（机械电子工程专业论文）pci运动控制卡位控系统的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 位置控制作为机床运动控制系统的重要组成部分 其性能直接影响到整个数控机床的使用 效果 研究高性能的位置控制算法具有非常重要的实用价值 本文基于自行研制的p c 运动控制卡结构的数控实验平台 对p c i 运动控制卡d s p 模块进 行了软件开发 重点研究了p c i 运动控制卡的两种常用位置控制模式即数字输出模式和模拟输 出模式的控制算法与性能分析 主要工作和成果如下 1 在d s p b i o s 操作系统下对p c i 运动控制卡的d s p 软件进行了开发调试 2 分析了数字输出位控系统中运动平稳性的制约因素 提出了独立轴变周期插补算法 使各运动轴能依据各自进给量的量化结果独立地改变自身的插补周期 解决了由于各轴位移量 化误差引起的速度波动和插补余量等问题 显著改善了运动平稳性 并得到加工实验验证 3 针对常用的伺服系统建立了简化模型 研究了常规p i d 控制 前馈p i d 控制 模糊 自适应p i d 控制和单神经元p i d 控制算法 进行了s i m u l i n k 仿真分析 并基于数控实验平 台对控制算法进行了工程实现 参数整定和性能对比分析 论文提出的独立轴变周期插补算法 研究的多种p l y 复合算法及其工程实现与参数整定方 法对工程实际应用具有参考价值 关键词 运动控制 独立轴插补 p i d 控制 前馈p i d 控制 模糊控制 神经网络控制 p c i 运动控制卡位控系统的研究 a b s t r a c t p o s i t i o nc o n t r o l l e r 豁o n eo ft h em o s ti m p o r t a n te l e m e n t so fm o t i o ne o n t r o ls y s t e m s h a sd i r e c t l y i n f l u e n c eo i lt h em a c h i n i n ga b i l i t yo ft h em a c h i n et o o l s i ti so fg r e a tp r a c t i c a lv a l u et or e s e a i 曲h i g h p e r f o r m a n c ea l g o r i t h mf o rp o s i t i o nc o n t r o l l e r s i nt h et h e s i s a ne x p e r i m e n t a lc n cp l a t f o r mw a se s t a b l i s h e dw i t ht h es t r u c t u r eo fp c r s o n a l c o m p u t e ra n do w n d e v e l o p e dm o t i o nc o n t r o l l e r a n dt h es o r w a r eo ft h em o t i o nc o n t r o l l e rw a s d e v e l o p e dw h i c hw a sb a s e do nd s pa n dp c ib u s t h er e s e a r c hw a sm a i n l yf o c u s e do nt h ec o n t r o l a l g o r i t h m sa n dt h e i rp e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o rt h et w oc o m m o np o s i t i o nc o n t r o lm o d e s t h a ti s p u l s e o u t p u tm o d ea n da n a l o go u t p u tm o d e t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dr e s u l t sw e r ed e s c r i b e di nt h e f o u o w i n g 1 t h es o f t w a r eo f d s pm o d u l ew a sd e v e l o p e da n dd e b u g g e du n d e rt h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m d s p b i o sf o rt h em o t i o nc o n t r o l l e r 2 b ya n a l y z i l i gt h er e s t r i c t i n gf a c t o r so fm o t i o ns m o o t h n e s so ft h ep o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mw i t h p u l s eo u t p u tm o d e av a r i a b l ep e r i o ds e p a r a t e a x i si n t e r p o l a t