基于DSP的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　數(shù)控技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)(如柔性制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))的基礎(chǔ)，國家投入了大量的人力、財(cái)力進(jìn)行攻關(guān)開發(fā)，其關(guān)鍵技術(shù)已取得了重大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了多坐標(biāo)聯(lián)動，攻克了交流全數(shù)字伺服和主軸驅(qū)動技術(shù)，“九五”期間實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)目標(biāo)，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國內(nèi)市場占有率達(dá)到50%，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)占國有數(shù)控機(jī)床配套需求的50%，產(chǎn)值數(shù)控化率已達(dá)到20%以上。

　　從最近幾次機(jī)床展覽會上可以看出，針對快速發(fā)展中的中國市場，國外眾多著名數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商如法那克、西門子、日本安川、三菱等公司相繼推出中低檔數(shù)控系統(tǒng)。目前，占據(jù)國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)市場主要份額的仍然是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)。這類系統(tǒng)大多采用MCS-51系列單片機(jī)或與MCS-51系列兼容的單片機(jī)，最高時鐘頻率為12~40MHz，單周期指令執(zhí)行時間為250ns~1s，限制了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床性能的提高，特別是多軸高速聯(lián)動、螺紋高速切削和高分辨率控制等功能受到限制。

　　為使機(jī)床工作臺達(dá)到亞微米級的線性運(yùn)動精度，現(xiàn)代控制技術(shù)的引入對處理器有了更高的要求。精細(xì)化的控制單位、以微小程序段連續(xù)進(jìn)給以及大數(shù)據(jù)量、高精度的補(bǔ)差運(yùn)算和控制，也要求處理器能對加工指令做出高速度的反映，高速計(jì)算出伺服電機(jī)的移動量，隨后發(fā)出控制指令。用高性能的數(shù)字信號處理器(DSP)代替單片機(jī)，即可提高機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行速度，使之滿足高速和高精度控制的要求。

　　2 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1. DSP數(shù)字信號處理器

　　DSP數(shù)字信號處理器時鐘頻率高、處理速度快，是單片機(jī)的理想替代品。TI公司DSP數(shù)字信號處理器TMS320F240內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括兩個獨(dú)立的采樣, 保持電路和兩個10位雙積分型的轉(zhuǎn)換器，16路模擬輸入通道，可同時轉(zhuǎn)換2路信號。DSP還增加了串, 并口的數(shù)量和速度，其處理一條指令的時間提高到幾十納秒，數(shù)據(jù)吞吐能力達(dá)到80MIPS以上，非常適用于大數(shù)據(jù)量的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)時控制系統(tǒng)，并能對A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行FFT分析、小波分析等。因此DSP正被廣泛地應(yīng)用于通信、遙感、語言和圖象處理、電子測量、自動控制和模式識別等領(lǐng)域。

　　DSP典型的應(yīng)用特點(diǎn)：

　　a. 當(dāng)前的DSP都采用了與通用微處理機(jī)不同的結(jié)構(gòu)(即哈佛結(jié)構(gòu))，實(shí)現(xiàn)了流水作業(yè)，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行，指令可以在單個機(jī)器周期內(nèi)完成，極大地提高了處理速度。

　　b. 快速運(yùn)算能力DSP芯片有一個專用的硬件乘法器，在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法，有利于提高復(fù)雜算法的運(yùn)行效率。

　　c. 新型的DSP大都設(shè)置了單獨(dú)的DMA總線及其控制器，在不影響或基本不影響DSP處理速度的情況下作并行的數(shù)據(jù)傳輸。這為DSP之間的串聯(lián)和并聯(lián)提供了方便，使得數(shù)控系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)主從式處理器結(jié)構(gòu)，即主機(jī)完成前臺控制（人機(jī)界面管理、信息顯示和預(yù)處理器等），從機(jī)完成后臺控制及插補(bǔ)運(yùn)算、伺服控制及反饋處理等頻繁的數(shù)據(jù)運(yùn)算和操作工作。

　　d. 為了方便用戶的設(shè)計(jì)與調(diào)試，許多DSP在片上設(shè)置了JTAG仿真接口和高級語言編譯器，可以對程序運(yùn)行、中斷、定時等進(jìn)行仿真，從而具有極大的方便性，非常適合數(shù)控開發(fā)的需要。

