（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的智能化机床数控系统的研究.pdf

浙江人学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e ( n c m ) i sa na u t o m a t i cm a c h i n i n gt o o l w i t hh i g hf l e x i b i l i t ya n de f f i c i e n c y a l o n gw i t ht h eh i 曲d e v e l o p m e n to f t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h eu s eo fn c mi sm o r eg e n e r a l i z a t i o n ， l e a d i n gt od e v e l o pn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yl a r g e l y , w h i c hi st h e o n l yw a yt oa m e l i o r a t ea n dr e n e wm e c h a n i c a li n d u s t r y , i m p r o v i n gt h e c a p a b i l i t yo fm a c h i n i n gt o o l ，e s p e c i a l l yi t sr e l i a b i l i t y , t h eq u a l i t yo ft h e m a n u f a c t u r em a c h i n i n gb yi tw i l lg a i ns h a r pi m p r o v e m e n t ，a n dt h e e c o n o m i cb e n e f i tw i l lb ei m p r o v e m e n tt o o t o d a y sh i g h p e r f o r m a n c e ， l o w c o s t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rc o n t r o l l e r s ，s u c h a st h et e x a s i n s t r u m e n t s t m s 3 2 0 f 2 4 x ，p r o v i d e a ni m p r o v e da n dc o s t e f f e c t i v e s o l u t i o nf o rn c md e s i g n t h i sp a p e rp r e s e n t san c mc o n t r o l l e db yo n ed s pc o n t r o l l e r f o rd s p c o n t r o l l e r sh i g hc p ub a n d w i d t ha n dp e r i p h e r a l ss p e c i f i c a l l yc h o s e nf o r c o n t r o la p p l i c a t i o n ，w ei n t e g r a t ep w 2 v lc o n t r o l l e r sa n da s s o c i a t e dc i r c u i t s w h i c ha r en e e d e di nf o u rm o d u l e s ，w h i c ha r ef o u re l e c t r o m o t o ro ft h e m a i na x i s ，s p l i n t ( xa n dzd i r e c t i o n s ) a n da u t o m a t i ck n i f er e s t ，i n t oo n e d s pc o n t r o l l e r i th a se l i m i n a t e7 0 - 8 0p e r c e n t so fc o m p o n e n t s t h i s r e s u l t si ni n c r e a s e di n t e g r a t i o na n dl o w e rs y s t e mc o s t 。 