o rw a sp r o p o s e dw h i c hc a ns e p a r a t e l y a d j u s tt h ei n t e r p o l a t i o np e r i o do fe a c ha x i su p o ni t sq u a n t i z e dd i s p l a c e m e n t a n dt h u s t h et r o u b l e s s u c ha sv e l o c i t yv i b r a t i o na n di n t e r p o l a t i o ns p a r ec a nb es o l v e d s i m u l a t i o na n dm a c h i n i n gr e s u l t s w e r eg i v e na n ds h o w e dt h a tt h ep r o p o s e di n t e r p o l a t o rc a l le v i d e n t l yi m p r o v em o t i o ns m o o t h n e s s 3 f o rt h ep o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mo fa n a l o go u t p u tm o d e as i m p l i f i e dm o d e lo fs e r v os y s t e m sw a s g i v e n t h ec o n t r o la l g o r i t h m ss u c ha sp i d f e e d f o r w a r dp i d s e l f t u n i n gf u z z yp i da n ds i n g l en e u r o n p i dw e t es i m u l a t e da n da n a l y z e d b a s e d0 nt h ee x p e r i m e n t a lc n cp l a t f o r m t h ee n g i n e e r i n g r e a l i z a t i o n t h ep a r a m e t e r sc a l i b r a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o na n da n a l y s i sw 骶g i v e nf o r t h ea b o v ec o n t r o la l g o r i t h m s i nt h i st h e s i s t h ep r o p o s e ds e p a r a t e d a x i si n t e r p o l a t o rw i t hv a r i a b l ep e r i o d a n dt h ee n g i n e e r i n g r e a l i z a t i o na n dp a r a m e t e r sc a l i b r a t i o nm e t h o d so ft h ep i dc o n t r o la l g o r i t h m sa l ev a l u a b l et o e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s m o t i o nc o n t r o l s e p a r a t e a x i si n t e r p o l a t o r p i dc o n t r o l l e r f e e d f o r w a r dp i dc o n t r o l l e r f u z z yc o n t r o l l e r n e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e r 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图2 1 系统结构框图 7 图2 2d s p b i o s 配置文件 1 1 图2 3 线程优先级 1 2 图2 4d s p b i o s 线程管理图 14 图2 5 驱动向导设备列表界面 15 图2 6p c i 设备资源列表界面 1 6 图2 7 典型a p i 函数及调用顺序 1 6 图3 1 脉冲进给系统结构图 1 8 图3 2 固定插补周期下单轴运动速度仿真图 2 0 图3 3 独立轴变周期插补结构图 2 0 图3 4 时间位移重分配模块结构图 2 1 图3 5 不同插补算法速度仿真图对比 2 2 图3 6 伺服控制方框图 2 2 图3 7 配置软件界面 2 3 图3 8 伺服参数设置界面 2 3 图3 9k p 1 0 的阶跃响应曲线 2 4 图3 1 0k p 4 0 的阶跃响应曲线 2 4 图3 1 l 多次调节后的阶跃响应曲线 2 5 图3 1 2 位置环前馈增益为零时的跟随曲线 2 6 图3 1 3 位置环前馈增益为1 0 0 时的跟随曲线 2 6 图4 1 伺服驱动器及电机系统结构图 2 8 图4 2 速度响应图 2 9 图4 3p i d 控制系统原理图 3 0 图4 4 有无p