[align=center]北京科技大学信息工程学院 潘月斗 天津大学自动化学院 许镇琳湛江海洋大学电子信息工程学院 徐东桂[/align] 提出了一种基于DSP（TMS320F2812）的CAN总线结构嵌入式机床数控系统的设计方法，解决了数控系统与伺服间指令信息误差对数控系统性能的影响。设计了数控系统与伺服间基于CAN总线的数据结构。所设计的数控系统具有集成度高，结构灵活，可扩展性好及性价比高等特点。
1 引言 目前，国产数控系统的主要份额是经济型机床数控系统，这类数控系统大多是16位微处理器，最高时钟频率为12～40MHz，运行速度较低，这就限制了数控机床性能的提高，特别是多轴高速联动、螺纹高速切削及高分辨率实时控制等功能受到限制。另外目前国内外大部分中高档闭环机床数控系统采用的控制方式为位置环调节由数控系统完成，连接的伺服系统为速度伺服系统，速度伺服系统进行负载的力矩电流和电机的速度调节，机床数控系统将位置环调节器输出数据经D/A转换成模拟量作为机床数控系统输出指令控制伺服系统，伺服系统将机床数控系统输出模拟电压指令经A/D转换为伺服系统控制电动机的指令数据，在这个过程中，由于经过了D/A和A/D的转换，机床数控系统位置环调节器输出的实时指令数据在传输到伺服系统时产生误差，影响了电动机的控制性能，难于实现高精度加工控制过程。因此，本文提出基于DSP（TMS320F2812）的CAN总线结构嵌入式机床数控系统的设计方法。
2 数控系统的硬件结构设计 本系统采用DSP（Digital Signal Process）+可编程逻辑器件的结构，以F2812+CPLD为核心硬件，完成数控系统的设计。TMS320F2812DSP（以下简称F2812）是德州仪器公司（T1）生产的2000系列最新一代的高速高性能定点DSP，32位CPU可提供150M次/s指令，具有CAN总线接口。系统原理如图1所示。 F2812CPU主要完成两方面的工作：①与上位机的数据通讯，包括加工程序下载、基本参数设置、接受上位机的统一调配等功能；②完成一个独立的数控系统的加工工作，首先是加工程序的输入、控制参数、补偿数据的录入，然后是加工程序的译码，接着进行数据处理、计算
刀具半径补偿量、进给速度、执行辅助功能代码、进行插补运算，把插补后的数据通过CAN总线送到伺服驱动器。 CPLD部分主要用来实现逻辑电路，对
手轮脉冲进行计数的计数器。1个4倍频电路，1个32位计数器，对主轴码盘信号进行计数，供螺纹插补时使用。[IMG=图1 数控系统结构框图]/uploadpic/THESIS/2007/11/20071114161502573434.jpg[/IMG]图1 数控系统结构框图[IMG=图2 系统软件结构图]/uploadpic/THESIS/2007/11/20071114161736355377.jpg[/IMG]图2 系统软件结构图[IMG=表1 控制信号16位字的定义]/uploadpic/THESIS/2007/11/20071114162004170088.jpg[/IMG]表1 控制信号16位字的定义[IMG=表2 状态信号16位宇的定义]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111416220085531K.jpg[/IMG]表2 状态信号16位宇的定义
3 数控系统的软件结构 在CNC控制系统中，其数控的基本功能是由各种功能子程序实现的。不同的软件结构对各功能模块的安排方式不同，管理方式也不同。在本系统中，软件采用中断型的软件结构。本数控系统由以下5个主要的模块组成，它们之间的相互关系见图2。 （1）人机界面模块：加工状态信息显示、参数管理、文件管理、DNC功能、程序输入等。 （2）数据处理模块：译码、刀具补偿。 （3）任务协调模块：控制系统在不同方式下的运算、位置控制。 （4）控制模块：速度处理、插补预处理、插补运算、位置控制。 （5）PLC模块：S、M、T功能实现、机床面板功能实现和故障诊断、信息反馈。
4 数控系统与伺服系统基于CAN总线方式的通讯建立 数控系统与伺服间CAN接口用于传递运动数据和控制状态数据，CNC发往伺服的数据包括CNC系统给伺服的控制信号、伺服参数的修改值、指令伺服运动数据值等；伺服系统发往CNC系统的数据包括伺服当前的状态信号、伺服参数、伺服实际运动数据值等。4.1 CNC发往伺服的数据4.1.1 CNC发送数据结构定义 CNC需要向伺服系统发送的信息主要包含：控制信号，（位置/速度）增量，伺服参数（当在CNC上修改伺服参数时）。点对点发送时的每一帧数据结构如下：