t h ec o n t r o lo fu p si s d i g i t a lc o n t r 0 1 i tb r i n g st h ea d v a n t a g eo f p r o g r a m m a b i l i t y , i m m u n i t yt on o i s e ，a n de l i m i n a t e sr e d u n d a n tv o l t a g e a n dc u r r e n ts e n s o r sf o re a c hc o n t r o l l e r t h em o d e lh a sb e e nv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s i tc a nu s et oi m p r o v e d o l dm a c h i n i n gt o o l ，i ta l s oc a na s s e m b l en e wo n e sb ya s s e m b l yp l a n t i na w o r d ，t h er e s e a r c ho f n c mi sv e r ys i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：n c md s pd i c t l a l ，c o n t r o l 浙江人学7 i | ；ll 二学位论文概述 第一章概述 1 1 智能化数控系统的研究背景 随着科学技术的飞速发展，机械制造技术也发生了深刻的变化。传统的普 通加工设备已难以适应市场对产品多样化的要求，难以适应市场的高效率、高 质量的要求。而以微电子技术为基础，将传统的机械制造技术与现代控制技术、 传感检测技术、信息处理技术以及网络通信技术有机地结合在一起，构成了高 度信息化、高度柔性、高度自动化的制造系统。 数控技术是机械制造、机器人、柔性制造单元( f m c ) 、柔性制造系统( f m s ) 乃至计算机集成制造系统( c i m s ) 和无人自动工厂( f a ) 等高新技术的基础，是用 计算机控制机械制造系统，实现高度自动化的桥梁。发展数控技术是当前机械 制造行业技术改造、技术更新的必由之路。 数控机床是机电一体化产品，是利用数字控制技术对机床的运动及加工过 程进行控制的加工机床。加工零件时，首先由编程人员根据被加工零件的几何 形状、结构尺寸、加工精度、工艺过程、工艺参数( 主轴的转数、切削速度、吃 川深度) 以及机床的运动、刀具的位移等内容编制加工程序。其次，编制好的加 工程序经处理和计算后，发出各种操作控制指令，控制机床的运动，最后将零 件加工出来。当变更加工的对象时，只得更新编写零件的加工程序，而机床本 身不需要进行任何的调整就能把零件加工出来。所以数控机床是一种灵活性极 强、高效能、自动化的加工机床。 出于数控机床n c m 集机、电、液、传感、测量等技术于一体，控制系统比 较复杂，而对性能指标要求较高，因此提高机床性能，特别是提高机床的可靠 性就显得尤其重要。 我国讵处于工业化的初步阶段，随着科学技术水平的不断提高，数控机床 ( n c m ) 使用越来越普遍。如果开发设计和研制高可靠性、高精度、高效率以及使 用方便的新一代数控机床( n c m ) ，在条件各异的各种使用环境中，均能f 常可 靠运行，对提高加工产品的质量、效率以及提高经济效益都具有重大的意义； 而提高新一代n c m 性能的关键就是设计性能优异的控制系统。因此，智能化机 浙江人学顺i j 学位论文概述 床数字控制系统的研究，以提高传统普通机床的加工精度、可靠性和使用效率， 进而提高机械加工水平，提升机械产品的质量，就具有非常大的现实意义，值 得我们花时间和精力去研究。 1 2 国内外技术现状与发展趋势 随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量 的要求也越来越高。社会对产品多样化需求越来越强烈，产品的更新换代加速， 产品品种多样，中小批量生产的比重明显增加。这使得数控机床在生产中得到 广泛的应用，并不断地发展，以满足市场的需要。尤其是随着柔性制造系统( f m s ) 的迅速发展、计算机集成制造系统( c i m s ) 的兴起和不断成熟，对机床数控系统 提更高的要求。现代数控机床正在向更高速度、更高精度、更高可靠性、及 功能更完善的智能化方向发展。 l 。2 。l 高速度 提高速度，首先要提高数控系统的运算速度。c p u 是现代数控系统的核心 部件，它既是运算单元又是控制单元。因此c p u 的位数及运算速度直接关系到 数控机床的加工速度，现代机床数控系统多采用3 2 位机和多c p u 并行技术，是 提高生产率的直接手段。现代数控枫床都装备了新型的数控系统及伺服系统， 有很高的分辨率和进给速度。当分辨率、进给速度很高时，要实现生产系统的 商速度化，还必须谋求主铀转数、迸给速率、刀具交换、托板交换等各种关键 部分也应实现高速度化，才能使整体实现高速度化。 1 2 2 高精度 为了提高n t 精度，除了在结构总设计、主轴箱、进给系统中采用低热膨 胀系数材料，通入恒温油等措施外，在控制系统方面采取的措施是： 采用高精度的脉冲当量。从提高控制精度，来提高定位精度和重复定位 精度。 采用交流数字伺服系统。伺服系统的质量直接关系到c n c 系统的h j jt 精 浙江人学坝 ：学位论文 概述 度。采用交流数字伺服系统可使伺服电动机的位置、速度及电流环路等参数都 实现数字化，因此，也就实现了几乎不受负载影响的高速度响应的伺服系统。 前馈控制。所谓前馈控制就是在原来的控制系统上加工指令各阶导数的 控制。采用它能使伺服系统的追踪滞后1 2 ，改善了加工精度。 机床静止摩擦的非线性控制。新型数字伺服系统具有补偿机床驱动系统 静摩擦的非线性控制功能，可改善圆弧切削的圆度。 