i d 控制系统单位阶跃响应对比图 一3 3 图4 5 反馈 前馈控制系统结构框图 3 4 图4 6 前馈 p i d 控制系统结构图 3 5 图4 7p i d 控制正弦信号响应仿真 3 5 图4 8 前馈 p i d 控制正弦信号响应仿真 3 6 图4 9 模糊控制系统原理框图 3 7 图4 1 0 模糊p i d 控制系统结构 3 9 图4 1 l 一般控制对象输出阶跃响应 4 0 图4 1 2 各个变量的隶属度函数图 4 l 图4 13 模糊自适应p i d 控制仿真模型 4 3 图4 14 模糊p i d 控制器 4 3 图4 1 5 模糊自适应p i d 控制阶跃响应 4 4 图4 1 6 增益发生变化时的阶跃响应 4 4 图4 17 神经元结构模型 4 6 p c i 运动控制卡位控系统的研究 图4 1 8 神经网络反馈系统控制结构图 4 7 图4 1 9 单神经元p i d 控制系统结构 4 8 图4 2 0 状态转化器的仿真图 4 9 图4 2 1 神经元自适应p i d 控制器仿真的结构图 5 0 图4 2 2 神经元自适应p i d 控制阶跃响应 5 0 图4 2 3 常规p i d 与神经元自适应p i d 控制阶跃响应的比较 5 1 图4 2 4 模型参数变化时阶跃响应对比 5 2 图4 2 5 参数重新自整定后的阶跃响应对比 5 3 图5 1s k d x 5 0 6 0 a 数控雕铣机 5 5 图5 2p c i 运动控制卡和机床接线图 5 6 图5 3 实验系统人机界面图 5 7 图5 4 加工实物图 5 7 图5 5 粗糙度测量图 5 7 图5 6 实物加工局部放大图 5 7 图5 7p d 控制置 o 0 2 的阶跃响应 5 8 图5 8p i d 控制k o 0 1 2 k o 0 0 0 1 的阶跃响应 5 9 图5 9k o 0 1 k 0 0 0 0 3 8 局 0 0 0 0 8 的阶跃响应 5 9 图5 1 0 未加入前馈时的抛物线响应曲线 6 0 图5 1l 加入前馈后的抛物线响应曲线 6 0 图5 1 2 模糊控制器的隶属函数 6 l 图5 1 3k 0 0 4 k o 4 k 0 0 0 5 的阶跃响应 6 3 图5 1 4k 0 0 7 k o 7 e 0 0 0 6 5 的阶跃响应 6 3 图5 1 5 不同神经元比例增益e 下的阶跃响应 6 4 图5 1 6 不同积分权益初始值w 下的阶跃响应 6 4 图5 18 负载不同时阶跃响应对比 6 6 表2 1 基于d s p b i o s 模块实现d s p 软件功能的描述 1 3 表4 1 模糊控制器设计表 4 1 表4 2 模糊自适应控制规则表 k p 4 2 表4 3 模糊自适应控制规则表 飚 4 2 表4 4 模糊自适应控制规则表 k d 4 2 表5 1 负载变化前后响应性能分析 6 6 承诺书 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 独立进 行研究工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容 对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体 均已在文中以明确方式标 明 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件 允许 论文被查阅和借阅 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 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的学位论文在解密后适用本承诺书 作者签名 么军妞 日期 坐翌2 箩 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 制造业是提供生产工具 生活资料 科技手段 国防装备等的手段以及它们进步的依托 是现代化的动力源之 1 1 1 数控技术是制造自动化的关键基础 是现代制造业的灵魂核心 其 水平的高低和装备拥有量的多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志 2 目前 虽然大力发 展装备制造业已经成为共识 但国内绝大多数重要机械制造装备的数字化控制系统却不是中国 制造的 数控机床作为高精度 高效率 高速度的加工设备 正受到越来越多的机床制造业和 科研机构的关注 并成为人们研究开发的热点 位置控制是机床运动控制系统的重要组成部分 用于精确控制运动部件的坐标位置 实现 快速而准确的运动 3 因此 位置控制系统控制策略的研究一直是运动控制领域研究的重点 1 1 数控系统的发展与现状 1 9 5 2 年美国麻省理工学院为解决复杂零件的自动加工化加工问题 研制出世界上第一台基 于电子管和继电器的机床数控装置 并成功用于三轴立式铣床的控制 它标志着第一代数控系 统的诞生 由此拉开了数控技术发展的序幕 数控系统由当初的电子管式起步 大致经历了以 下几个发展阶段 硬件数控阶段 计算机数控系统阶段 p c 数控系统阶段 4 5 1 1 1 硬件数控阶段 早期计算机运算速度低 完全不能适应数控机床实时控制的要求 人们不得不采用数字逻 辑电路 搭 成一台机床专用计算机作为机床的数控系统 此数控系统被称为硬件连接数控 简称为数控烈c 随着元器件的发展 