技术的载体，能满足基 本的多轴联动控制要求。详细给出了位置控制卡的硬件电路设计，并在硬件电路 设计过程中做了电磁兼容性设计。 ( 6 ) 最后对本文所研究课题进行了总结和展望。 第二章t d n c - s x 数控系统总体架构概述 第二章t d n c s x 数控系统总体架构概述 对数控系统总体方案进行设计必须兼顾总体功能的完整性及各部分功能的 继承性和协调性，从功能需求的角度出发，依据开放式数控设计标准规划系统布 局，合理地协调任务的调度、完成和传送机制。本章将对典型数控系统和 t d n c s x 嵌入式数控系统的结构分别进行介绍。 2 1 数控系统结构 2 1 1 典型的数控系统结构 一个典型数控系统的结构如图2 1 所示，其中中央数控单元是系统的控制核 心，它负责加工代码的编译，进行插补运算，完成各类控制命令；伺服控n 驱 动根据控制单元发出的进给命名完成加工器具的进给位置和速度控制；p l c 完成 加工动作( 如换7 3 ) 和行程控制；其他辅助单元用于外部与数控系统的信息交互。 图2 1 典型数控系统结构图 目前中央数控单元多数采用成熟的计算机产品，而且用得最多的是p c 系统， 因为这类计算机系统功能强大，开发也方便。但是由于计算机产品是针对数据运 算、处理和管理而设计的功能强大的通用产品，这个系统集成了很多的功能，而 不少功能实际上数控系统不需要的，因此，采用计算机产品成本相对较高。另外， 基于计算机系统开发的数控系统，往往是一种专用的系统，针对不同对象的适用 性不是很强1 2 7 , 2 8 。 6 第二章t d n c - s x 数控系统总体架构概述 2 i 2 数控系统控制方式 数控系统的控制方式总体上为两种：闭环控制和半闭环控制。闭环控制直接 对工作台的位移量进行检测，当数控装置发出位移指令脉冲，经电动机和机械装 置使机床工作台移动时，安装在工作台上的位置检测器把机械位移变成电参量， 反馈到输入端与输入信号相比较得到的差值经过放大和变换，晟后驱动工作台 向误差减少的方向移动，直到差值等于零为止口，具有这种调节方式的系统的精 度只取决于测量装置的制造精度和安装精度。该系统可以消除包括工作台传动链 在内的误差，因而定位精度高、调节速度快，但由于该系统受到进给丝杠的拉压 刚度、扭矩刚度、摩擦阻尼特性和间隙等非线性因素的影响，给调试工作造成很 大困难。大多数数控机床采用半闭环伺服系统，这类系统用安装在进给丝杠轴端 的角位移测量元件来代替安装在电机上的测量元件，用测量丝杠或电动机旋转角 位移来代替测量工作台直线位移，半闭环系统未将丝杠螺母副、齿轮传动副，等 传动装置包含在闭环反馈系统中，不能补偿传动装置的误差，但可以得到稳定的 控制特性。 许多高精度、高速度数控系统，采用全闭环调节方式，位置反馈元件直接安 装在执行机构上，所选择的反馈元件分辨率很高，传动机构也有较高精度，所以 也能获得比较理想的精度，当相对来说，结构复杂，成本高。图2 - 2 是数字式全 闭环位置控制系统。 囤2 - 2 数字式全闭环位置控制系统 采用交流伺服的半闭环位置控制形式，驱动单元中内置了电流环和速度环。 电流环可以限制电机最大电流，避免扭矩饱和的发生，保证运行平稳。速度环可 以增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动1 3 0 。位置环构造在伺服单元之外， 由编码器反馈丝杠旋转位置，反馈给运动控制板上，构成闭环伺服系统。这种半 闭环结构的伺服控制形式，其速度、精度和动态干扰优于开环伺服，其复杂性和 第二章t d n c s x 数控系统总体架构概述 成本低于全闭环伺服，主要用于中小型数控机床。伺服系纠2 9 。3 1 1 半闭环位置控制 结构如图2 3 所示，本课题就是采用的这种控制方式。 图2 3 伺服系统半闭环位置控制结构图 2 2 基于a r m 十d s p 的嵌入式数控系统( t d n c s x ) 结构 2 2 1t d n c s x 系统结构 系统采用主从式双c p u 设计，整个硬件电路的接口控制电路用现场可编程 门阵列器件f p g a 实现。a r m 处理器作为主芯片完成通信管理、网络管理、人 机交互、指令译码、轨迹插补、故障诊断等功能。d s p 完成位置控制、误差控制 等功能。f p g a 实现接口控制电路，使系统能够随着加工条件的变化动态的调整 自身硬件电路，既快捷又节约资源，实现绿色制造。