1 2 3 高可靠性 提高数控机床的可靠性关键是提高数控系统的可靠性。数控系统的硬件， 制成多种功能模块，根据机床效控功能的需要，选取不同的模块。出于现代机 床数控系统的模块化，通用化和标准化，便于组织批量生产，故保证了产品质 景。新型数控系统大量采用大规模或超大规模集成电路，采用专用芯片及混合 式集成电路，提高了集成度，减少了元器件的数量，降低了功耗，提高了可靠 性。 1 2 4 发展动态 岘代数控系统智能化的发展，目i i 主要体现在几方面： 工件自动检测、自动定心； 刀具磨损、破损检测及自动更换备用刀具； 刀具寿命及刀具收存情况管理： 负载监控； 数据管理； 维修管理； 利用反馈控制实时补偿失动量的功能： 根据加工时的热变化，对滚珠丝杠等的伸缩进行实时热变形补偿功能； 另外，机多用，一机多能的数控系统，可以最大限度地提高效控机 床的利用率。加工中心是一种能实现多工序加工的数控机床，配有更换刀具的 机械手和刀具库( 可存放1 6 一l o o 把刀具) ，工件一经装夹，数控系统就能控制 浙江人学侦l 学位论文概述 机床自动地更换刀具、连续地在工件的各个加工表面自动地完成多道工序的加 工，把许多工序，甚至许多不同的工艺过程都集中到一台设备上来完成，从而 可以避免多次装夹所造成的定位误差。 浙江人学顶 一学位论文数。f 衽制投术 第二章数字控制技术 2 1 数字控制技术和模拟控制技术 自2 0 世纪7 0 年代以来，随着大规模集成电路的发展，出现了微型计算机及 单片机微处理器，其运算数度快，可靠性高，价格便宜，被广泛地应用到工业控 制领域中，最常见的就是用微型计算机或微处理机代替自动控制系统中的常规控 制设备，对信号进行处理，而信号的处理实际上就是要构造信号到信号之间的传 递函数，数字控制技术是先将模拟量数字化，再进行数字处理，然后还原成模拟 信号，这样对系统的调节和控制都可以通过编软件在计算机上完成。 传统的电路控制采用的是模拟控制系统，经过多年的研究，模拟控制技术已 经非常成熟。然而，模拟控制系统有着固有的缺点：如需要大量的分立元件和电 路板器件数量多，制造成本高等。模拟元器件的元器件老化问题和不可补偿的 温溅问题，以及易受环境( 如电磁噪声，工作环境温度等) 干扰等因素都会影响 控制系统的长期稳定性。 专用模拟控制集成芯片的使用大大简化了控制系统，能方便的实现些l 乜 路的控制，但其控制环路中的反馈控制网络仍需外接大量的电阻电容等模拟器 件。这蝗j i 器件的误差会直接影响控制环路的性能，而且元器件老化等模拟控制 的缺点依然存在。此外，由于模拟控制系统的功耗比较大，大规模集成比较尉雄 专用模拟控制芯片的集成度一般很难做高。由于采用的是模拟控制方法，因此专 用：卷片的控制仍不够灵活，要实现复杂、先进的控制算法很困难。 对于每一个采用模拟控制的电路装置，其控制系统都需要专门的设计。每 次产品的更新换代，都需要重新设计、制造它们的控制系统。而且目前的模拟 控制手段已经大大落后于控制理论的发展。目前大多数的模拟控制回路，仍采用 传统的p i d 调节，而很少采用现代控制理论提供的方案和算法。对于模拟控制系 统来蜕，监控性能也非常的差，只能通过模拟的测量以及光、声信号来显示、报 警。因此，随着电力电子技术及其控制技术的不断发展，模拟控制的局限性已经 越来越明显。 为了改善电路系统的控制性能，微处理器在电力电子中丌始进行应用。通过 浙江人学f i | ； f ：学位论文数 控制挫术 a d ( 模拟数字) 转换器将微处理器与系统相连，在微处理器中实现数字控制算 法，然后通过i o ( 输入输出) 口或p w m ( 脉宽调制) 口发出开关控制信号。微 处理器还能将采集的功率变换装置工作数据，显示或传送至计算机保存。一些控 制中所用到的参考值可以存储在微处理器的存储器中并对电路进行实时监控。 微处理器的使用在很大程度上提高了电路系统的性能，但由予微处理器的运算速 度的限制，在许多情况下，这种微处理器辅助的电路控制系统仍旧要用到运算放 大器等模拟控制元件。 2 1 1 数字控制器的模拟化设计 在模拟控制系统中，系统的控制器是联系模拟环节，即模拟调节器。而在数 字控制系统中，则用数字控制器来代替模拟调节器。其控制过程是首先通过模拟 量输入通道对被控参量进行采样，并将其转换成数字量，然后计算机按一定控制 算法进行运算处理，运算结果由模拟输出通道输出，并通过执行机构去控制。这 卑- 汁算机执行按某种算法编写的程序，实现被控对象的控制和调节，被称为数字 控制器。下图为一常见的微处理器控制方案： 图2 1 数字控制系统原理图 对于该系统，可以从两个不同的角度来看。一方面，由于被控对象，a d ， 微型计算机，d a 转换装最构成系统的输入和输出都是模拟量，所以，该系统i ，j 以看成是一个连续变化的模拟系统，因面可以用拉氏变换来分析，系统可以化成 翻2 2 的形式。 浙江j 人学碗t 学位论文 数控制技术 t 图2 2 连续系统的控制结构图 其中，g p ( s ) 为被控对象的传递函数，d ( s ) 为校正装置的传递函数。另方 面，由于微型计算机与d a 、被控对象、a d 构成的组合体输入输出都是数字量， 所以这一系统又具有离散系统的特性，因而也可以用z 变换来进行分析，系统司 以化成幽2 ，3 的形式。 