基于DSP的机床数控系统设计

　　1 引言

　　数控技术作为先进制造技术(如柔性制造技术、计算机集成制造系统)的基础，国家投入了大量的人力、财力进行攻关开发，其关键技术已取得了重大进展，实现了多坐标联动，攻克了交流全数字伺服和主轴驱动技术，“九五”期间实现了数控机床产业化攻关目标，国产数控机床的国内市场占有率达到50%，国产数控系统占国有数控机床配套需求的50%，产值数控化率已达到20%以上。

　　从最近几次机床展览会上可以看出，针对快速发展中的中国市场，国外众多著名数控系统供应商如法那克、西门子、日本安川、三菱等公司相继推出中低档数控系统。目前，占据国内数控系统市场主要份额的仍然是经济型数控机床系统。这类系统大多采用MCS-51系列单片机或与MCS-51系列兼容的单片机，最高时钟频率为12~40MHz，单周期指令执行时间为250ns~1s，限制了经济型数控机床性能的提高，特别是多轴高速联动、螺纹高速切削和高分辨率控制等功能受到限制。

　　为使机床工作台达到亚微米级的线性运动精度，现代控制技术的引入对处理器有了更高的要求。精细化的控制单位、以微小程序段连续进给以及大数据量、高精度的补差运算和控制，也要求处理器能对加工指令做出高速度的反映，高速计算出伺服电机的移动量，随后发出控制指令。用高性能的数字信号处理器(DSP)代替单片机，即可提高机床数控系统的运行速度，使之满足高速和高精度控制的要求。

　　2 数控系统硬件设计

　　1. DSP数字信号处理器

　　DSP数字信号处理器时钟频率高、处理速度快，是单片机的理想替代品。TI公司DSP数字信号处理器TMS320F240内部的模数转换模块包括两个独立的采样, 保持电路和两个10位双积分型的转换器，16路模拟输入通道，可同时转换2路信号。DSP还增加了串, 并口的数量和速度，其处理一条指令的时间提高到几十纳秒，数据吞吐能力达到80MIPS以上，非常适用于大数据量的高速数据采集系统和实时控制系统，并能对A/D转换的结果进行FFT分析、小波分析等。因此DSP正被广泛地应用于通信、遥感、语言和图象处理、电子测量、自动控制和模式识别等领域。

　　DSP典型的应用特点：

　　a. 当前的DSP都采用了与通用微处理机不同的结构(即哈佛结构)，实现了流水作业，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行，指令可以在单个机器周期内完成，极大地提高了处理速度。

　　b. 快速运算能力DSP芯片有一个专用的硬件乘法器，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法，有利于提高复杂算法的运行效率。

　　c. 新型的DSP大都设置了单独的DMA总线及其控制器，在不影响或基本不影响DSP处理速度的情况下作并行的数据传输。这为DSP之间的串联和并联提供了方便，使得数控系统易于实现主从式处理器结构，即主机完成前台控制（人机界面管理、信息显示和预处理器等），从机完成后台控制及插补运算、伺服控制及反馈处理等频繁的数据运算和操作工作。

　　d. 为了方便用户的设计与调试，许多DSP在片上设置了JTAG仿真接口和高级语言编译器，可以对程序运行、中断、定时等进行仿真，从而具有极大的方便性，非常适合数控开发的需要。

　　因此，DSP在高性能数控系统中具有十分重要的应用价值，在精密伺服控制系统、刀具检测补偿和快速伺服装置、机床保护等方面有着广泛的应用前景。

　　2. 主控制系统设计

　　数控系统控制车床的主运动、进给运动和辅助运动，具体来说就是控制键盘的输入和输出、刀架在X、Z方向的行程、数控刀架转位、开关关闭、查询X和Z向步进电机的相位、主轴正反转等，其总体结构如图1所示。

图1 硬件结构原理框图

TMS320f240通过一定的插补算法将当前的反馈位置信号与插补计算的理论位置相比较，通过环行分配，确定X、Z轴的进给脉冲；进给脉冲通过光电隔离、信号放大驱动X 、Z轴步进电机完成相应的加工运动；软件同时完成升降速控制、刀架转位控制以及螺纹加工程序。精密数控系统的插补周期极短，插补间隔小，其控制和插补运算相当频繁，从而要求数控系统在极短的时间内对各轴反馈的位置信号进行处理（目前插补周期已达到毫秒级），从而使TMS320f240 处理器的采用成为必然。TMS320f240处理器强大的数据运算能力和极高的运算速度，对精密数控系统来说是一种极佳的选择，可以实现精密机床的高精度位置伺服控制和轮廓加工控制，同时提供机床及刀具的热效应和几何误差补偿与控制。

　　通用的变频器采用交—直—交的形式，先把工频交流通过整流器转变成直流，然后再变换成频率、电压均可控制的交流。DSP控制器由于内嵌PWM电路、A/D转换电路以及其它相关电路，可以实现交流异步电动机的全数字化控制系统。TMS320f240处理器内嵌了空间矢量状态机，因此很容易的以空间矢量方法来通断逆变桥的六个开关器件，使得逆变桥输出电压满足要求。由它构成的主轴变频调速系统比其它PWM方法能提高电压的利用率，减少谐波的影响。

　　3. 大容量DSP程序自加载

　　在系统上电或复位后，TMS320f240内部的程序装载器（Boot loader）将DSP程序从外部的慢速E²PROM中转移到外部快速的SRAM中启动运行。而本系统需要的程序存储器空间超出32K×8位的限制，因此应特别设计专门的控制逻辑，实现系统程序的二次加载。在E²PROM中放置二次加载引导程序和DSP运行程序，上电后，二次加载引导程序首先被内部的Boot loader装载ARAM中运行，其任务是将DSP运行程序从EPROM中搬运到SPAM中，然后将系统控制权转交给DSP运行程序。这种方法突破了TE340f240系统自加载程序容量的限制，可以将较大的DSP程序装载运行。