基于DSP技术的多轴运动控制器的应用研究

基于DSP 技术的多轴运动控制器的应用研究

高军礼　陈　玮　邓则名　李　芳

广东工业大学自动化学院,广东广州　510090

摘要:本文介绍了利用基于DSP 技术的多轴运动控制器作为下位机,PC 机作为上位机所构成的主从式

数控立式铣床控制系统。该系统充分利用了PC 机技术和DSP 技术资源,具有高精度、高速度、

高性价比的特性。

关键词:数字信号处理器;运动控制器;数控系统中图分类号:TP34213　文献标识码:A 文章编号:1001-2265(2002)03-0003-03

The research on multi -axis motion controller based on DSP

G AO J unli CHEN Wei DEN G Zeming L I Fang

Abstract :This paper introduces one PC —DSP principal and subordinate frame numerical control s ystem on milling machine.The system takes full advantage of the technology resource of PC &DSP.Higher precision ,velocity ,performance price ratio can be guaranteed.

K ey w ords :DSP ;motion controller ;numerical control system

1　引言

WTO ———中国人企盼十多年的梦想终于实现了,

这无疑对我国原本相对落后的机械制造业带来了难得的机遇和巨大的挑战。作为机械制造业重中之重的数控机床自然首当其冲,未来几年内我们国家能不能尽快与国际接轨,开发出具有自主知识产权的高精密数控机床,在中高端数控机床方面占有一席之地显得十分重要。“十五”规划中也指出,整个机床行业要以提高国产数控机床市场占有率为目标。

数控系统是一种典型的多轴实时运动控制系统。传统的机床数控系统采用的是专用的计算机加多单片机-多控制回路的封闭式并行结构。此类控制器在高速、高精度和多轴同步运动控制等方面存在着难以逾越的技术瓶颈。为此我们采用了深圳摩信科技有限公司基于DSP 技术的多轴运动控制器MCT8000F4(插在PC 机ISA 插槽中)

配以PC 机组成了主从式数控系统,以实现立式数控铣床的功能。该控制器可提供2～8轴的高速、高精度伺服(步进)控制,其核心芯片采用美国TI 公司32位浮点DSP TMS320C31(40MHz )。系统的多轴控制指令集合可以在一个中

断周期(高达10

μS )内完成,从而克服了传统的并行结构在本质上的同步控制瓶颈。

图1　数控铣床控制系统硬件接线示意图

2　系统构成

图1为该方案的系统硬件构成图。

利用DSP 控制器的其中三个步进控制通道控制

X 、Y 、Z 轴(刀具上下位移)三个步进电机,X 、Y 轴实现两联动,通过滚珠丝杆驱动加工平台。所有步进电机都配以光电旋转编码器以构成(半)闭环系统,实现位置和速度控制,并且在步进电机驱动器内实现细分控制,在DSP 控制器内对编码器位置反馈脉冲1～4

基金项目:广东省重点学科(992001)资助

倍频,这样可以有效地提高步进电机和光电编码器的性价比。主轴旋转电机采用交流变频调速电机,实现转速控制。DSP 控制器的I/O 通道则用来实现数控铣床的其它辅助功能,比如X 、Y 、Z 轴行程限位、工作台台灯、冷却、润滑等。该系统脉冲当量为0.0075mm ,理论最高直线位移速度为15m/min (受所用电机、驱动器、机械部件等影响)。

3　系统工作过程

上位PC 机处理机床控制中的非实时任务,实时

任务由MCT8000F4运动控制器处理。运动控制器的运行机制,是按预先设定的中断时间周期地执行各种运动控制指令。DSP 主控程序(可完全在C 语言环境下开发)在前台监控运动控制程序的运行状态,在后台响应用户的实时控制命令,

控制底层控制环节的正常图2　系统工作流程图

运行。具体工作流程如下(参见图2):

首先在PC 机上通过人机交互界面(采用JAVA

语言开发,以便于下一步的网络控制实现)绘制所要加工工件图形(目前限于直线和圆弧两种线条),并指定是左刀补或是右刀补,然后启动PC 机上刀具半径补偿应用程序。计算出刀具半径补偿后的所要加工工件图形各段的端(节)点坐标及圆弧起点、终点、圆心坐标,并设定各段所允许的最大加工进给速度、加速度等参数。接着启动主控程序,进行下位机DSP 控制器的初始化,然后将上述有关参数读入到主控程序。开启基于DSP 内部定时器的中断服务例程。该中断程序主要执行如下内容:进行直线、圆弧实时插补,插补前后加减速控制,采样指令位置和实际位置并计算出位置偏差,进而通过DSP 内部数字PID 控制器输出各轴所需脉冲,以驱动工作平台和刀具正确实时运动。其中PID 控制器可以使(半)闭环系统具有指定的增量

裕度和相位裕度,P 、I 、D 参数则通过离线调试完成设

定。

4　关键技术及其相关理论

411　刀具半径补偿

在轮廓加工过程中,铣刀刀具总有一定的半径,并且在粗加工和半精加工时,还要预留一定的加工裕量,而且由于刀具还存在着磨损,因此,待加工工件轮廓还要加上刀具半径补偿才是刀具中心的正确运动轨迹。为此本系统采用了C 机能刀具半径补偿的方法,刀具补偿的工作包括了程序段之间的自动转接和切削判别。图3是直线接直线时刀具半径矢量、转接交点矢量计算的软件实现流程图,该应用程序在Matlab 开发环境下实现,然后集成到人机控制界面中去。对于直线接圆弧、圆弧接圆弧的情况稍作修正即可利用这一流程图来实现。