2 3 离散系统的控制结构图 其中，微机校正装置的脉冲传递为d ( z ) ，h ( s ) 为零阶保持器的传递函数， h ( s ) 和g p ( s ) 构成了被控对象的传递函数g ( s ) 。 图2 2 和图2 3 提示了数字控制器的两种设计途径。一种是在定的条件h 把计算机控制系统近似地看成模拟系统，用连续系统的理论来进行动态分析和设 计，再将实际结果转变成数字计算机的控制算法，这利，方法称为模拟化的设计方 法。另种是把计算机控制系统经过适当变换，编程纯粹的离散系统，用z 变换 等工具进行分析设计，直接设计出控制算法，该方法称为离散化设计方法。 模拟化的设计方法的基本思路是，当系统的采样频率足够高时，采样系统的 特性接近于连续变化的模拟系统，从而用s 域的方法设计校f 装置d ( s ) ，再使 用s 域到z 域的离散化方法求得离散传递函数d ( z ) 。设计的实质是将一个模拟 调节器离散化，用数字控制器取代模拟调节器。设计的基本步骤是：根据系统已 经有的连续模型，按连续系统理论设计模拟调节器，然后，按照一定的对应关系 将模拟调节器离散化，得到等价的数字控制器，从而确定计算机的控制算法。 由于用经典方法设计连续系统已经被工程技术人员所熟悉，且有一定经验， 浙江人学坝上学位论文数宁挣制技术 因此模拟化设计方法再实际中被广泛采用。 下面介绍一种简单而又能满足要求的离散化方法一差分变换法，模拟调节器 如果用微分方程的形式来表示，其导数可用差分近似。其变换的基本做法是，把 原始的连续校f 装置传递函数d ( s ) 转换成微分方程，再用差分方程近似浚微分 方程。常用的差分近似方法有两种：后向差分和前向差分。为了便于编程，离散 化只采用后向差分法。下面介绍一阶后向差分和二阶后向差分法。 ( 1 ) 一阶后向差分一阶导数采用近似式( 2 1 ) d u ( t ) 。! 盟二! 堡二尘 det ( 2 ) 二阶后向差分二阶导数采用近似式( 2 2 ) d 2 材( # ) 了4 a u ( k ) - a u ( k - 1 ) ：u ( k ) - 2 u ( k - 1 ) + u ( k - 2 ) 2 1 。2 数字p i d 控制算法 目前，大部分的工业过程都采用p i d 控制算法，过去多采用模拟器件来实现， 而现在出于便于调节和便予实现性，数字化p i d 控制器正逐渐代替模拟p i d 控制 器。陔控制器的结构简单，参数易于调整，对于那些模型不精确，参数变化大的 被挎对象，采用p i d 控制器往往能得到满意的控制效果。 p i d 控制器是一种线性控制器。算法蕴涵了动态控制过程中过去，现在和将 来的主要信息，其中，比例( p ) 代表了当前的信息，起校正动态偏差的作j 硝， 使过程反应迅速。微分( d ) 在信号变化时有超自u 控制作用，代表了将来的信息。 在过程j i ：始时强迫过程加速进行，过程结束对减小超调，克服振荡，提高系统的 稳定性，加快系统的过渡过程。积分( i ) 代表了过去积累的信息，它能消除静 差，改簪系统的静态特性。 比例调节即p ，这种按比例动作的调节器对干扰有及时而有利的抑制作用， 但它有一个不可避免的缺点即存在静念误差，一旦被调量的偏差不存在，调节器 输出也是零，即调节器是以偏差的存在作为前提条件的，其不可能做到无静差调 节。要消除静差，最有效的办法是采用积分调节即i ，只要被调量存在偏差，其 输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。但是，单纯积分调节有弱点， 浙江人学坝l ：学位论文数，拄制技术 它动作过于缓慢因而在改善静态准确度的同时，往往使调节的动态品质变坏， 过渡过程时间延长，甚至造成系统不稳定。因此，在系统应用中，总同时使用以 上两种婀节器，即p i 调节器。 另外可根据情况使用微分调节器d ，微分能在偏差信号出现或变化的瞬间， 立即根据变化的趋势产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态，单微 分对静念偏差毫无抑制能力，并且对系统的稳定性也有影响，所以在本系统罩面， 我们不采用微分环节。模拟p i d 控制图如下所示： 一。1 pj d 挎制器； ，旧i p 一区卜剿逆燃h f ； 型； 上图所示系统中p i d 传递函数如下： 等刊1 + 去塌s 】 q 3 式中，k ，是比例增益，一是积分常数，是微分常数。采用后向差分变换 将式( 2 3 ) 离散化，变成脉冲传递函数，如下式所示。 ) 刮】+ 志辱”z “糊 q 4 其中t 为采样周期。上式用差分方程表示为： “。= k 肌+ 争”等( 旷) 】 ( 2 5 ) ，i _ i 上式称为位置式p i d 算法。由于其中包含误差的累加，计算量大。经过简单 的推导，可得增量式p i d 算法： “。= “。一l 十k ，( e k - e k _ i ) + 吾e 。+ 孚( e k - 2 e k _ i + e k _ 2 ) 】 ( 2 6 ) 浙江人学坝f j 学位论义数，控制技术 在本系统中用到的就是增量式p i 算法。 2 1 。3 采样和计算延时对数字控制系统的影响 由于采样和计算延迟等因素的影响，数字p i d 控制直接应用到逆变器控制系 统中，使控制系统相位裕量减小，降低了控制系统稳定性和动态响应性能，本节 将对此进行分析。 