硬件数控阶段历经了三代 即1 9 5 2 年采用电子管 继 电器和模拟电路构成第一代数控系统 1 9 5 6 利用小体积 小重量的晶体管取代电子管构成第二 代数控系统 1 9 6 5 年随着小规模集成电路诞生产生了第三代数控系统 第三代数控系统较前面 两代系统而言 其体积最小 功耗最低 可靠性最高 硬件数控阶段的控制功能完全通过硬件逻辑来实现 所以功能简单 灵活性差 系统可靠 性难以进一步提高 制约了数控系统的进一步发展 1 1 2 计算机数控系统阶段 1 9 7 0 年 通用小型计算机业已出现并成批生产 其运算速度比五 六十年代有了大幅度的 提高 这比硬件连接数控成本低 可靠性高 于是将它移植过来作为数控系统的核心部件 从 此进入了计算机数控 c n c 阶段 同年在美国芝加哥数控展览会上 首次展出了以小型计算机 为核心的计算机数控系统 标志着数控系统进入了以计算机为主体的第四代 至此 数控系统 p c i 运动控制卡位控系统的研究 进入了 软联接 数控时代 1 9 7 1 年美国英特尔公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的 部件 运算器和控制器 采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上 此芯片称之为微处器 1 9 7 4 年微处理器被应用于数控系统 象征着数控系统进入了第五代 由于微处理器是通用计算 机的核心部件 故仍称为计算机数控 数控系统发展至 了第五代以后 才从根本上解决了可靠 性低 价格极为昂贵 应用很不方便等极为关键的问题 使数控系统达到了普及的程度 1 1 3p c 数控系统阶段 到了2 0 世纪8 0 年代 微处理器完成了从1 6 位到3 2 位的过渡 通用化的个人计算机 p c p e r s o n a lc o m p u t e r 得到了迅速发展 开始在全世界范围内普及应用 由此催生了第六代数 控系统 p c 数控系统的诞生 p c 数控是自数控技术诞生以来最具深远意义的一次飞跃 在 二十多年的发展过程中 p c 的硬件和软件平台已经形成了全世界广泛认同的规范和标准 p c 硬件平台的标准化和互易性非常有利于数控系统的开发 使用和维修 而且为以p c 为基础的 数控系统的标准化 模块化和开放性奠定了硬件基础 由于p c 数控系统生产厂家可以站在最 新p c 硬件基础上来完成数控系统的开发工作 因此很容易获得高性能的硬件基础 再加上p c 的通用平台可以配上各种成熟的优秀操作系统 因而能使硬件的性能得到最大限度的发挥 此 外 在p c 平台上开发的数控系统可以吸收计算机领域的许多最新成果 这不仅使p c 数控系统 容易获得高性能 而且能持续保持技术优势 p c 的引入 不仅为c n c 提供十分坚实的硬件资 源和极其丰富的软件资源 更为c n c 的开放化提供了基础 叼 p c 数控已在全世界范围内得到 广泛的应用 p c 数控是实现我国目前制造装备业发展的有效选择 面对p c 数控潮流 准确把握其发展 趋势 对于促进我国在数控领域实现跨越式发展 增强我国数控产品在国际市场上的竞争能力 具有重大意义m 1 2p c 数控体系结构 经过近二十年的发展 基于p c 的通用计算机数控系统已经发展成多种类型 从体系结构 上看可以分为以下几类 8 1 1 p c 连接n c 型 利用通用的串行线将现有的n c 系统与p c 相连 该系统实现简单 几乎可以不加修改地 进行利用 也可以使用通用的软件 但原有的n c 系统不能实现开放化 并且系统的通信和响 应较慢 2 p c 嵌入n c 型 该类型系统是将p c 装入到n c 内部 p c 与n c 之间用专用的总线连接 系统数据传输快 响应迅速 同时 原型n c 系统也可不加修改就得以利用 缺点是不能直接利用通用p c 开放 2 南京航空航天大学硕士学位论文 性受到限制 通用p c 强大的功能和丰富的软硬件资源不能得到有效的利用 这种数控系统尽 管具有一定的开放性 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 3 n c 嵌入p c 型 该类型系统是在通用p c 的扩展槽中装入专用c n c 卡组成 由p c 实现人机接口 通信接 口和管理诊断等非实时性的任务以及译码解释等实时性要求不高的任务 而由运动控制板 智 能接口板等来完成伺服控制 信号采集等实时性要求较高的任务 它能充分保证系统的性能 软件通用性强 并且编程处理灵活 4 全软件c n c 型 该类型系统是指c n c 的全部功能均由p c 实现 并通过装在p c 机上扩展槽的伺服接口卡 对伺服驱动等进行控制 其软件的通用性好 编程处理灵活 这种c n c 装置的主体是p c 机 充分利用p c 机不断提高的计算速度 不断扩大的存储量和性能不断优化的操作系统 实现机 床控制中的运动轨迹控制和开关量的逻辑控制 尽管软件n c 的开放性最彻底 硬件成本最经 济 但软件开发复杂 w i n d o w s 本身用于实时控制的局限性 p c 要完全取代c n c 目前还有 不少课题有待研究 目前 基于p c 和运动控制器的系统是比较容易实现n c 开放化的途径 9 运动控制器在系 统中起到将p c 机与伺服驱动部分连接的作用 因此只要有工业p c 机 再配上运动控制器 与 伺服驱动部分连接起来 在硬件上就构成了一个完整的数控系统 使用者可以根据运动控制器 