基于dsp技術(shù)的多軸運動控制器的研究分析

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1、...頁眉基于ＤＳＰ技術(shù)的多軸運動控制器的應(yīng)用研究摘要:本文介紹了利用基于ＤＳＰ技術(shù)的多軸運動控制器作為下位機(jī),ＰＣ機(jī)作為上位機(jī)所構(gòu)成的主從式數(shù)控立式銑床控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了ＰＣ機(jī)技術(shù)和ＤＳＰ技術(shù)資源,具有高精度、高速度、高性價比的特性。1引言ＷＴＯ———中國人企盼十多年的夢想終于實現(xiàn)了,這無疑對我國原本相對落后的機(jī)械制造業(yè)帶來了難得的機(jī)遇和巨大的挑戰(zhàn)。作為機(jī)械制造業(yè)重中之重的數(shù)控機(jī)床自然首當(dāng)其沖,未來幾年內(nèi)我們國家能不能盡快與國際接軌,開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精密數(shù)控機(jī)床,在中高端數(shù)控機(jī)床方面占有一席之地顯得十分重要?！笆濉币?guī)劃中也指出,整個機(jī)床行業(yè)要以提高國產(chǎn)數(shù)

2、控機(jī)床市場占有率為目標(biāo)。數(shù)控系統(tǒng)是一種典型的多軸實時運動控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用的是專用的計算機(jī)加多單片機(jī)-多控制回路的封閉式并行結(jié)構(gòu)。此類控制器在高速、高精度和多軸同步運動控制等方面存在著難以逾越的技術(shù)瓶頸。為此我們采用了深圳摩信科技有限公司基于ＤＳＰ技術(shù)的多軸運動控制器ＭＣＴ8000Ｆ4(插在ＰＣ機(jī)ＩＳＡ插槽中)配以ＰＣ機(jī)組成了主從式數(shù)控系統(tǒng),以實現(xiàn)立式數(shù)控銑床的功能。該控制器可提供2～8軸的高速、高精度伺服(步進(jìn))控制,其核心芯片采用美國ＴＩ公司32位浮點ＤＳＰＴＭＳ320Ｃ31(40ＭＨｚ)。系統(tǒng)的多軸控制指令集合可以在一個中斷周期(高達(dá)10μＳ)內(nèi)完成,從而

3、克服了傳統(tǒng)的并行結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上的同步控制瓶頸。2系統(tǒng)構(gòu)成圖1為該方案的系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖。....頁腳...頁眉利用ＤＳＰ控制器的其中三個步進(jìn)控制通道控制Ｘ、Ｙ、Ｚ軸(刀具上下位移)三個步進(jìn)電機(jī),Ｘ、Ｙ軸實現(xiàn)兩聯(lián)動,通過滾珠絲桿驅(qū)動加工平臺。所有步進(jìn)電機(jī)都配以光電旋轉(zhuǎn)編碼器以構(gòu)成(半)閉環(huán)系統(tǒng),實現(xiàn)位置和速度控制,并且在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器內(nèi)實現(xiàn)細(xì)分控制,在ＤＳＰ控制器內(nèi)對編碼器位置反饋脈沖1～4倍頻,這樣可以有效地提高步進(jìn)電機(jī)和光電編碼器的性價比。主軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用交流變頻調(diào)速電機(jī),實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。ＤＳＰ控制器的Ｉ/Ｏ通道則用來實現(xiàn)數(shù)控銑床的其它輔助功能,比如Ｘ、Ｙ、Ｚ軸行程限位、工作臺臺