解决采样和计算延时对系统的影响最为直接的方法是采用高速模数转换器 和高速微处理器，以减少系统的采样和计算延时。在实际控制系统中，一般都采 用一拍延迟控制，就是把当前时刻采样计算所得的控制信号作为下一时刻的控制 量，在f 一个丌关周期中输出。这样，只要系统的采样和计算延时小于一个丌关 周划，那么系统的占空比利用率和输入直流电压利用率都可以达到1 0 0 ，直流 l 巳压f l , o 不 j 用率最高。这种方法不需要任何的硬件丌支，控制电路简单，成本低， 在一般的数字控制逆变器系统中广泛采用。但是，控制量一拍的延时，相当j 二在 控制器和系统之间串入了一个纯延时环节，如下图所示。 图2 5 一拍延时对控制系统的影响 这样，稿：很大程度上减少了系统的稳定裕度，降低了系统的可靠性。为了佼系统 继续保持稳定，原系统设计时必须留有很大的稳定裕量，必然使得系统的稳态和 动态性能指标有所下降。 2 2 数字控制处理器( d s p ) 为满足本系统所要求的精度和速度，除了数字控制算法和外围线路的设计之 外，系统选用t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 x ”1 系列d s p 芯片作为数字处理器，除了和微 控制器一样的优点，该数字处理器同时具有更快的速度，有能力实现高密度计算 控制算法，这样就可以降低系统的成本。芯片的高速运算能力归功于哈佛结构的 浙江人学伽! i ? 学位论义 数，拧制拉术 双总线。和单周期的乘加指令。一条总线用于数据，另一条用于程序指令。这将 大大减少时间，因为每一条总线可以同时使用。以前d s p 的昂贵价格是它的主要 缺点，但是随着数字信号处理芯片工业的发展高性能，低价格的芯片不断出现。 人们完全可以使用d s p 芯片代替传统的模拟控制方法。 基于d s p 的控制有以下一些优点： 通过快速傅立叶变换( f f t ) 可以实现故障的诊断。通过获得系统变量的频谱， 故障可以在早期被发现。 可以利用d s p 芯片的高处理能力实现d s p 控制器可以实现实时的，传统的模 拟方法不能实现的一些复杂控制算法，如模糊控制，滑模控制，自适应控制 等。这样能大大提高系统的性能。 减少了所需的查表的数量，这就减少了对内存的需求。 系统采用软件控制，容易实现系统的升级，智能化程度也能提高。 不易受元器件老化和温飘的影响。 易实现系统的单芯片控制，减少器件数量增加抗干扰能力。 商性能的控制算法可以减少纹波，同时减小滤波器的尺寸。 数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 4 x 系列的产品是美国德州仪器( t i ) 公 司为应用于数字电机控制( d m c ) 而设计生产的。由于它集成的外设电路如a i d 转换，p w m 发生器等，再加上高速的运算特性，使t m s 3 2 0 f 2 4 x 也非常适合应 用于机床数控系统的控制。这里主要讨论其在这方面的应用。 c 2 4 x 系列d s p 控制器的设计是为了满足控制应用的需要。c 2 4 x 系列的d s p 控制器不仅集成了高性能的d s p 内核，还集成了一些片内外设，在设计+ 控制系统 时达到单片解决方案。这个优点使其f 在逐步取代传统的微控制器和昂贵的多片 设计。每秒2 0 0 0 万条指令( 2 0 m i p s ) 的执行速度。c 2 4 x 系列的d s p 控制器可以 得到比传统的1 6 位微处理器或微控制器更好的性能。 c 2 4 x 的1 6 位定点d s p 内核。使其在用数字方法实现模拟设计时不会牺牲系 统的精确度和性能。相反，通过使用先进的控制算法，如自适应控制、卡尔曼滤 波、状念控制等，还能进一步提高系统的性能。c 2 4 x 系列d s p 控制器还能提高 1 1 浙江人学顺i 学位论文 数宁拧制拙术 系统的可靠性以及可编程性。而模拟控制系统正好相反，采用固定电路的解决方 案，还会因为元器件的老化，参数的偏差，漂移而造成系统性能的降低。 商速的中央处理单元( c p u ) 可以实时的实现处理算法而不必采用查表的方 法而只得到近似的结果。c 2 4 x 的指令集”1 中还加入了信号处理指令和普通的控制 功能指令。此外，t i 公司还为c 2 4 x 系列的开发使用提供了广泛的技术支持，使 其与传统的8 位，1 6 位微控制器一样容易，并能缩短开发时间。c 2 4 x 的指令集 还向下兼容其他t m s 3 2 0 定点d s p 芯片的指令，使得其很容易移植其他定点d s ， 芯片的程序。这旱再简单的介绍一下t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列芯片的特点： 1 1 m s 3 2 0 f 2 4 0 是c 2 4 0 系列d s p 控制器的第一代产品。它为单片数字电机控 制器制定了标准。c 2 4 0 执行速度达2 0 m i p s ，几乎所有的指令都可以在5 0 n s 的 肾周期内完成。如此高的性能可以对非常复杂的控制算法进行实时运算，如自适 应控制利f 尔曼滤波等。此外，还可支持非常高的采样率，以减小循环延时。 