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1、前言 隨著(zhù)計算機技術(shù)的高速發(fā)展，各工業(yè)發(fā)達國家投入巨資，對現代制造技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，提出了全新的制造模式，其核心思想之一是柔性化制造，制造系統能夠隨著(zhù)加工條件的變化動(dòng)態(tài)調整。目前，各類(lèi)MCU 快速發(fā)展，它們不僅運算速度快、價(jià)格便宜、種類(lèi)繁多，而目不同M CU 針對不同的應用在其片上集成了專(zhuān)用控制電路，滿(mǎn)足了不同的應用需求還提高了電路的安全性和穩定性。綜合上述的分析與論證，本文設計了一種基于DSP＋CPLD 現場(chǎng)可編程門(mén)陣列器件的可重構數控系統。 2、硬件設計 本運動(dòng)控制卡是以PC 機作為主機的運動(dòng)控制卡，選用DSP 作為核心微處理器，卡上集成編碼器信號采集和處理電路，D/A輸出電路，擴展存儲器電路和PC-DSP通訊電路。PC機把粗處理的數據通過(guò)DSP-PC 通訊接口傳遞給運動(dòng)控制系統，DSP通過(guò)對光電編碼器反饋信號處理電路的結果分析，計算出與給定位置的誤差值，再通過(guò)軟件位置調節器獲得位置控制量，計算出運動(dòng)速度控制量，產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)D/A 轉換將模擬電壓量送給伺服放大器，通過(guò)對伺服電機的控制實(shí)現對位置的閉環(huán)控制。系統的結構框圖如圖 1 所示。 選用美國TI公司的16位定點(diǎn)DSPTMS320LF2407A作為本運動(dòng)控制器的核心處理器，地址譯碼、時(shí)序邏輯、編碼器信號處理電路用CPLD來(lái)完成，用PCI 接口芯片實(shí)現雙口RAM與PC 機的通訊，雙口RAM用來(lái)存儲和緩沖DSP與PC 機間的通訊數據，SRAM用來(lái)存儲運動(dòng)控制器運行時(shí)的程序和數據。 (1).DSP外部中斷接口處理 對于數控機床來(lái)說(shuō)，由于受工作行程等各方面的限制，在其超過(guò)控制范圍時(shí)，引入包括限位中斷和編碼器INDEX 信號中斷。每個(gè)控制軸有正反方向的兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生兩個(gè)限位信號，4 個(gè)軸共8 個(gè)限位信號:LIMA+, LIMA -、LIMB +, LIMB -、LIMC +, LIMC-，LIMD+, LIMD -其中“+”表示正限位，“-”表示負限位。這幾個(gè)信號通過(guò)CPLD 的相與之后接到DSP 的中斷管腳XINT1，同時(shí)這些信號通過(guò)光藕電路接入DSP的I/O 口。當運動(dòng)到限位開(kāi)關(guān)處時(shí)，就會(huì )觸發(fā)DSP的外部中斷信號XINT1，然后DSP就可以根據I/O 判定是哪個(gè)限位開(kāi)關(guān)超過(guò)工作范圍。8 個(gè)限位開(kāi)關(guān)分別接到DSP 的I/O 口,通過(guò)設置MCRA(地址:7090H),MCRB(地址:7092H)為零，使這些復用管腳處于I/O 功能。限位輸入信號的狀態(tài)可以從寄存器PADATDIR(地址:7098H )和PBDATDIR(地址:709AH)對應的數據位讀取,對應的數據方向位設為零，以使這些I/O 管腳工作在“輸入”狀態(tài)下。編碼器的INDEX信號處理同上面相類(lèi)似。每個(gè)軸能產(chǎn)生一個(gè)INDEX 信號，4 個(gè)軸有4個(gè)INDEX 信號。這4 個(gè)信號通過(guò)邏輯與門(mén)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號，接到XINT2,同時(shí)接到DSP 的I/O 口，供中斷產(chǎn)生時(shí)DSP讀入。 (2).四軸編碼器信號處理電路設計 四軸編碼器信號處理電路是對光電編碼器輸出的兩組相差90o 的方波信號的處理，從而獲得執行元件實(shí)際位置，其輸出是一路16 位的數字量，反饋給中央處理器，編碼器信號處理電路包括濾波，倍頻，計數幾個(gè)功能模塊，傳統的四軸編碼器信號處理電路采用分立元件來(lái)設計，它可靠性、抗干擾能力差，應用CPLD 設計了單片并行四軸編碼器信號處理電路。 