紧跟的数据内容为对伺服的控制信号，它以16位字来定义，且每一位的意义可自行定义，见表1。4.1.2 数据发送方式 在正常情况下，CNC向伺服系统发送控制信号采用不定时的方式发送，在下述3种情况下发送控制信号：①开机（或重启动）初始化完成，为了与伺服建立通讯联系，CNC每200ms发送一次控制信号，直到与伺服建立通讯为止；②当CNC要改变对伺服的控制时；③发生报警时。 发送时一般采用点对点的方式，必要时也可采用广播的方式，当CNC需要向伺服系统发送（位置/速度）增量时采用定时的方式发送，发送时一般采用广播的方式，必要时也可采用点对点的方式。4.2 伺服发往CNC的数据4.2.1 伺服发送数据结构定义 伺服系统需要向CNC发送的数据信息主要包含：状态信号，伺服参数，实际（
编码器）的（位置/速度）增量，其它伺服数据。发送的每一帧数据结构如下：
状态信号以16位字的形式定义，每一位的意义见表2。4.2.2 伺服的数据发送方式 当CNC系统请求获得伺服状态信号而此时又没有位置回复帧时，伺服发送状态信号；当伺服出现报警时，伺服发送状态信号；在CNC位置广播后的位置回复帧中发送状态信号。 当伺服收到CNC的（位置/速度）增量，立即回复上一周期的编码器实际（位置/速度）增量。
5 实验结果[IMG=表3 通讯数据实验结果]/uploadpic/THESIS/2007/11/20071114162903449935.jpg[/IMG]表3 通讯数据实验结果5.1 数控系统与数字交流伺服的CAN总线通讯可靠性实验 在实验过程中使用了人工干扰源的工具，包括电磁耦合夹，以及在机床车间强于扰工业环境下，对CAN总线数据通信进行了试验，CNC分别向3个伺服发送8字节数据，伺服接收到后立即返回接收到的数据，CNC验证数据正确之后继续发送数据，直到数据通讯出错或者通讯次数到时停止数据发送，通讯线长为30m，耦合夹测试参数采用IEC61000-4-4标准第3等级，干扰脉冲电压峰值lkV，重复频率5kHz，PROFIBUS-DP波特率设置成9Mbps，进行了多次长时间测试，下面是其中一次实验的通讯数据实验。 测试数据见表3。 测试结果：测试时间为969s，收发数据3108472次，计算得出CNC和伺服交换一次数据为0.3117ms，考虑到计时误差以及CNC与各个伺服通讯之间的等待时间，CNC和3个伺服通讯一次的时间是0.9351nn，满足系统的要求。试验结果表明采用CAN总线在机床数控系统和伺服系统间进行数据通讯，传输距离远，抗干扰能力强，接口简单。5.2 系统机械加工实验 在宝
鸡CJK6140H机床上，用CAN总线结构嵌入式机床数控系统配CAN总线伺服驱动器，数控系统的GO速度为6m/min，加减速时间常数为40（即160ms）。连续运行同一个加工程序80多个小时，回零后，DA98的脉冲位置误差为0。 在沈阳数控CK6136H机床上，用CAN总线结构嵌入式机床数控系统配CAN总线伺服驱动器，数控系统的GO速度为6m/min，加减速时间常数为40（即160ms）。加工1个有内螺纹的圆筒和1个有外螺纹的螺塞。在圆筒内放水后拧上螺塞，能拧至螺纹尾端，水不渗漏。
6 结论 本文研究了一种基于DSP（TMS320F2812）的CAN总线结构嵌入式机床数控系统的设计方法，解决了数控系统与伺服间指令信息误差对数控系统性能的影响。设计了数控系统与伺服间基于CAN总线的数据结构，并在强干扰环境下进行了基于DSP（TMS320F2812）的CNC数控系统与伺服系统的数据通讯与系统控制实验和系统机械加工实验，实验结果验证了本文提出的这种基于DSP（TMS320 F2812）的CAN总线结构嵌人式机床数控系统的设计方法的可行性。这种基于DSP（TMS320F2812）的CAN总线结构嵌人式机床数控系统具有集成度高，结构灵活，可扩展性好，避免了闭环机床数控系统实时指令数据在传输到伺服系统时的D/A和A/D转换及由此而产生的误差，简化了机床数控系统和伺服系统接口设计；同时由于采用CAN总线结构可以使机床数控系统和伺服系统进行远距离控制，距离可以达到几百米，抗干扰能力强，易于网络化，便于在大型设备和超大型设备及生产线上应用。第二届伺服与运动控制论坛论文集第三届伺服与运动控制论坛论文集
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