c 2 4 0 具有用于高速信号处理和数字控制功能所必需的结构特点，同时还具 有单片电机控制应用方案所需的外设功能。c 2 4 0 采用亚微米c m o s 制造工艺， 使功耗极低；此外，还具有几种迸一步降低功率的省电方式。 c 2 4 0 的主要应用包括： 工业电机驱动 功率转换器和控制器 汽车系统，如电子动力转向装置、刹车和温度控制 仪表和h a v c 压缩机电机控制 打印机，复印机的及其它办公产品 磁带驱动、磁光驱动和其它大容量存储产品 机器人和计算机数字控制( c n c ) 铣床机械 作为系统管理器，d s p 必须具备强大的片内i 0 和其它外设功能。c 2 4 0 片 内的事件管理器与其它任何一种d s p 都不同。面向应用优化的外设单元和高性能 i ) s p 内核的结合，可以为所有的电机类型提供高速、高效和全变速的先进控制技 术。在该事件管理器中包括特殊的p 1 v m 产生功能。特殊的附加功能包括可编程的 死区功能和空问矢量p w m 状态机，后者可为三相电机在功率晶体管丌关机制中提 供了迄今为止最高的功效。三个独立的向上下计数器，每一个都有属于它自己 浙江人学倾二i ：学位论文 数一控制技术 的比较寄存器，可以支持产生菲对称的和对称p w m 波形。四路捕获输入中的两路 可以直接连至光电编码器的正交编码脉冲信号。 d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 的很多特点拇聪本身就是专门为电枫控制丽设计的，也 非常适合本论文所研究的机床数控系统的开发应用”1 。如它有1 2 个p w m 输出， 其中有九个p w m 输出是独立的，可以用来对机床交流饲服电枧的脉冲频率和数量 进行控制、对变频电机的直流有效输入进行控制( p w m ) ，进而对各个功率模块分 别进行驱动，捕获输入中的两路直接连至主轴光电编码器的正交编码脉冲信号， 对转速反馈进行捕获，实现闭环控制。其它的数字i o 口进行机床其它丌关量的 控制，实现本系统的实时监控。 本文要讨论的就是利用t m s 3 2 0 f 2 4 x 芯片的强大功能，结合目前国内机床行 业的数控化的发展势头，进行智能化机床数控系统的研发。 浙江人学硕j ：学位论文系统的结构 第三章系统的结构 3 1 研究的内容与目标 智能化嵌入式新一代机床的嵌入式系统由数控装置与伺服机构组成，前者 决定系统的控制功能。后者决定数控系统的性能指标。 本文讲述的基于d s p 的智能化机床数控系统是针对我国机床行业的现 状和对数控机床的广泛需求，而进行研制的通用普及型控制系统，即可用于普 通机床的数控改造，又可用于主机厂配套构成数控机床产品。整个系统需要完 成以下的功能和指标，也就是智能化机床数控系统的研制开发内容： x 轴和z 轴的联动，使刀具完成直线、圆弧线及其组合的运动； 主轴的无级调速，配合x 轴或z 轴的联动运行： 自动刀架完成多工位的自动换刀，配合x 轴或z 轴的联动： 方便易操作的工序编程环境开发； 系统运行的可靠性和稳定性研究。 要完成智能化机床数控系统的研制开发，技术的关键是各类联动的高可靠 性、高精度的实现问题。在完成基本功能的前提下，这两个问题的解决也是本 课题研究的目标所在。所期望的成果就是在理论上解决高精度的算法并加以实 现，且在实际中制作出智能化机床数控系统的产品样本，晟终能达到产业化。 3 2 智能化数控系统的硬件结构 该控制系统硬件电路采用8 0 5 1 和d s p 双c p u 控制，其中8 0 5 1 单片机主要控 制各种信号的输入和信息的显示，而d s p 数字信号处理器控制电机的各种运动。 这两部分的工作相对独立，它们之间仅仅存在一些数据交换。 3 2 1 系统方案 该控制系统采用双c p u 控制，其中8 0 5 1 单片机主要控制各种信号的输入和 信息的显示。单片机选用w 7 8 e 5 8 ，它除了m c s 5 1 系列单片的通用功能外，自身 带有3 2 k 字节的e e p r o m ，这样可以省掉一些外部存储器的扩展。出它来控制号 浙江人学硕i ：学位论文 系统的结构 用的l c d 显示控制芯片和键盘控制芯片。 而d s p 数字信号处理器控制电机的各种运动，完成主轴、托板两轴和其它 辅助器件的控制。 整个机床的控制系统框图见图3 1 。 3 2 2i 作电源 图3 1 智能化数控系统电气原理框图 本数控系统的工作电源电压是直流+ 5 7 ，外围信号传感器和继电器的工作电 压是+ 2 4 v 。选用个有直流+ 5 v 和+ 2 4 v 两路输出的丌关电源，交流市电2 2 0 v a c 经低通滤波器和共模电感器为开关电源供电。其中，+ 5 v d c 为m c u 及其外围电 路的电源，l c d 显示屏的偏置一3 0 v d c 也由+ 5 v d c 产生；而+ 2 4 v d c 给机床外围器 件( 如检测信号、继电器等) 提供电源，其与+ 5 v d c 供电的控制系统之j 的信 号有光电隔离，两路电源的零线单点连接，确保控制单元的信号稳定。 电机驱动器的电源由另一路2 2 0 v a c 提供实现控制回路和功率回路电源分 丌，避免相互干扰。 