提供的驱动程序 进行二次开发 从而满足用户的各种特殊需求 1 3 数控系统中的位置控制 数控机床是当今机械加工中必不可少的重要设备 随着科学技术的日益发展 人们对机床 加工速度的要求越来越快 对加工精度的要求也越来越高 在进给速度不断提高的过程中 提 高位置控制的精度已经成为现今亟待研究和解决的问题之j 姗 根据位置控制系统的输出方式不同 位置控制系统分为两大类 1 1 1 2 1 3 一类是数字输出方 式的位置控制系统 类是模拟输出方式的位置控制系统 数字输出位控系统以脉冲序列的形 式输出控制步进系统和位置控制模式下的伺服系统 对于整个运动控制过程来说是数字输出位 置控制控是开环的 因而脉冲序列输出的均匀性直接影响位置控制的性能 在伺服系统的位置 控制模式中 相应参数的设定也影响到位置控制的性能 模拟输出位置控制则是用来驱动速度控制模式下的伺服系统 通常根据指令值和编码盘反 馈实际值经位控算法后输出给伺服系统 位控算法直接决定了系统运动控制的性能 目前数控 机床位置伺服控制的算法种类繁多 从经典的p i d 控制 到现代的最优控制 自适应控制 模 糊控制 神经元网络控制等智能控制技术 都在运动伺服控制领域有所应用 3 p c i 运动控制卡位控系统的研究 1 p i d 控制 按偏差的比例 积分 微分 p i d 控制是历史最悠久 生命力最强的控制方式 1 4 早在 3 0 年代末期 p i d 控制器就已经出现 经过六十多年来的不断更新换代 由模拟p i d 控制器发 展到数字p i d 控制器 尽管出现了很多新的控制方式 但目前正在运行的控制回路中 9 0 以 上还是p i d 控制器 在p i d 控制器中 比例部分产生与偏差成正比的输出信号 以便消除偏差 积分部分产生与偏差的积分值成正比的输出信号 以便消除系统的静态误差 微分部分产生与 偏差的变化率成正比的输出信号 以便加快控制器的调节速率 缩短过渡过程时间 减少超调 如果这三个部分配合适当 便可得到快速敏感 平稳准确的调节效果 1 5 由于实际被控对象的 复杂性 普通的p i d 控制算法通常很难满足控制要求 需要对p i d 控制算法进行改进 如对比 例 积分 微分三个参数进行限制设定 主要的改进算法有 积分分离式p i d 控制算法 遇限 削弱积分p i d 控制算法 不完全微分p i d 控制算法 微分先行p i d 控制算法 通常在多回路的 p i d 控制系统中加入前馈控制 如速度和加速度前馈控制 使各种性能达到最佳 因此 p i d 控制器的设计关键问题是如何选择比例 积分 和微分系数 而这些参数的整定的困难使p i d 控制器的应用受到限制 实际上 p i d 控制规律是一种线形的控制规律 它也具有传统控制理 论的弱点 仅在简单的线性单变量系统中有较好的控制效果 而在复杂系统的控制中效果欠佳 伺服系统运行情况复杂 具有参数时变性和模型不确定性 电机本身又是一个多变量 非线性 强耦合的控制对象 在闭环控制器设计中 由于伺服系统条件复杂多变 而且进给系统动态特 性的模型建立涉及到摩擦特性的分析 1 6 1 同时还须考虑扰动扭矩的因素 尤其是机械系统的阻 尼 刚度惯量等参数 1 7 1 舯 尚不能可靠地获得较好的p i d 参数 因此 采用并发展先进的控制 技术 不断改善与提高位置伺服系统的稳态精度 动态响应特性及对系统参数变化的自适应性 和抗干扰性是一个必然趋势 2 模糊控制 模糊控制自从1 9 6 5 年被z a d e h 提出以来 广泛应用于温度控制 核能技术 家电产品 炼 钢 地铁等方面 国外已经将模糊控制运用于机床上 1 9 1 模糊控制是建立在模糊推理基础上的 一种非线性控制策略 它通过模糊语言表达了人们的操作经验以及常识推理规则 模糊控制系 统一般按系统偏差及偏差变化率来实现对工业过程的控制 2 0 川 相对于精确逻辑 模糊逻辑在 工程应用上具有如下特点 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型 只需要提供 现场操作人员的经验知识及操作数据 控制系统的鲁棒性强 适于解决常规控制难以解决的非 线性 时变及滞后系统 以语言变量代替常规的数学变量 易于构造形成专家的 知识 模糊 逻辑是柔性的 对于给定的系统 很容易处理以及直接增加新的功能 而不需要从头做起 易 于与传统的控制技术相结合 模糊系统不需要替代传统的控制方法 在很多情况下 只是在原 有的控制方法上做简单的修改 4 南京航空航天大学硕士学位论文 3 神经网络控制 8 0 年代末期 全球掀起神经网络研究热潮 所谓神经网络是指利用工程技术手段模拟人脑 神经网络的结构和功能的一种技术 其中包括对信息的加工 处理 存储和搜索等过程1 2 2 1 神 经网络具有分布式存贮信息 对信息的处理及推理过程具有并行 自组织 自学习的特点 人 工神经网络具有许多适用于自动控制的特点 如 能以任意精度逼近任意连续非线性函数 对 复杂不确定性问题具有自适应和自学习能力 其信息处理的并行机制可以解决控制系统中大规 模实时计算问题 而且并行机制中的冗余性可以使控制系统具有很强的容错能力等 另外 神 经元网络控制器对被控对象模型的精度要求不高 且抗干扰能力强 可以克服系统中非线性的 影响 从而提高系统的性能 对于高档数控机床来说 位控系统一般采用闭环控制结构 但机 械系统中存在的间隙 摩擦等因素 使得系统具有非线性 在设计控制器时往往只能将其近似 成线性系统 通常很多学者将传统的控制方法与神经元网络控制相结合 