4、燈、冷卻、潤滑等。該系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為0.0075ｍｍ,理論最高直線位移速度為15ｍ/ｍｉｎ(受所用電機(jī)、驅(qū)動器、機(jī)械部件等影響)。1系統(tǒng)工作過程上位ＰＣ機(jī)處理機(jī)床控制中的非實時任務(wù),實時任務(wù)由ＭＣＴ8000Ｆ4運動控制器處理。運動控制器的運行機(jī)制,是按預(yù)先設(shè)定的中斷時間周期地執(zhí)行各種運動控制指令。ＤＳＰ主控程序(可完全在Ｃ語言環(huán)境下開發(fā))在前臺監(jiān)控運動控制程序的運行狀態(tài),在后臺響應(yīng)用戶的實時控制命令,控制底層控制環(huán)節(jié)的正常運行。具體工作流程如下(參見圖2):首先在ＰＣ機(jī)上通過人機(jī)交互界面(采用ＪＡＶＡ語言開發(fā),以便于下一步的網(wǎng)絡(luò)控制實現(xiàn))繪制所要加工工件圖形(目前限于直線和圓弧

5、兩種線條),并指定是左刀補(bǔ)或是右刀補(bǔ),然后啟動ＰＣ機(jī)上刀具半徑補(bǔ)償應(yīng)用程序。計算出刀具半徑補(bǔ)償后的所要加工工件圖形各段的端(節(jié))點坐標(biāo)及圓弧起點、終點、圓心坐標(biāo),并設(shè)定各段所允許的最大加工進(jìn)給速度、加速度等參數(shù)。接著啟動主控程序,進(jìn)行下位機(jī)ＤＳＰ控制器的初始化,然后將上述有關(guān)參數(shù)讀入到主控程序。開啟基于ＤＳＰ內(nèi)部定時器的中斷服務(wù)例程。該中斷程序主要執(zhí)行如下內(nèi)容:進(jìn)行直線、圓弧實時插補(bǔ),插補(bǔ)前后加減速控制,采樣指令位置和實際位置并計算出位置偏差,進(jìn)而通過ＤＳＰ內(nèi)部數(shù)字ＰＩＤ控制器輸出各軸所需脈沖,以驅(qū)動工作平臺和刀具正確實時運動。其中ＰＩＤ控制器可以使(半)閉環(huán)系統(tǒng)具有指定的增

6、量裕度和相位裕度,Ｐ、Ｉ、Ｄ參數(shù)則通過離線調(diào)試完成設(shè)定。....頁腳...頁眉1關(guān)鍵技術(shù)及其相關(guān)理論4.1　刀具半徑補(bǔ)償在輪廓加工過程中,銑刀刀具總有一定的半徑,并且在粗加工和半精加工時,還要預(yù)留一定的加工裕量,而且由于刀具還存在著磨損,因此,待加工工件輪廓還要加上刀具半徑補(bǔ)償才是刀具中心的正確運動軌跡。為此本系統(tǒng)采用了Ｃ機(jī)能刀具半徑補(bǔ)償?shù)姆椒?刀具補(bǔ)償?shù)墓ぷ靼顺绦蚨沃g的自動轉(zhuǎn)接和切削判別。圖3是直線接直線時刀具半徑矢量、轉(zhuǎn)接交點矢量計算的軟件實現(xiàn)流程圖,該應(yīng)用程序在Ｍａｔｌａｂ開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn),然后集成到人機(jī)控制界面中去。對于直線接圓弧、圓弧接圓弧的情況稍作修正即可利用

7、這一流程圖來實現(xiàn)。將刀具半徑補(bǔ)償環(huán)節(jié)在ＰＣ機(jī)上進(jìn)行,一則可以充利用ＰＣ機(jī)資源,又可以為運動控制器實時插補(bǔ)、運動控制爭取更多的ＤＳＰＣＰＵ資源。4.2　直線及圓弧插補(bǔ)插補(bǔ)運算是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的基本數(shù)據(jù)(如直線的起點和終點,圓弧的起點、終點和圓心,進(jìn)給速度,刀具參數(shù)等),在輪廓起點和終點之間,計瑣若干中間點的坐標(biāo)值(密值),從而將工件輪廓描述出來。本系統(tǒng)的插補(bǔ)運算采用了閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床中常用的時間分割插補(bǔ)法。這種方法是每隔時間ｔｍｓ進(jìn)行一次插補(bǔ)運算。即先通過速度計算,按進(jìn)給速度Ｆ(ｍｍ/ｍｉｎ)計算出ｔ