介紹了一種基于數字信號處理器（DSP）的開放體系電火花數控系統的設計與實現技術，給出了系統的軟、硬件的主要結構和功能，并著重分析了DSP的任務、工作程序，通過速度、加速度前饋濾波實現了位置閉環和速度閉環，從而保證了系統的靜態精度和動態性能。最后給出了該數控系統成功用于TM735電火花機的數控改造實例。 1 引言 近年來，隨著LSI技術的發展國外一些大公司如德州儀器公司、AD公司推出一類新型的微處理器芯片數字信號處理器（Digtal Signal Processor——DSP），有的DSP除增加了芯片內RAM的容量和片外尋址能力外，還增加了串/并口的數量和速度，增加了計數定時器、ADC、DAC等，其處理一條指令的時間提高到幾十納秒，數據吞吐能力高達數十MIPS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。在國外DSP已廣泛應用于通信、遙感、語音和圖象處理、電子測量、自動控制和模式識別等領域；而我國DSP的應用還處于起步階段。 在數控加工中，特別是在電火花數控加工中，要求數控系統在極短的時間內對位置信號和加工間歇電壓信號進行處理，電火花加工工藝非常復雜，采用DSP能夠實現其工藝參數的快速調整，從而大大提高了勞動生產率，因此，將DSP應用于高性能電加工數控系統的開發不失為一種好的策略。目前真正能夠生產數控電火花機的廠家使用的多是德國西門子數控系統或臺灣生產的各種系統，這類產品在技術上已經成熟，在器件上多采用32位RISC芯片，數字協處理器（Mathematical Coprocessor）及動態存儲器等新技術，進一步提高了系統的運行速度和精度，但其采用的是非標準總線，開放性差。目前采用通用計算機作為數控系統的基礎，充分利用通用計算機具有豐富的軟硬件資源和便于隨通用計算機升級換代的優勢，始終保持技術上的領先，發展前景很好，基于PC平臺的CNC系統已成為國際數控系統發展的主流。 有鑒于此，本文在對開放式體系結構進行深入研究的基礎上，直接應用當今微電子技術、計算機技術的最新成果——美國德州儀器公司的DSP芯片TMS320C40，選擇合適的元器件和部件，通過減少元器件和部件的數量提高硬件的可靠性和兼容性；在軟件設計方面采用模塊化、開放式結構，吸收各種有價值的應用軟件，完善系統功能；成功地開發了一套基于DSP的開放式電火花數控系統并用于實際生產。這樣的系統兼容性好，維修、升級方便。 2 開放式的數控系統的硬件設計 2.1 系統硬件結構 本開放式體系結構的核心是開發一塊具有STD/PCI04總線，并且自帶高速DSP芯片的開放式多軸運動控制卡，與嵌入式PC主機構成多處理器結構，充分利用DSP具有高達數十MIPS的數據吞吐能力以及短至幾十納秒的指令周期，這些非常適合高速數據采集和實時控制的特點，從而實現實時電火花加工間歇電壓采集、高速插補、計算等功能。 由于運動控制卡可完成空間直線、圓弧插補，從而大大減輕了主機負擔，同時系統中主機與DSP之間交換數據采用了雙口存儲器方式，解決了輸入/輸出通信瓶頸問題。由于使用了標準的工控機作為主機，從而使系統具有雙CPU結構，主機（工業PC機）與DSP直接通過總線相聯，主機和DSP均可讀寫內存。同時主機CPU也可直接讀寫I/O信號和讀取反饋信號。DSP采用50MHz的TMS320C40芯片，它具有多總線、多處理單元、流水線、硬件乘法器等結構，使其具有了高速的數據處理和邏輯控制能力，能夠較好地完成較為復雜的控制算法。 控制系統可提供4軸閉環模擬電壓（±10V）伺服控制信號，8路光電隔離限位開關信號輸入，4路光電隔離原點開關信號輸入，16路光電隔離通用信號輸入，16路光電隔離通用信號輸出，8路12位A/D轉化，4路4倍頻光電編碼器反饋信號接口，編碼器輸人信號頻率最高可達8MHz，輸入輸出接口均使用光電隔離保護，以滿足工業環境的使用，圖1是數控系統硬件結構簡圖。 2.2 系統硬件工作原理分析 本控制系統中DSP通過STD或PCI04總線和計算機通信，主機千方面從各控制軸采集數據進行計算；另一方面，又根據工藝及數學模型運算生成運動控制指令，通過雙口存儲器與DSP交換數據，DSP通過計算，將命令送達各軸伺服驅動器，完成運動控制，加工出滿足工藝要求的合格產品。