图2 4 为基于这种思想开发 的数控系统结构框图。 图2 - 4 系统的结构框图 1 ) a r m 主控模块a r m 芯片负责完成系统的总体控制以及对f p g a 可重构 第二章1 d n c s x 数控系统总体架 句概述 部分的配置。a r m 主控模块和d s p 模块之间通过读写双v ir a m 实现数据交换。 2 ) d s p 模块该模块从双口r a m 中读取主控模块传来的翻译后的数控代码 指令进行控制，完成硬插补、误差控制、位置控制等任务。这部分是本课题研究 的重点，将在后面章节中详细研究。 3 ) f p g a 可配置模块该模块可根据不同加工需要调整控制电路接1 ：2 逻辑， 增加数控系统的柔性和现场可重构性；可实现对数控镗床、数控钻床、数控铣床、 数控车床的重构设计。 4 ) 交互模块包括键盘、l c d 以及u s b 设备。模块具有显示、键盘处理、 用户数据传输以及简单的数据处理功能。本系统的键盘部分可自动完成p s 2 键 盘与主控芯片的通信。 5 ) 网络模块能进行以太网、r s 2 3 2 、c a n 等不同层谈的网络交互。其中， 以太同模块设计采用了r e a l l e k 公司的1 0 m b p s 阿络通讯= 芯片r t l 8 0 1 9 。 6 ) 存储模块包括f l a s h 、r a m 。一部分f l a s h 芯片与系统运行息息相关， 固化有系统运行所需的程序代码，显示用的语言字库，需要长期保存的系统参数， 刀具参数，补偿参数，机床参数、数控加工程序以及f p g a 配置参数。另外的 f l a s h 用于完成网络模块、交互模块与外界进行交互时大量数据的存储与发送。 r a m 单元为文件系统运行、多任务调度时产生的全局变量、局部变量以及堆栈 提供足够的空问，同时为系统内置软p l c ( 继电器r 、定时器t 、计数器c ) 的运 行提供r a m 空间。 实物图如图2 5 。 圉2 - 5t i 】n c - s x 教控系统n3 , 1 实物图 2 2 2 基于f p g a 的可重构电路结构 数控系统可重构性要求数控系统能适时地调整自身的硬件结构咀满足加工 要求。 般情况下，数控系统是依靠自身的数据总线或其他芯片扩展系统资源以 9 第二章t d n c s x 数控系统总体架构概述 完成不同的任务。这样做不仅增加了外围电路和系统的成本，而且增加了系统的 复杂性。基于此，本文提出了如图2 - 6 所示的基于f p g a 的可重构功能模块设计。 该可重构功能模块包括智能i o 单元、编码器输入单元、p w m 单元等。 图2 - 6 基于f p g a 的可重构部分结构 可重构模块是数控系统控制部件( a r m 和d s p 模块) 与运动执行部件之间 连接的桥梁。它不仅为信号传递提供可靠的通路，而且实现了机床和电机驱动器 上的强电信号与控制部件弱电信号的安全隔离。 本系统设计的重构电路基于常规s r a m 编程。如图2 7 所示f p g a 动态配置 方案，配置参数模块中的数据按照逻辑功能存放，用于f p g a 各逻辑模块的分时 重载。外部缓冲s r a m 在a r m 控制下，对系统重建时隙给予自适应的逻辑补偿， 保证系统逻辑时序上的连续。系统整体功能采用f p g a 硬件复用形式构筑，但 系统功能的整合( 系统重构，时隙补偿) 由a r m 规划和控制。 图2 7f p g a 动态配置方案 1 0 第二章t d n c - s x 数控系统总体架构概述 2 2 3 开放式系统和嵌入式系统 2 2 3 1 开放式系统 开放式数控系统的全称应是基于开放式体系结构的数控系统。目前对于开放 式数控的具体定义还存在着争议，一直没有被公认的确切定义和统一、明确的概 念内涵【1 6 1 。i e e e 定义开放式数控系统为：“具有下列特性的系统可以被称为开放 系统：符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它的 系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面”。开放式体系结构普遍采 用模块化、层次化的结构，并向外提供统一的应用程序接口，具有可移植性、可 扩展性、互操作性等特点。