基于DSP的机床数控系统设计

1 引言 数控技术作为先进制造技术（如柔性制造技术、计算机集成制造系统）的基础，国家投入了大量的人力、财力进行攻关开发，其关键技术已取得了重大进展，实现了多坐标联动，攻克了交流全数字伺服和主轴驱动技术，“九五”期间实现了数控机床产业化攻关目标，国产数控机床的国内市场占有率达到50%，国产数控系统占国有数控机床配套需求的50%，产值数控化率已达到20%以上。 从最近几次机床展览会上可以看出，针对快速发展中的中国市场，国外众多著名数控系统供应商如法那克、西门子、日本安川、三菱等公司相继推出中低档数控系统。目前，占据国内数控系统市场主要份额的仍然是经济型数控机床系统。这类系统大多采用MCS-51系列单片机或与MCS-51系列兼容的单片机，最高时钟频率为12～40MHz，单周期指令执行时间为250ns～1s，限制了经济型数控机床性能的提高，特别是多轴高速联动、螺纹高速切削和高分辨率控制等功能受到限制。 为使机床工作台达到亚微米级的线性运动精度，现代控制技术的引入对处理器有了更高的要求。精细化的控制单位、以微小程序段连续进给以及大数据量、高精度的补差运算和控制，也要求处理器能对加工指令做出高速度的反映，高速计算出伺服电机的移动量，随后发出控制指令。用高性能的数字信号处理器（DSP）代替单片机，即可提高机床数控系统的运行速度，使之满足高速和高精度控制的要求。 2 数控系统硬件设计 1. DSP数字信号处理器 DSP数字信号处理器时钟频率高、处理速度快，是单片机的理想替代品。TI公司DSP数字信号处理器TMS320F240内部的模数转换模块包括两个独立的采样, 保持电路和两个10位双积分型的转换器，16路模拟输入通道，可同时转换2路信号。DSP还增加了串, 并口的数量和速度，其处理一条指令的时间提高到几十纳秒，数据吞吐能力达到80MIPS以上，非常适用于大数据量的高速数据采集系统和实时控制系统，并能对A/D转换的结果进行FFT分析、小波分析等。因此DSP正被广泛地应用于通信、遥感、语言和图象处理、电子测量、自动控制和模式识别等领域。 DSP典型的应用特点： a. 当前的DSP都采用了与通用微处理机不同的结构（即哈佛结构），实现了流水作业，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行，指令可以在单个机器周期内完成，极大地提高了处理速度。 b. 快速运算能力DSP芯片有一个专用的硬件乘法器，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法，有利于提高复杂算法的运行效率。 c. 新型的DSP大都设置了单独的DMA总线及其控制器，在不影响或基本不影响DSP处理速度的情况下作并行的数据传输。这为DSP之间的串联和并联提供了方便，使得数控系统易于实现主从式处理器结构，即主机完成前台控制（人机界面管理、信息显示和预处理器等），从机完成后台控制及插补运算、伺服控制及反馈处理等频繁的数据运算和操作工作。 d. 为了方便用户的设计与调试，许多DSP在片上设置了JTAG仿真接口和高级语言编译器，可以对程序运行、中断、定时等进行仿真，从而具有极大的方便性，非常适合数控开发的需要。 因此，DSP在高性能数控系统中具有十分重要的应用价值，在精密伺服控制系统、刀具检测补偿和快速伺服装置、机床保护等方面有着广泛的应用前景。 2. 主控制系统设计 数控系统控制车床的主运动、进给运动和辅助运动，具体来说就是控制键盘的输入和输出、刀架在X、Z方向的行程、数控刀架转位、开关关闭、查询X和Z向步进电机的相位、主轴正反转等，其总体结构如图1所示。 TMS320f240通过一定的插补算法将当前的反馈位置信号与插补计算的理论位置相比较，通过环行分配，确定X、Z轴的进给脉冲；进给脉冲通过光电隔离、信号放大驱动X 、Z轴步进电机完成相应的加工运动；软件同时完成升降速控制、刀架转位控制以及螺纹加工程序。精密数控系统的插补周期极短，插补间隔小，其控制和插补运算相当频繁，从而要求数控系统在极短的时间内对各轴反馈的位置信号进行处理（目前插补周期已达到毫秒级），从而使TMS320f240 处理器的采用成为必然。TMS320f240处理器强大的数据运算能力和极高的运算速度，对精密数控系统来说是一种极佳的选择，可以实现精密机床的高精度位置伺服控制和轮廓加工控制，同时提供机床及刀具的热效应和几何误差补偿与控制。 通用的变频器采用交—直—交的形式，先把工频交流通过整流器转变成直流，然后再变换成频率、电压均可控制的交流。DSP控制器由于内嵌PWM电路、A/D转换电路以及其它相关电路，可以实现交流异步电动机的全数字化控制系统。TMS320f240处理器内嵌了空间矢量状态机，因此很容易的以空间矢量方法来通断逆变桥的六个开关器件，使得逆变桥输出电压满足要求。由它构成的主轴变频调速系统比其它PWM方法能提高电压的利用率，减少谐波的影响。 3. 大容量DSP程序自加载 在系统上电或复位后，TMS320f240内部的程序装载器（Boot loader）将DSP程序从外部的慢速E²PROM中转移到外部快速的SRAM中启动运行。