浙江凡学颂l ：学位论文系统的靠构 3 2 3 人机界面控制单元 该单元采用性价比很高的8 0 c 5 1 单片机( m c u ) ，并行扩展存储器单元：用串 行方式( b c 7 2 8 1 1 6 位l e d 数码管显示及6 4 键键盘控制芯片) 扩展键盘控制接口单 元( 参数的设置、加工程序的编制、运行指令的输入等) 与信息显示( 按键工作状 况指示灯) ；采用并行方式扩展l c d 显示接口单元( s e d l 3 3 5 图形点阵l c d 模块控制 板) ，可以方便地实现系统不同工作方式下( 编辑、手动、自动、参数、刀偏、 诊断) 的信息提示，实现人机对话，以及零件加工程序的保存与输出；采用并行 双口r a m ( c y 7 c 1 3 2 ) 与d s p 控制单元进行通讯；m c u 的其它i o n 作输入输出用。 3 2 4 运动控制单元 d s p 数字信号处理器是该控制系统的核心，完成机床主轴转速的闭环控制， 托板两轴的单动和联动，自动刀架的自动换刀以及其它控制信号的输入输出。 d s p 接收来自8 0 5 1 单片机的信号( 与8 0 5 1 的通讯) ，解释及输出控制程序给驱 动器：控制托板两轴x 轴和z 轴的加速、匀速( 慢速和快速) 和减速运动， 各有减速信号、零位信号和超位信号：控制两轴的联动，实现快速定位、直 线插补和圆弧插补等，完成零件的各种加工；控制回转刀架的自动换刀( 配 合轴向的运动) ，采集刀架信号盘信号，配合完成多道工序的自动衔接：控制 j _ 舛m 电机的变频无级调速，采集主轴上的旋转光栅编码器反馈信号。采用全闭 环控制，实现平稳启停和转速控制，可完成恒定线速度切削加工；把所需信 息反馈给8 0 c 5 1 单片机进行显示等。 3 2 5 电机驱动单元 托板x 轴和z 轴的电机是交流永磁同步伺服电机，其驱动器是与之相配套 的高精度全数字式交流伺服驱动器。驱动器本身对电机的反馈信号进行处理， 半闭环控制；数控系统提供驱动器所需的控制信号，经光电隔离后，输出给驱 动器放大处理后驱动电机运转。 数控系统与交流伺服电机驱动器之间交换的控制信号有： 使能信号s n ，该信号允许驱动器启动； 浙江大学i i | j l 学位论文 系统的结构 伺服准备好信号s _ r d y ，该信号报告驱动器工作正常，已经就绪： 伺服报警信号s - a l m ，该信号报告驱动器不能正常工作： 脉冲方向指令信号s i g n ，该信号决定电机的正转、反转； 脉冲列指令p u l s ，有效的脉冲频率决定电机的转速，有效的脉冲个数 决定电机转动的角度。 主轴电机是交流变频调速电机，其驱动器为是与之相配套的变频调速控制 器数控系统提供驱动器所需的控制信号，经光电隔离后，输出给驱动器放大 处理后驱动电机运转。 数控系统与交流变频调速器之间交换的控制信号有： 正转信号f c p ，该信号允许驱动器启动电机正转； 反转信号f c n ，该信号允许驱动器启动电机反转； 制动信号b r a k e ，该信号禁止驱动器输出； 凋速信号s v c ，该信号有效值( o i o v b c ) 大小决定电机的转速。 另外，主轴上装有旋转光栅编码器进行实时反馈，反馈信号由d s p 进行处 理控制，及时调整变频调速器的速度信号输入电压s v c 的大小，实现全闭明：。 3 2 6 其它控制 数控机床上还有许多的传感器信号，例如自动刀架的刀位检测信号，托板 两轴的减速、超位和零位信号等，这些信号经光电隔离，输入给c p u 进行处理， 达到控制的目的。 另外，还有一些丌关量信号的输出，例如自动刀架电机的f 反转控制，润 滑油泵和冷却水泵的启停控制等，c p u 输出的这些信号经光电隔离，控制电机 的运行，自动完成机床的加工功能。 3 3 系统的软件结构 控制系统的硬件电路采用8 0 5 1 和d s p 双c p u 控制，其中8 0 5 1 单片机主要 控制各种信号的输入和信息的显示，而d s p 数字信号处理器控制电机的各种运 动。这就决定了两部分的各自的软件结构。 浙江大学硕士学位论文 系统的结构 3 3 18 0 5 1 单片机的软件结构 图3 2 所示为8 0 5 1 单片机约主程序流程图。 图3 28 0 5 1 主程序流程图 8 0 5 1 单片杌作为各种信号的输入和信息的显示控制用c p u ，需要对6 4 个按 键进行定义，作用是参数的设置、加工程序的编制、运行指令的输入等；在l 。c d 显示器上可以方便地实现系统不同工作方式下的信息提示，实现入枫对话。 首先，程序对l c d 液晶显示进行初始化显示欢迎界面，停顿数秒或此时有 键入任何按键，进入主菜单。然后，等待有效按键键入，按照l c d 液晶显示界 面所处的位子和按键状况，进入相应的子程序进行处理。这部分的程序结构相 对独立，但程序编制内容比较繁多。 浙江大学硕士学位论文 系统的结构 3 3 2d s p 数字信号处理器的软件结构 d s p 数字信号处理器接受来自8 0 5 1 单片的指令，控制各个电机的各种运动 实现对机械零件的各种n i 。图3 3 所示为d s p 的主程序流程图。 图3 3d s p 主程序流程图 首先，程序对一些寄存器进行设置，并且初始化所有的变量。然后使能所 需的中断，启动定时器。开始执行与8 0 5 1 通讯功能，读双口r a m 信息，根据 上面传达的信息，进入相应的处理子程序。 