它具有實(shí)時(shí)性好，硬件體積小，工作效率高，提高系統的集成度，相對于分立元件，單片并行四軸編碼信號處理電路集成在一個(gè)片子上，一方面單片芯片內的門(mén)電路、觸發(fā)器的參數特性是完全一致的，在相同轉速下脈沖信號的脈沖周期可以保持一致。另一方面，電路做在單個(gè)芯片內，抗干擾性能比分離器件構成的電路也有很大的提高，增強了系統的靈活性、通用性和可靠性。本文設計是一個(gè)四軸伺服系統，因此有八路四組方波信號，A 相B相相差90o，CLR，CLK，WE 分別為輸出清零，系統時(shí)鐘和輸出使能，SEL*是輸出選擇信號，選擇X，Y，Z，A中的一組信號處理的結果作為輸出信號，分時(shí)送到數據總線(xiàn)。 濾波模塊的設計 編碼盤(pán)理論上是穩定的方波信號，但在實(shí)際操作中，經(jīng)常會(huì )存在脈動(dòng)干擾，濾波模塊的功能是將這些脈動(dòng)干擾濾掉，降低系統產(chǎn)生誤動(dòng)作的可能性，提高系統的可靠性，下面的VHDL 程序通過(guò)對A，B 兩相方波信號同時(shí)延時(shí)四個(gè)CLK 脈沖，，脈沖寬度小于三個(gè)CLK脈沖周期的輸入信號被濾掉。仿真結果如圖： 倍頻計數模塊的設計 四倍頻電路的設計是為了增加計數脈沖在一個(gè)周期中的個(gè)數，來(lái)提高測量的分辨率，工程中常把光電編碼器輸出的兩路方波信號的上升沿和下降沿，來(lái)獲得四倍頻的脈沖信號，把光電編碼器的分辨率提高四倍，通過(guò)光電編碼器輸出兩路方波信號相差的正負來(lái)確定運動(dòng)的方向，對光電編碼器輸出信號A、B；可以寫(xiě)成： 如圖： 在一個(gè)周期內產(chǎn)生的四倍頻計數脈沖輸出S，方向判別信號J，通過(guò)一個(gè)16 位可逆計數就可以實(shí)現對伺服裝置的位置檢測，實(shí)現位置伺服控制系統的控制。 3、控制算法的設計 （1）.控制模型 數控機床的最高運動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標均取決于驅動(dòng)及位置控制系統的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能。因此，研究與開(kāi)發(fā)高性能的驅動(dòng)系統及位置控制系統，一直是研究數控機床的關(guān)鍵技術(shù)之。日前數控機床位置伺服控制仍然普遍應用經(jīng)典控制方法，如比例型或比例一積分型等算法，其優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)便，易于實(shí)現，但存在著(zhù)控制參數的適應性差、抗十擾能力不強等缺陷。為了適應制造業(yè)對高效率地生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品日標的追求以及對形狀愈來(lái)愈復雜零件的加工需要，要求不斷地改善與提高位置伺服系統的穩態(tài)精度、動(dòng)態(tài)響應特性，對系統參數變化的自適應性和抗干擾性，因而采用并發(fā)展先進(jìn)的控制技術(shù)是必然趨勢�？上У氖�，目前提出的諸多控制算法中，具有實(shí)用價(jià)值的技術(shù)極少，主要表現在:①受算法計算量等限制，難以滿(mǎn)足控制的實(shí)時(shí)性要求;②控制理論在參數設計及穩定性分析等方面不完善;③建模誤差對控制品質(zhì)的限制。 本文利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的自學(xué)習功能，設計了一種在線(xiàn)單神經(jīng)元PID 與CMAC 并行控制智能型位置控制器，并將之用到數控系統的實(shí)時(shí)控制中，取得了很好的控制效果，控制模型結構如圖： （2）仿真和實(shí)現 采用的單神經(jīng)元PID及CMAC 相結合的復合控制算法，完成對位置伺服控制器典型輸入斜坡輸入響應的仿真實(shí)驗。圖5 是位置伺服系統的單位斜坡輸入在輸入端加入10%的階躍擾動(dòng)后，兩種控制算法的輸出曲線(xiàn)圖，通過(guò)對圖形的分析，可以看出，單神經(jīng)元PID 與CMAC相結合控制算法比常規PID 控制算法有更小的跟隨誤差，和更好的抗干擾能力。這個(gè)在位置伺服控制系統中更為重要。 4、結束語(yǔ) 利用計算控制功能強大的DSP 芯片構建了數控系統平臺，應用CPLD 解決了系統不同應用場(chǎng)合邏輯電路變化的問(wèn)題，從硬件上實(shí)現了可重構性�？刂扑惴ㄝ^常規PID 控制有更好的動(dòng)態(tài)特性、控制精度、抗干擾能力，而且具有自適應功能。該系統是一種開(kāi)放的系統，可以使用戶(hù)很方便的不斷進(jìn)行軟、硬件升級，一定時(shí)間內跟上數控技術(shù)發(fā)展的步伐。 |