主CPU和DSP能直接訪問數據總線實現快速通訊，運動控制卡不要求PC計算機任何時候都處于通訊狀態，只有在有信息傳送或命令運行時，計算機才需要讀或寫數據總線。而且任何運動命令均可暫存在DSP的內存中等待執行。這樣就便于采用標準化接口和通用軟件開發工具，靈活地進行系統開發，使系統具有開放性和通用性，并且通過以太網，可方便地實現遠程控制。 3 開放式的數控系統的軟件設計 3.1 DSP的任務 DSP的首要任務是計算在一定時間段內（一般為10ms左右，稱作分析周期）的加工間隙電壓的平均值．并根據此值判斷加工狀態是否正常，從而實現對電火花加工間隙電壓的控制。由于電火花加工過程不同于其它的機械加工，不存在切削力作用，而是依靠工具電極和工件之間的火花放電所引起的物理、化學變化不斷蝕除工件表層的過程。在工程實踐中一般采用一個檢測周期內間隙電壓的平均值來判斷放電狀態，間隙電壓過大不能形成放電通道，不能加工；間隙電壓適中，正常加工；間隙電壓過小，造成短路燒毀工件。常用的方法是通過設置門欖電壓值Vref1、Vref2）、乙的方法，將放電狀態劃分為3個區域，即當放電電壓值高于Vref1，時為開路；當放電電壓值在Vref1和Vref2之間時為正常放電區域；當放電電壓值低于Vref2。時為異常放電區域。對于門欖電壓值的設定傳統方法是給定經驗數據。因此，對電火花加工過程的控制是有其特殊性的，即不僅要控制進給位移，而且要控制間隙電壓。由前所述間隙電壓的檢測值是一個統計平均值，這就導致實際上難以設置精確的門欖電壓值，對間隙電壓過大、適中和過小的判斷本質上是一種模糊判斷，因而間隙電壓具有模糊集合的特征。采用模糊控制理論，通過總結操作人員對加工過程的操作和控制的經驗，用模糊條件語句構成控制規則，采用極大極小合成運算原理，從而得到一個模糊加工控制模型，根據加工間隙電壓和間隙電壓的變化率推斷出伺服電機的輸入電壓值，即生成一個模糊控制決策表，進而控制電機的轉動方向和轉速，使間隙電壓穩定在設定值范圍內。 DSP控制器的第二個任務是進行位置控制，即在每個伺服周期內運行一個PID伺服控制算法。當進行位置控制時，DSP根據PC機傳過來的指令，在每個伺服周期內，產生理論的位置、速度、加速度、加加速度，與根據碼盤反饋回來的信號而確定的位置、速度、加速度、加加速度進行比較，從而進行PID調節，PID運算的結果作為系統的輸出。在每個伺服周期內中上述理論加加速度作用于理論加速度上，理論加速度作用于理論速度上，理論速度作用于理論位置上。這一新的理論位置這時被PID回路用來更新模擬電壓。最后，每次采樣，控制器檢驗每軸的專用I/O口。如果某個傳感器被激活那么控制器就捕獲這一信息，并執行預先設置好的對應動作。 3.2 DSP的工作流程及有關算法 主CPU使用硬件復位使DSP控制器復位。DSP復位后，執行下面引導程序： （1）初始化所有的變量； （2）復位全部外設； （3）關閉所有的輸出（高阻抗）。 本系統采用了速度前饋、加速度前饋方式。在每一個采樣周期內DSP連續執行如圖2所示的程序。 讀當前位置：編碼器；模擬輸入；并行輸入。 計算新軌跡： Tn=Tn-1+Fs （1） An=An-1+Fs＊Jn （2） Vn=Vn-1+Fs＊An （3） Xn=Xn-1+Fs＊Vn （4） 其中：Fs為采樣時間；Tn為采樣n開始時的時刻；Jn為采樣n的加加速度；Xn為采樣n的位移；Vn為采樣n的速度；An為采樣n的加速度。 事件檢查：限位開關；原位置傳感器；放大器故障；外部輸入;軟件限位；時間限制（軌跡計算）。 執行事件：不反應;急停;停;新運動參數。 計算和設置控制輸出:PID參數及計算；用戶輸出口。 DSP控制器的PID算法： DSP控制器采用數字濾波技術由輸出誤差來決定輸出控制信號。如何計算輸出值是用6個參數來決定的。