基于DSP的機床數控系統設計

　　1 引言

　　數控技術作為先進制造技術(如柔性制造技術、計算機集成制造系統)的基礎，國家投入了大量的人力、財力進行攻關開發，其關鍵技術已取得了重大進展，實現了多坐標聯動，攻克了交流全數字伺服和主軸驅動技術，“九五”期間實現了數控機床產業化攻關目標，國產數控機床的國內市場占有率達到50%，國產數控系統占國有數控機床配套需求的50%，產值數控化率已達到20%以上。

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

　　為使機床工作臺達到亞微米級的線性運動精度，現代控制技術的引入對處理器有了更高的要求。精細化的控制單位、以微小程序段連續進給以及大數據量、高精度的補差運算和控制，也要求處理器能對加工指令做出高速度的反映，高速計算出伺服電機的移動量，隨后發出控制指令。用高性能的數字信號處理器(DSP)代替單片機，即可提高機床數控系統的運行速度，使之滿足高速和高精度控制的要求。

　　2 數控系統硬件設計

　　1. DSP數字信號處理器

　　DSP數字信號處理器時鐘頻率高、處理速度快，是單片機的理想替代品。TI公司DSP數字信號處理器TMS320F240內部的模數轉換模塊包括兩個獨立的采樣, 保持電路和兩個10位雙積分型的轉換器，16路模擬輸入通道，可同時轉換2路信號。DSP還增加了串, 并口的數量和速度，其處理一條指令的時間提高到幾十納秒，數據吞吐能力達到80MIPS以上，非常適用于大數據量的高速數據采集系統和實時控制系統，并能對A/D轉換的結果進行FFT分析、小波分析等。因此DSP正被廣泛地應用于通信、遙感、語言和圖象處理、電子測量、自動控制和模式識別等領域。

　　DSP典型的應用特點：

　　a. 當前的DSP都采用了與通用微處理機不同的結構(即哈佛結構)，實現了流水作業，使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行，指令可以在單個機器周期內完成，極大地提高了處理速度。

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

　　c. 新型的DSP大都設置了單獨的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據傳輸。這為DSP之間的串聯和并聯提供了方便，使得數控系統易于實現主從式處理器結構，即主機完成前臺控制（人機界面管理、信息顯示和預處理器等），從機完成后臺控制及插補運算、伺服控制及反饋處理等頻繁的數據運算和操作工作。

　　d. 為了方便用戶的設計與調試，許多DSP在片上設置了JTAG仿真接口和高級語言編譯器，可以對程序運行、中斷、定時等進行仿真，從而具有極大的方便性，非常適合數控開發的需要。

　　因此，DSP在高性能數控系統中具有十分重要的應用價值，在精密伺服控制系統、刀具檢測補償和快速伺服裝置、機床保護等方面有著廣泛的應用前景。

　　2. 主控制系統設計

　　數控系統控制車床的主運動、進給運動和輔助運動，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、數控刀架轉位、開關關閉、查詢X和Z向步進電機的相位、主軸正反轉等，其總體結構如圖1所示。

圖1 硬件結構原理框圖

TMS320f240通過一定的插補算法將當前的反饋位置信號與插補計算的理論位置相比較，通過環行分配，確定X、Z軸的進給脈沖；進給脈沖通過光電隔離、信號放大驅動X 、Z軸步進電機完成相應的加工運動；軟件同時完成升降速控制、刀架轉位控制以及螺紋加工程序。精密數控系統的插補周期極短，插補間隔小，其控制和插補運算相當頻繁，從而要求數控系統在極短的時間內對各軸反饋的位置信號進行處理（目前插補周期已達到毫秒級），從而使TMS320f240 處理器的采用成為必然。TMS320f240處理器強大的數據運算能力和極高的運算速度，對精密數控系統來說是一種極佳的選擇，可以實現精密機床的高精度位置伺服控制和輪廓加工控制，同時提供機床及刀具的熱效應和幾何誤差補償與控制。

　　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控制器由于內嵌PWM電路、A/D轉換電路以及其它相關電路，可以實現交流異步電動機的全數字化控制系統。TMS320f240處理器內嵌了空間矢量狀態機，因此很容易的以空間矢量方法來通斷逆變橋的六個開關器件，使得逆變橋輸出電壓滿足要求。由它構成的主軸變頻調速系統比其它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

　　在系統上電或復位后，TMS320f240內部的程序裝載器（Boot loader）將DSP程序從外部的慢速E²PROM中轉移到外部快速的SRAM中啟動運行。而本系統需要的程序存儲器空間超出32K×8位的限制，因此應特別設計專門的控制邏輯，實現系統程序的二次加載。在E²PROM中放置二次加載引導程序和DSP運行程序，上電后，二次加載引導程序首先被內部的Boot loader裝載ARAM中運行，其任務是將DSP運行程序從EPROM中搬運到SPAM中，然后將系統控制權轉交給DSP運行程序。這種方法突破了TE340f240系統自加載程序容量的限制，可以將較大的DSP程序裝載運行。