有助于提高工件的加 工精度以及机械系统的鲁棒性b 3 1 1 4 本文的研究目的及内容 1 4 1 研究目的 随着机电一体化技术的不断发展 制造业对自动化设备的加工精度要求越来越高 位控系 统作为数控机床的重要组成部分 其性能直接影响整个数控机床的精度 速度和可靠性等技术 指标 研究高性能的位置控制算法具有重要的实用价值和广阔的应用前景 目前 数控机床位置控制的常用算法是经典的p i d 控制 前馈 p i d 控制因其良好的跟踪 性能也受到广泛应用 将模糊控制 神经网络的思想与常规p i d 相结合形成智能p i d 控制 引 起了人们普遍关注和极大的兴趣 并在其他领域已得到较为广泛的应用 它具有不依赖系统精 确数学模型的特点 对系统参数变化具有较好的鲁棒性 本文以实验室自行研发的p c i 运动控制卡为平台 对p c i 运动控制卡的两种位控输出模式 数字脉冲输出和模拟输出进行研究 重点讨论了在数字输出位控系统中改善运动平稳性的控制 方法 研究了在模拟输出位控系统下p i d 控制 前馈 p i d 控制 模糊自适应p i d 控制和单神 经元p i d 控制算法的实现及参数整定 并通过仿真和实验对上述位控算法的控制特性进行对比 分析 1 4 2 研究内容 本文在分析 消化已有的p c i 运动控制卡的硬件资源基础上 针对p c 运动控制卡结构的 数控实验平台 对该控制卡的位控模块的算法实现及其控制特性进行研究 第二章讨论p c 运动控制卡结构的数控实验平台的搭建 包括数控系统的总体结构 对运 动控制卡进行功能需求分析 以及控制卡部分d s p 软件的开发设计 第三章针对数字输出位控 5 p c i 运动控制卡位控系统的研究 系统的运动平稳性的改善方法进行讨论 提出一种新型独立轴变周期插补算法 并讨论伺服驱 动单元的参数设定 第四章讨论模拟输出位控系统的位控算法 对常规p i d 前馈 p i d 模糊 自适应p i d 单神经元p i d 等四种控制算法进行仿真对比分析 第五章在数字输出位控系统中 通过加工实验 对比传统插补模式验证了本文提出的独立轴变周期插补算法的优越性 在模拟 输出位控系统中 根据前文仿真实验下参数变化的规律对多种p i d 位控算法应用于本实验平台 的控制参数进行了整定 然后对各种位控算法的响应特性进行了对比分析 并给出相关结论 最后 在第六章总结全文的研究开发工作 并提出后续研究工作的设想 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章系统结构及运动控制卡软件设计 p c 运动控制卡是目前实现c n c 开放化比较现实的途径 p c 从产生到现在 其计算能力 和可靠性飞速提高 硬件已完全实现标准化 同时对工业环境的适应性也越来越强 p c 具有丰 富的支持软件来改善c n c 系统的用户界面 图形界面 动态仿真 数控编程 故障论断 网 络通讯等功能 利用p c 上功能强大的开发工具 机床制造商和用户可以采用通用的编程语言 来编制软件模块替代系统原有的模块 便于机床厂和用户添加具有自己独特技术的模块 本章围绕p c 运动控制卡结构的数控实验平台的搭建 首先对该系统的总体结构进行层次 划分 对其各个模块层进行任务分析 然后对运动控制卡硬件结构进行讨论 并对d s p 进行功 能需求分析 重点讨论在d s p 上的软件开发设计 最后对p c i 设备驱动的开发进行介绍 2 1 系统总体结构 在结合软硬件资源和特点对任务进行合理划分的基础上 搭建了p c 运动控制卡的开放式 数控平台 系统结构如图2 1 所示 分为上位机软件层 设备驱动层和硬件层 运动控制卡 j 上 位 机 较 件 层 设动 备层 驱 硬 件 层 图2 1 系统结构框图 以工控机为硬件平台 以w i n d o w s x p 为操作系统建立上位机软件层 除完成人机界面 n c 代码编译 加工仿真 参数管理 数据通信等常规数控系统中的非实时任务外 基于目前 p c 强大的计算和处理能力 将加工状态下插补前加减速处理 前瞻控制以及粗插补等对实时性 要求强但结果可以缓存化 序列化的任务进行准实时化处理后在上位机进行了实现 上位机将 7 蚕富 p c i 运动控制卡位控系统的研究 粗插补得到的信息通过设备驱动层以数据流的形式传递给运动控制卡 由运动控制卡实现位置 控制 精插补等实时性任务 这样利用上位机丰富的软 硬瓷源充分简化了底层实时控制模块 提高了低层实时控制的可靠性 设备驱动层负责完成上位机与硬件层的数据通信 本系统p c 和硬件层之间采用p c i 总线 的通讯方式 能高速 稳定 双向的传输数据和信息 为系统的实时控制提供了条件 硬件层实质上就是运动控制卡 主要用于实现底层实时运动控制功能及i o 管理 本运动 控制卡以d s p 和f p g a 作为主控单元 其中 d s p 作为主处理器 实现复杂的运动控制算法 而f p g a 作为协处理器 实现整个系统的地址译码 精插补运算 主机通信接口 电机驱动接 口 编码器反馈信号处理和各种i o 接口信号的处理 2 2 运动控制卡硬件结构及d s p 软件实现 2 2 1 硬件结构 本运动控制卡以d s p 和f p g a 为主控单元 配以主机通信接口 电机驱动接口 编码反馈 信号接1 3 输入 输出开关量信号接口等以满足实际机床控制的需要1 2 4 1 主控单元 运动控制卡以d s p 和f p g a 为主控单元 f p g a 具有体积小 低功耗 