DSP運用的PID算法如下： On=Kr（Kp＊En+Kd＊（En-En-1）+Ki＊Sn+Kv＊Vn+64＊Ka＊An）+Ko （5） 其中：Sn=Sn-1+En如果-Smax＜Sn＜Smax Sn=Smax如果Sn＞Smax Sn=-Smax如果Sn＜-Smax On為在采樣n的電動機控制輸出；Kr為放大參數；Kp為比例增益；Kd為微分增益；Ki為積分增益；Kv為速度前項反饋；Ka為加速度前項反饋；Ko為靜態偏置；En為在采樣n內的指令加速度乘以2的-6次冪；Z。為位置在采樣n內的誤差；Vn為在采樣n內的指令速度；Sn為積分誤差；Smax為最大積分誤差。 3.3 系統軟件描述 3.3.1 一級模塊功能描述 （1）初始化程序。在數控系統上電后自動地對有關接口設置工作狀態、有關寄存器或存儲單元設置常數或清零。 （2）輸人數據處理程序。輸人數據一般指鍵盤或開關量輸入。輸人數據處理一般包括代碼轉換、刀具半徑偏移計算、開關功能分析等模塊。有些處理是在程序輸入過程中進行的，這樣能夠減少加工過程中所要處理的數據量，從而提高加工速度。 （3）插補運算程序。插補運算實現坐標軸運動分配的功能。運動分配包括點位、直線以及曲線3個方面，由于計算機具有豐富的指令和相應的算術子程序，會給插補帶來許多方便。插補程序中所用指令應盡可能少，以提高插補速度和精度。 （4）速度控制程序。速度控制以控制插補頻率來實現F指令所給定的進紿量。它可用兩種方法實現，一種用軟件方法實現，采用程序計數法；另一種用定時計數電路由外部時鐘計數運用中斷方法來實現對插補速度的控制。在速度控制程序中同時應加入對間隙電壓的模糊控制策略和程序，從而既實現對速度和位移的控制，又實現對間隙電壓的控制，保證加工的正常進行。 （5）系統管理程序。系統管理程序是實現CNC系統協調工作的主體軟件，輸入程序、數據處理程序以及其它NC的專用程序等均由它來管理。 （6）診斷程序。診斷程序可以在系統工作過程中，隨時發現系統故障，并能指示故障類型，或在維修中查找有關部件的工作狀態，判別其是否正常，對于不正常的部件給以顯示，便于維修人員及時處理。 其中1、2、5、6模塊在PC機上運行，3、4程序模塊在DSP上運行。 3.3.2 主要二級模塊的功能描述 （1）譯碼處理程序。由于輸入的指令都是加工工件過程的一個程序段，其中含有各種工件的輪廓信息（如起點、終點、直線和圓弧等）、加工速度信息（F代碼）和其它輔助加工信息（如M、S、T代碼等）。因此必須通過譯碼過程，將它們解釋成計算機可以理解的數據形式，并以一定的格式存放于指定的內存專用區域中。在譯碼過程中，還應完成對程序段的語法檢查，若發現錯誤，停止譯碼并報警。 （2）電極補償處理程序。電極補償包括電極半徑補償和電極長度補償（亦稱為電極損耗補償）。通常輸入的工件加工程序是以零件輪廓軌跡來編程，電極半徑補償的作用就是把零件輪廓信息轉化成電極中心軌跡，同時還應包括程序段間的自動轉接判斷。 （3）各顯示功能模塊。它們為操作者提供友好的人機界面。應包括零件程序顯示、參數顯示、刀具位置顯示、機床狀態顯示以及加工過程中刀具運動軌跡的實時動態圖形顯示。 4 應用實例及結論 為了驗證本文所述電火花數控系統的正確性和實用性，特采用此數控系統改裝南通威特機械有限公司生產的電火花成形機床TM735，并將此機床同日本Sodick—A50R數控電火花成形機床進行加工對比。具體實驗條件采用銅電極，鋁工件，工作液為煤油， 負極性加工。表1為所采用加工規準及加工參數方案。表2為兩臺機床在相同加工條件下，加工同一零件所用時間對比表。 由實驗結果可知，采用本文所開發的數控系統所裝配的TM735機床的加工效率已經接近甚至在某些加工條件下已經超過進口的同類機床。本文研制的基于DSP的開放式電火花數控系統，采用高速DSPTMS320C40作為運動控制的核心，其強大的運算能力、極高的處理速度，使本控制系統具有良好的實時性；嵌入式運動控制卡與PC主機構成多處理器結構，易于發揮PC平臺軟硬件資源豐富的優勢，人機界面友好，操作簡單，運行可靠。本系統支持數控機床進一步向開放式、高速高精度、智能化、集成化、網絡化方向發展。 第二屆伺服與運動控制企業論壇論文集 第三屆伺服與運動控制論壇論文集