　　因此，DSP在高性能數(shù)控系統(tǒng)中具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，在精密伺服控制系統(tǒng)、刀具檢測補(bǔ)償和快速伺服裝置、機(jī)床保護(hù)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

　　2. 主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　數(shù)控系統(tǒng)控制車床的主運(yùn)動、進(jìn)給運(yùn)動和輔助運(yùn)動，具體來說就是控制鍵盤的輸入和輸出、刀架在X、Z方向的行程、數(shù)控刀架轉(zhuǎn)位、開關(guān)關(guān)閉、查詢X和Z向步進(jìn)電機(jī)的相位、主軸正反轉(zhuǎn)等，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)原理框圖

TMS320f240通過一定的插補(bǔ)算法將當(dāng)前的反饋位置信號與插補(bǔ)計(jì)算的理論位置相比較，通過環(huán)行分配，確定X、Z軸的進(jìn)給脈沖；進(jìn)給脈沖通過光電隔離、信號放大驅(qū)動X 、Z軸步進(jìn)電機(jī)完成相應(yīng)的加工運(yùn)動；軟件同時完成升降速控制、刀架轉(zhuǎn)位控制以及螺紋加工程序。精密數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期極短，插補(bǔ)間隔小，其控制和插補(bǔ)運(yùn)算相當(dāng)頻繁，從而要求數(shù)控系統(tǒng)在極短的時間內(nèi)對各軸反饋的位置信號進(jìn)行處理（目前插補(bǔ)周期已達(dá)到毫秒級），從而使TMS320f240 處理器的采用成為必然。TMS320f240處理器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和極高的運(yùn)算速度，對精密數(shù)控系統(tǒng)來說是一種極佳的選擇，可以實(shí)現(xiàn)精密機(jī)床的高精度位置伺服控制和輪廓加工控制，同時提供機(jī)床及刀具的熱效應(yīng)和幾何誤差補(bǔ)償與控制。

　　通用的變頻器采用交—直—交的形式，先把工頻交流通過整流器轉(zhuǎn)變成直流，然后再變換成頻率、電壓均可控制的交流。DSP控制器由于內(nèi)嵌PWM電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及其它相關(guān)電路，可以實(shí)現(xiàn)交流異步電動機(jī)的全數(shù)字化控制系統(tǒng)。TMS320f240處理器內(nèi)嵌了空間矢量狀態(tài)機(jī)，因此很容易的以空間矢量方法來通斷逆變橋的六個開關(guān)器件，使得逆變橋輸出電壓滿足要求。由它構(gòu)成的主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)比其它PWM方法能提高電壓的利用率，減少諧波的影響。

　　3. 大容量DSP程序自加載

　　在系統(tǒng)上電或復(fù)位后，TMS320f240內(nèi)部的程序裝載器（Boot loader）將DSP程序從外部的慢速E²PROM中轉(zhuǎn)移到外部快速的SRAM中啟動運(yùn)行。而本系統(tǒng)需要的程序存儲器空間超出32K×8位的限制，因此應(yīng)特別設(shè)計(jì)專門的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序的二次加載。在E²PROM中放置二次加載引導(dǎo)程序和DSP運(yùn)行程序，上電后，二次加載引導(dǎo)程序首先被內(nèi)部的Boot loader裝載ARAM中運(yùn)行，其任務(wù)是將DSP運(yùn)行程序從EPROM中搬運(yùn)到SPAM中，然后將系統(tǒng)控制權(quán)轉(zhuǎn)交給DSP運(yùn)行程序。這種方法突破了TE340f240系統(tǒng)自加載程序容量的限制，可以將較大的DSP程序裝載運(yùn)行。