集成度高 价格低 可重复编程等特点 f p g a 可以完成时序组合逻辑和某些运算量较大的简单算法 实现在单个 可编程芯片中实现低成本的系统集成 但f p g a 开发难度较大 对协议 复杂算法等实现起来 不够灵活 在本系统中主要完成整个系统的地址译码 精插补运算 主机通信接口 电机驱动 接口 编码器反馈信号处理和各种i o 接口信号的处理 同时 采用d s p 作为主处理器 充分 发挥嵌入式处理器结构简单 实时性高的优势 完成各种对实时性要求高 与硬件状态密切相 关的任务 如回零 移动 手脉 位控等 实现对d s p 的程序开发 完成高效的位控系统研究 是本文的研究重点 2 主机通信接口 考虑到系统的可靠性 与工控机的集成时 运动控制卡最好内置 兼顾通信速度 开发复 杂度 可靠性等综合因素 本文选择了p c i p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t 方式进行高速 数据交换 p c i 是i n t e l 公司联合其他1 0 0 多家公司于1 9 9 2 年推出的一种局部总线 是 种高 性能3 2 6 4 位数据 地址复用总线 其用途是在高度集成的外设控制器器件 扩展板和处理器系 统之间提供一种内部连接机制 p c i 总线的组件 扩展板接口与处理器无关 使得p c i 总线具 有很好的i o 功能 同时在多处理器系统结构中 数据能够高效地在多个处理器之间传输 本 系统采用f p g a 实现p c i 总线目标设备接口控制器 实现p c 机与d s p 之间的高速实时通信 3 电机驱动接口 8 南京航空航天大学硕士学位论文 考虑到现代数控设备的实际需求 电机驱动接口以数字脉冲和模拟量两种方式输出 数字 脉冲方式是一种开环结构 由上位机粗插补模块和在f p g a 内实现的精插补模块在d s p 的协同 下产生均匀脉冲序列驱动脉冲进给系统如步进电机 位置模式伺服电机等产生运动 结合目前 的工业接口形式 提供了指令脉冲和方向 正转脉冲 反转脉冲 两相正交脉冲等三种输出格式 且采用差分方式传输以增强抗干扰性 模拟量方式是一种闭环方式 由d a c 和运放电路将d s p 运算后输出的数字信号转换成 1 0 v 至 1 0 v 范围的电压信号输出 通过编码器反馈控制运动精 度 主要用于对加工精度 表面质量要求较高的系统 4 编码器反馈信号接口 编码器反馈信号接口电路使用差分接收芯片把编码器输出的差分信号转换成单端信号 供 f p g a 内的编码器信号处理电路进行处理 5 输入腧出开关量接口 将输入 输出开关量信号通过f p g a 的逻辑控制 以提高系统的工作可靠性和设计柔性 本 卡设有3 2 路数字量输出通道和3 2 路数字量输入通道 输入和输出均需经过光电隔离电路 提 高了系统抗干扰性 2 2 2 运动控制卡d s p 软件设计 2 2 2 1 软件功能需求 如前所述 d s p 在整个运动控制卡中是连接上位机软件层和产生最终运动指令的f p g a 的 桥梁 配合完成强实时性 与硬件交互密切的任务 根据任务分配方案 d s p 需要具备以下功 能 1 回零 机床回零过程其实就是机床的r e s e t 过程 机床回零操作具有两个作用 一是建立准确 的机床坐标系 另一个是消除机床由于漂移 变形而产生的误差 具体回零过程是 d s p 接收 到回零指令后 控制机床工作平台向机床零点位置移动 移动过程中不断检测零点位置的限位 开关信号 一旦获得限位信号就控制运动平台减速运行直到停止 为提高回零的精度 还需控 制电机低速反向运动至机床零点限位开关信号消失 则该位置即为该运动坐标的机床零点 2 手动移动 接收到手动移动指令后 启动机床朝指定方向升速移动 在升速过程中 当机床升速到最 大速度时则维持最大速度匀速运动 当接收到手动移动停止指令后 使机床进入减速状态直到 停止 由于手动移动起 停信号来自于p c 需要与p c 保持良好的实时通信 3 增量移动 接收到增量移动指令后 读取数据区里的位移信息 并按升降速规律使机床完成设定位移 增量移动可以使机床快速而又准确地到达指定坐标点位置 9 p c i 运动控制卡位控系统的研究 4 程序加工 加工状态 d s p 实时地根据粗插补数据来完成加工 这时d s p 会频繁地进行数据读取 当 处于加工实时仿真状态 d s p 还需要实时地将加工数据发送给p c 能否可靠 实时地读写数 据 直接影响到一个数控系统的性能 因而d s p 软件需要良好的实时性和可靠性 5 参数设置 d s p 接收到参数设置指令后 对数控所有参数进行刷新 鉴于以上分析 对运动控制卡的d s p 进行软件开发有如下特点 1 任务繁多 结构设计复杂 2 状态切换频繁 3 与外部环境交互性强 4 实时性要求高 5 可靠性要求高 2 2 2 2 软件结构模式 对机床的实时运动控制是数控系统的核心 底层软件模块的主要功能是实时控制 检测机 床各轴运动及f o 口输入 输出使实现c n c 加工 故模块的实时性 有效性 可靠性直接关系 到数控系统的性能 d s p 软件开发通常采用两种体系结构 前后台系统和实时操作系统 前后台系统中 前台程序通过中断触发来处理事件 其结果一般为无限循环 后台程序则 掌管整个嵌入式系统软 硬件资源的分配 管理以及任务的调度 由于前后台系统认为所有的 任务具有相同的优先级别 而且任务的执行又是通过f i f o 队列排队 因面对那些实时性要求 高的任务不可能立刻得到处理 