而本系统需要的程序存储器空间超出32K×8位的限制，因此应特别设计专门的控制逻辑，实现系统程序的二次加载。在E²PROM中放置二次加载引导程序和DSP运行程序，上电后，二次加载引导程序首先被内部的Boot loader装载ARAM中运行，其任务是将DSP运行程序从EPROM中搬运到SPAM中，然后将系统控制权转交给DSP运行程序。这种方法突破了TE340f240系统自加载程序容量的限制，可以将较大的DSP程序装载运行。 DSP配备有64K×16的SRAM、64K×8的E²PROM和8K×8的DRAM，在上电或复位后的程序装载阶段，SRAM映射在DSP64K×16的程序存储器空间，E²PROM映射在64K×16的局部数据空间和32K×16的全局数据空间，不允许DSP对DPRAM操作。程序运行时，SRAM对应64K×16的程序存储器空间和局部数据存储器空间，DARAM对应在全局数据存储器空间，不允许DSP对E²PROM操作。因此SRAM、DARAM和E²PROM的片选信号译码如下： CESRAM=ps×br×k×ds CEE²PROM=k+br+ds CEDARAM=k×br×ds 式中ds为数据存储器选择引脚，br为总线请求引脚，ps为程序存储器选择引脚；k为模式转换控制位，上电或复位后，k=0；程序运行后，DSP通过端口操作可使k=1，来改变系统各存储器在DSP存储器空间的映射范围，实现存储器空间范围在SRAM、DARAM和EPROM的重新分配。 3 数控系统软件设计 1. 软件结构 该经济型数控系统实现了全软件控制，完成了诸如信息处理、加减速控制、适量变换控制、伺服控制等基本功能，具有点位控制功能、连续轮廓控制功能（直线插补，圆弧插补和三轴联动功能）、刀具半径和长度补偿功能、刀具选择和交换功能、镜象加工功能、固定循环功能等，系统软件结构如图2所示。 a. 在操作方式上设有编程、参数设定、自动运行、空运行、手动运行、回零（回机械原点、回程序原点）、MDI（自动数据输入）、通讯、示教等多种模式。编程模式指零件加工程序的输入、检索、插入、删除和复制；自动模式包括连续加工零件和单段加工零件两种方式，加工速率可以实时修调；空运行模式指零件模拟加工，有连续运行和单段运行两种方式；手动模式指工作台位置的调整，就是按下方向键移动工作台，进给速率可以调修；回零模式指工作台手动返回零点操作，点击方向键，相应坐标轴回零；对刀模式包括手动对刀和自动对刀（手动对刀就是采用多次试切确定参考点，自动对刀就是采用专用对刀器快速确定参考点），中文提示，真正实现人机对话的操作，简便易学；示教功能则适应了当前机电一体化教学实验的需要。 b. 完善的补偿功能。如：刀具半径补偿、刀具长度补偿、间隙补偿等，特别是可以实现尖角、内角的自动过渡功能，有效的解决了模具加工中垂直型腔的加工问题。 c. 多种循环控制功能的设置，有效地提高了产品加工时效及产品加工的一致性。如：直线等分循环、圆槽循环、矩槽循环、圆弧等分循环、轮廓循环、深孔钻孔循环等等。 事实上，TMS320f240数字信号处理器在精密数控加工的伺服控制、刀具监控补偿及快速伺服、先进控制算法的采用、机床保护系统等方面有着广泛而有效的应用。 2. 采用改进的控制算法 数字信号处理器的应用，使许多先进控制策略和方法如自适应控制、学习控制、摩擦控制等等得以应用于高精度伺服控制系统，大大提高了控制精度和快速性。本系统采用改进的时间分割法进行插补运算。以直线插补为例：在粗插补中，通过该算法占用的指令数计算出的插补运算时间以及反馈采样周期、精度、速度确定插补周期T；综合插补周期T、进给速度F以及插补直线段的终点坐标X、Z计算出本插补周期各个坐标的位移DX及DZ；通过反馈采样和比较环节计算得到本次插补周期内各轴位移实际进给量SX、SZ，换算成相应的脉冲数d‘Z、取整后得dX、dZ；采用DDA脉冲分配法，利用脉冲分配数组dX（i）、dZ（j）来分配X、Z轴的脉冲数。在精插补中，将粗插补中分配完成的脉冲数组dXi（i）、dZ（i）送入脉冲发送的中断服务子程序中，中断服务子程序由TM320f240内部的可编程定时计数器产生的中断调用；$（. 响应中断后，转入脉冲发送中断服务子程序，判断脉冲数组相应的内容，若数组内容为1，就向硬件端口发送脉冲，若为0，则不发，从而完成了本次插补周期内对各轴步进电机进给脉冲的调协分配。 在实际运行中，该系统将每个插补周期分为10个控制周期进行伺服控制，从而对插补过程构成更为有效的控制，使曲线的插补更加精确。结果表明：该方法大大提高了系统对曲线跟踪的准确性和快速性。 4 结语 基于DSP的数控机床的高速性能得到大大提高，改造后机床达到的技术参数为：脉冲当量，X向0.005mm/脉冲，Z向0.01mm/脉冲；最大进给速度，X向50mm/s，Z向100mm/s；自动进给速度，1～100mm/s；X、Z两轴联动；坐标显示分辨率，X向0.005，Z向0.01mm。DSP数字信号处理器的应用为精密数控的伺服控制系统提供了良好跟踪伺服控制，用DSF处理器进行数控系统的改造后可以用于机床的闭环控制和其他高速运动装置的控制，同时用户可以用很少的费用不断进行软、硬件升级，始终跟上数控技术的发展步伐。