主程序中的转相应子程序是一个很笼统的说法，下面以一个例子来说明， 并以此引出一些中断程序的结构。 子程序实例： 快速定位( g 0 0 ) 子程序：x z 轴按各自的最高速度及加速度同时独立运行，互 不影响。 浙江人学俐l ：学位论立 系统的结构 图3 4 所示为快速定位子程序流程图。 数据保存 图3 4 直线插补子程序流程图 在设定完成控制x 轴和z 轴电机的脉冲频率和脉冲数量后，同时开启t l 和t 2 定时器及其允许中断；在相应的中断处理程序中完成脉冲数量的计数，判 断是否需要减速；并计数器达到设定的脉冲数量时，程序控制停止x 轴和z 轴 电机的运行，该子程序的执行结束。 浙江人学倾1 ：学位论文 系统的结构 事件管理器中断组a ( i n t 2 ) 的程序流程图见图3 5 。 图3 5i n t 2 的程序流程图 事件管理器中断组a 中，只设置有一个中断即全比较单元i 比较中断。浚 中断服务子程序用于计数x 轴脉冲的数量( 对给定的脉冲数量减1 操作) ，并判 断数量是否为零：不为零，继续：为零则停止x 轴的运行( 停止c m p i 脉冲输出 且关闭使能控制口p c 3 ) 。全比较单元1 比较中断的程序流程图见图3 6 。 图3 5 全比较中断c m p i i n t 的程序流程图 浙江火学硕士学位论文 系统的结构 事件管理器中断组b ( i n t 3 ) 的程序流程图见图3 6 。 i n t 3 关中断 工 现场保护 ) t 3 c i n t ? t 2 p i n t ? 、 圭盟 陷阱 、，i 通用定时器3 比较 + | 中断服务子程序， l 恢复现场并返同 y 通用定时器2 周期 中断服务子程序， 恢复现场井返回 图3 6i n t 3 的程序流程图 事件管理器中断组b 中，只设簧有两个中断即通用定时器3 比较中断和通 用定时器2 周期中断，后者中断级别较高。 通用定时器3 比较中断服务子程序用于计数z 轴脉冲的数量( 对给定的脉 冲数量减1 操作) ，并判断数量是否为零：不为零。继续：为零则停止x 轴的运 行( 停止t 3 c m p 脉冲输出且关闭使能控制口p c 7 ) 。通用定时器3 比较中断的程 序流程图与全比较单元1 比较中断的程序流程图类似，这里不在给出。 通用定时器2 周期中断( t 2 p i n t ) 用于读耿一个t 2 周期主轴旋转编码器反 馈的脉冲个数。该值与设定值比较，进行有效调整p w m 3 的脉宽，以获得对主轴 转动速度的校整。通用定时器2 周期中断的程序流程图见图3 7 。 这早需要指出的是：p w m 3 c m p 3 是全比较单元2 的一路输出，它和上面讲 述的全比较单元1 同为t 1 时基，好在p w m 3 的输出是用来控制主轴变频电机输 入的有效值的，对频率没有特别要求。因此，我们通过改变比较器c m p r 2 的值 来改变输出引脚p w m 3 c m p 3 的脉冲占空比( p 删) ，而不影响p _ | v m l c m p l 引脚输 出脉冲的周期。 d s p 数字信号处理器的对电机控制的软件部分内容很多，这早仅仅列举其 中的一小部分加以阐述。 浙江大学硕士学位论文 系统的结构 图3 7 通用定时器2 周期中断的程序流程图 一2 3 - c o u n t 浙江人学坝：学位论文 运动控制单几 4 1 整体叙述 第四章运动控制单元 运动控制单元主要是由d s p 控制完成的，所以这一章也主要是讲d s p 在系统 中的应用。d s p 数字信号处理器是该控制系统的核心，它接收来自8 0 5 1 单片机 的指令，完成机床主轴转速的闭环控制，托板两轴的单动和联动，自动刀架的自 动换刀以及其它控制信号的输入输出。 如今的低价高性能d s p 控制器，如德州仪器公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，为机床控 制系统的设计提供了高效的方案。f 2 4 0 有集成的外设尤其为控制用的。这蝗包 括：模拟数字转换器，p w m 输出，定时器，保护电路，捕捉电路，以及其他功能。 芯片的高速运算速度和集成的电力电予外围设备使得机床控制系统的完全数字 控制成为可能。f 2 4 0 的许多指令包括乘法和累加都是单周期指令，因而系统的 多环算法可以高速地实现，可以得到要求的高速采样和很好的动态响应。这样使 得机床控制系统的多轴控制可以由一块芯片完成。 使用f 2 4 0 芯片得到很高集成度，有低廉的成本。数字控制还有可编程，抗 干扰强，和避免为每个控制器提供电压电流传感器件等优点。系统需要很少的器 件，因而减少了丌发时间，并且变得更加可靠，体积更小。机床控制系统的控制 是由软件来完成的，比由硬件完成有更大的优势。高速运算指令能够实现更加复 杂的算法。d s p 的可编程性使得系统升级更加容易。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片具有很多适合进行机床控制系统设计的性能，包括： t m s 3 2 0 f 2 4 x 的c p u 核心为5 0 n s 指令周期。 有锁相环( p l l ) ，看门狗定时器，串行通讯接e l 模块( s c i ) ，串行外设接口模 块( s p i ) 和2 8 个复用i o 脚。 1 2 个比较p w m 输出