开放式数控应具有以下基本特征1 3 5 】： 1 ) 开放性( o p e n ) 。提供标准化环境的基础平台，允许开发商的不同软、硬 件模块介入，以及功能的组合、系统的升级、控制策略的更新。 2 ) 可移植性( p o r t a b i l i t y ) 。不同应用程序模块可运行于不同生产商提供的 系统平台，同时，系统软件可运行于不同特性的硬件平台之上。 3 ) 可扩展性( e x p a n d a b i l i t y ) 。系统的功能模块可以灵活设置，方便修改， 可根据使用的要求不同，增加或减少功能模块，以满足不同场合对数控系统的要 求。 4 ) 可互换性( i n t e r c h a n g e a b i l i t y ) 。不同性能、可靠性的功能模块可以代 替，并且不影响系统的正常协调运行。 5 ) 可互操作性( i n t e r o p e r a b il it y ) 。标准化的接口、通讯和交互模型。 2 2 3 2 嵌入式系统 嵌入式系统 1 2 , 3 3 - 3 4 1 是当今最热门的概念之一。目前国内一个普遍被认同的定 义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用系统。嵌入式系统的定义可 以从以下几个方面来理解： 1 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相 结合才会具有生命力、才更具有优势。 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行 业的具体应用结合后的产物。 3 ) 嵌入式系统必须能够根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统功 能、可靠性、成本、体积等要求。 般而言，嵌入式系统的构架可以分成4 个部分：处理器、存储器、输入 第二章t d n c s x 数控系统总体架构概述 输出( i o ) 和软件，并具有如下几个重要特征：a ) 系统内核小。嵌入式系统一 般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要 小的多。b ) 适用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结 合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产 品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。c ) 系统精简。嵌入式系 统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能的设计及实现过于复 杂。嵌入式软件要求高实时性的操作系统而且要求固化存储，以提高速度。嵌入 式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。系统开发需要专门 的开发工具和环境。 t d n c s x 系统采用的中央数控单元不再是p c 系统，而是采用基于a r m 十 d s p 嵌入式处理器，整个系统由一系列的嵌入式控制模块组成，具有运算能力强、 成本低的特点。 2 2 4a r m 主控板硬件资源 t d n c s x 系统所用的内核芯片是a r m 9 2 0 t ，带有m m u 存储器管理单元， 支持持实时仿真和跟踪的3 2c p u 的微控制器。性能稳定，功能强大，是工业控 制、网络通讯等应用的首选。主控板硬件资源如下： 中央处理器 一a t 9 1 r m 9 2 0 0 ( 删9 2 0 t ) 主频18 0 m ( 可稳定超频到2 4 0 m h z ) ，工业级； 外部存存储器 一1 6 k 字节i i c 接口的e e p r o m ，用于存储上电时的引导程序b o o t ； 6 4 mb y t e sn a n df l a s h ( 用户可自己更换为1 6 m 、6 4 m 或1 2 8 mn a n d f l a s h ) ； 一6 4 mb y t e ss d r a m ( 2 片1 6 位的s d r a m 芯片组成3 2 位接口) ； 一- 1 6 mb y t e sn o r f l a s h ( 一片i