将刀具半径补偿环节在PC 机上进行,一则可以充利用PC 机资源,又可以为运动控制器实时插补、

运图3　直线接直线转接分类的软件实现

动控制争取更多的DSP CPU 资源。

注:α为两段直线程编轨迹的逆时针矢量夹角。

412　直线及圆弧插补

插补运算是数控系统根据输入的基本数据(如直线的起点和终点,圆弧的起点、终点和圆心,进给速度,刀具参数等),在轮廓起点和终点之间,计琐若干中间点的坐标值(密值),从而将工件轮廓描述出来。本系

统的插补运算采用了闭环控制的数控机床中常用的时间分割插补法。这种方法是每隔时间tms 进行一次插

(ICME -2000),Shanghai ,2000

[4]Y.M.Huang ,F.G ao ,L.X.Dong.Automatic G eneration of the

K inematics Scheme for Hybrid Serial -Parallel Types of Robots.2000IEEE Internationao Conferrence on Industrial Electronics ,Control and Instrumentation (IECON -2000),

Nagoya ,Japan ,2000.

收稿日期:2001-8-18

作者简介:樊泽明(1972-),男,陕西靖边人,西安理工大学博士研究生。

(编辑　何　钢)

图4　MCT8000F 4采用的加2减速控制规律

T =匀加2减速;S =正弦加2减速;P =抛物线加2减速

(上接第4页)速度F (mm/min )计算出tms 内的合成

进给量f ,然后进行插补运算,根据刀具运动轨迹与各坐标轴的几何关系,求出各轴在一个插补周期内的插补进给量,按时间间隔以增量形式给各轴送出一个个插补增量,通过驱动部分使机床完成预定轨迹的加工,边计算,边加工,直至加工终点。合成进给量f 为:

f =

F ×1000×t

60×1000

t um/tms

对于直线插补来讲,插补所形成的轮廓步长子线段与给定的直线重合,不会造成轨迹误差;而在圆弧插补中,是用切线或弦线来逼近圆弧,因而不可避免地会带来轮廓误差。本系统的轮廓误差可以按如下公式由用户自行设定。

V max Φ2R arctg2(

2R ε-ε2

,R -ε

)/Δt 注:

ε为轮廓精度,R 为圆弧半径,arctg2为计算机反正切函数,Δt 为插补周期,V 为插补速度。

传统的数据采样插补法采用粗插补和精插补,不仅增加了计算量,降低了加工速度,而且破坏了速度与加速度的平稳圆滑过渡,易引起抖动和振动。同时第一次粗插补在一定程度上已决定了系统插补的精度,而且中间点的密度过大势必造成运算量的大增。而本系统则直接采用一次高速、高精度精插补法,配以加减

速控制,由mix -move -2-CP (…)函数具体实现,实际运行效果比较理想。413　加减速控制

在数控系统中,为了保证机床在起动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡,必须对送到电机的进给脉冲频率或电压进行加减速控制。即在机床加速起动

时,保证加在电机上的脉冲频率或电压逐渐增大,反之则减少,从而使机床在各种加工作业的情况下都能快

速准确地停留在给定的位置上。

如图4所示,本系统DSP 控制器支持匀加减速、三角函数双S 加减速和抛物线双S 加减速三种加减速控制方式,实现于插补运算前后。通过设定各段加工线条的最大允许插补速度、加速度即可以实现插补前加减整速控制,插补后加减速控制则通过设定最大允许进给速度、加速度由步进控制脉冲输出函数step-movex-CP (…

)具体实现。比较图中的三条加减速控制曲线可以看出在初速度、最大加速度和最大速度相同的情况下,抛物线双S 加减速控制方式最为平稳圆滑,三角函数双S 加减速次之,匀加减速控制方式则存在着速度突变,对机械部分不利易引起抖动和振动。

5　结束语

该系统摈弃了传统数机床比较烦琐的G 代码、二次粗精插补,采用了人机交互绘制加工图形并先行进

行刀具半径补偿再将相关数据送至底层主控程序,进行一次性高速度、高精度实时插补、前后加减速运动控制的方法。上位机、下位机两部分控制程序可以用高级语言实现分块独立开发,有效地缩短了开发周期。本文所研究之数控立式铣床系统现已实现两轴半数控铣床的主要功能,更完善、更深入的研究正在进行之中。

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[1]廖效果,朱启逑.数字控制机床.武汉:华中理工大学出

版社,1999

[2]刘又午,杜君文.数字控制机床.北京:机械工业出版社,

1999

[3]程金林,周学才.国产MCT8000运动控制器的轨迹规划

系统.制造业自动化,2001(5)

[4]高军礼,陈玮等.基于Browser/Server 的数控系统实现方

法的探讨,计算技术与自动化,2001(3)

[5]深圳摩信科技有限公司网上技术资料.www.motionct.

com

收稿日期:2001-12-7

作者简介:高军礼(1973-),男,河南开封人,广东工业大学硕士研究生。

(编辑　何　钢)