前后台系统的实时性比较差 用于d s p 的实时操作系统有 c o s i i 以及t i 公司的d s p b i o s 等 c o s i i 可以免费获 得源码 用户根据需要进行修改 开发成本低 由于t i 的2 4 0 x 系列和3 x 系列尚无法移植 d s p b i o s 这些器件一般移植弘c o s 而对于2 8 x x 5 4 x x 5 5 x x 6 0 0 0 考虑到内核功能 编程的灵活性 软件的调试性能和技术支持 国外采用d s p b i o s 的较多 d s p b i o s 是t i 公司专门为自己的d s p 系列产品开发的一个简易的嵌入式实时操作系统 目前所能支持的d s p 平台有t i 公司的5 4 x 5 5 x 6 0 0 0 和2 8 x x 系列 d s p 倍i o s 是一个可裁减 的实时内核 提供了抢占式多线程 硬件抽象 实时分析和配置工具 d s p b i o s 本身占用极 少的c p u 资源 提供丰富的面向用户的应用程序编程接口 a p i 和程序开发工具 主要包括 以下核心模块 任务调度模块 包括h w i s w i t s k 进程同步模块 包括s e m q u e m b x 数据输入输出模块 包括p s i o 调试模块 包括l o g s t s 每个使用d s p b i o s 的程序 都需要建立d s p b i o s 的配置文件 在配置文件里对上述各个模块进行初始化设置以及确定 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 d s p m i o s 使用的各种参数的功能 2 d s p 倡i o s 配置文件如图2 2 所示 图2 2d s p b i o s 配置文件 在d s p b i o s 中 由d s p 执行的任何独立的指令流称之为线程 一个线程可以是一个子程 序 一个中断服务程序 i s r 或一个函数调片j d s p b i o s 使得用户应抖j 程序可以由一个线程 集台构筑起来 每一个线程执行一个模块化的功能 通过允许高优先级线程抢占低优先级线程 以及允许阻塞 同步 通信等各种线程问的交互方式 使得多线程的应并j 程序可以在一个处理 器上运行啡j d s p m i o s 支持多种币同优先级的线程 每种线程娄型都有不同的执行和艳占特 性 这些线程按照优先级从高到低的顺厅如图2 3 所示m 2 p c i 运动控制卡位控系统的研究 嚣 求 8 硬件中断 h w l 软件中断 s m 任务 t s k 后台线程 i d l 图2 3 线程优先级 硬件中断 h a r d w a r ei n t e n u p t s h w i h w i 是由芯片上的外围设备或外部器件触发的 h w i 又叫中断服务程序 i s r 使用h w i 模块构建不同的中断去执行不同的中断处理函数 硬件 中断的优先级最高 d s p b i o s 配置中h w i 对象的个数及其优先级都是固定的 并与d s p 硬件 中断保持一致 在配制工具中h w i 对象会根据其优先级由高到低排列 只有在一个给定的c p u 时钟周期内有多个硬件中断就绪时 这些优先级才被用于决定c p u 服务这些中断的顺序 其它 情况下优先级是无效的 硬件中断会互相抢占 软件中断 s o f h v a r ei n t e n u p t s s w i s w i 是这样一些优先级函数 它被硬件中断和优先 级比它高的软件中断所强占 却又能抢占优先级比它低的软件中断以及任务 它使用s w i 模块 创建和管理 任务 t a s k s t s k t s k 能被硬件中断 软件中断和优先级比它高的任务所强占 却又 能抢占优先级比它低的任务以及i d l 它使用t s k 模块创建和管理 在d s p b i o s 的线程中只 有t s k 才能被阻塞 t a s k s 不同于软件中断的地方在于它能阻塞自己的执行 直到某些条件得 到满足自己才继续执行 另外 它把处理器的执行权能让给和自己同优先级的任务 空闲操作 b a c k g o u n dt h r e a d i d l i d l 函数在d s p b i o s 发觉到没有其它线程时被周期 性地执行 它使用i d l 模块创建和管理 将d s p b i o s 操作系统根据自己的需要剪裁完毕 形成配置文件 然后在此基础上将自定 义的算法与控制程序作为线程插入任务循环 编译载入d s p 开始执行后 d s p 首先进行初始化 然后从m a i n 0 函数跳入任务循环队列 按照优先级执行队列中的任务 d s p 外部的设备 如 u a r t a d c 等 可以通过中断打断任务 d s p b i o s 根据硬件中断管理删 中的设置调用相 应的中断服务程序处理中断 这就是d s p b i o s 开发与执行的大致流程1 3 0 1 与前后台系统相比 d s p b i o s 可以方便快速地开发复杂的d s p 程序且使实时性得到保证 本系统采用d s p b i o s 实时操作系统对d s p 进行数控系统实时层软件开发 2 2 2 3 软件设计方法 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 本系统软件采用自顶向下 模块化的结构化程序设计 首先建立软件的框架结构 将d s p 需要实