n t e le 2 8 f 1 2 8 ) ； 2 d 图形加速器 外部扩展的2 d 图形加速引擎，具有独立的2 m 字节显示存储器； 一个标准v g a 接口，最大支持16 b p p 模式8 0 0 x 6 0 0 分辨率； 一一个t f t 液晶屏接口，最大支持1 6 b p p 模式8 0 0 x 6 0 0 分辨率； 串口 一个串口为标准三线r s 2 3 2 接口和标准9 线r s 2 3 2 接口( 可接m o d e m ) ； r s 4 8 5 一一个r s 4 8 5 通讯接口； 网口 一一个1 0 0 m 网u j ( a r m 内部m a c + 外部p h y ) ，带发送、接收和联结指示灯； 第二章t d n c s x 数控系统总体架构概述 u s b 接口 一一个u s bh o s t ( u s b 2 0f u l ls p e e d ) 接口； 一一个u s bd e v i c e ( u s b 2 0f u l ls p e e d ) 接v i ； c a n 总线接口 一采用i i s 专用接口芯片，一路立体音频输出接口； i d e 接口 4 0 芯标准连接器，可挂载i d e 硬盘，板上自带标准i d e 电源接1 3 ； 存储卡接口 一一个m m c s d 卡接口，可支持2 5 6 m 的m m c 卡： 调试和下载接口 一个2 0 芯m u l t i i c e 标准j t a g 接口，支持s d t 2 5 1 ，a d s l 2 等调试； b o o t l o a d e r 一预装b i o s b o x ( 在n a n df l a s h 中) ； 操作系统 l i n u x 实时操作系统； 2 3 本章小结 本章首先介绍了典型数控系统的结构与伺服系统，然后给出了基于 a r m + d s p i 拘嵌入式数控系统t d n c s x 的结构构图，并对嵌入式系统、开放式系 统以及a r m 主控板分别进行了介绍。 1 3 第三章控制理论分析与控制器的设计 第三章控制理论分析与控制器的设计 控制器是控制系统的核心，而控制策略则是控制器的灵魂，根据实际情况选 择合适的控制策略是控制的关键。本课题采用的控制策略是前馈控制+ 模糊p i d 控制的复合控制算法。本章将从理论上对传统p i d 控制3 6 。3 8 1 、模糊控制【2 5 , 3 6 , 3 9 - 4 1 】 和前馈控制1 4 3 - 4 5 1 分别进行研究分析，并设计模糊p i d + 前馈控制的组合控制器。 3 1 传统p i d 控制理论 3 1 1 位置式和增量式p i d 控制算法 p i d 控制器本身是一种基于对“过去 、“现在“和“未来”信息估计的简 单控制算法，传统p i d 控制器系统原理框图如图3 - 1 所示。 图3 1 传统p i d 控制系统原理图 系统主要由p i d 控制器和被控对象组成。p i d 控制器是一种线性控制器，它 根据给定值，与实际输出值y ( t ) 构成控制偏差，将偏差按比例、积分、微分通过 线性组合构成控制量，对被控对象进行控制故称为p i d 控制器。其控制规律为： 栌k e ( t ) + 毒扣妙+ 半】 ( 3 1 ) 式中p ( f ) 可，k p 为比例系数、乃为积分时间常数、为微分时间常数， 它们是图中所示的三种校正环节参数。其离散化表达式为： “例= k ， p 何+ 争p ( 力+ 等【已例p 1 7 - 1 ) 】) 1 1 ，卸 j ( 3 - 2 ) 第三章控制理论分析与控制器的设计 或者 z f 例= k p8 矽+ k ，p ( 力+ k 。【p 例p a t - 1 ) 】( 3 - 3 ) 式中 k j 一积分系数，k ，= 譬； ， k d 微分系数，k d = k 。； k 一采样序号，k = l ，2 ，3 ； e ( k - 一第( k 1 ) 次采样时刻输入的偏差值； p 内一第k 次采样时刻输入的偏差值； u o c ) 一第k 次采样时刻的计算机输出值。 由于计算机输出的“直接去控制执行机构，甜例的值和执行机构的位置是一 对应的，所以称式( 3 2 ) 或式( 3 3 ) 为位置式p i d 控制算法。这种算法由于是 全量输出，每次输出均与过去的状态有关，计算时要对p 例进行累加，计算机运 算工作量大。