[align=center]北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院 潘月斗 天津大學(xué)自動化學(xué)院 許鎮(zhèn)琳 湛江海洋大學(xué)電子信息工程學(xué)院 徐東桂[/align] 提出了一種基于DSP（TMS320F2812）的CAN總線結(jié)構(gòu)嵌入式機床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計方法，解決了數(shù)控系統(tǒng)與伺服間指令信息誤差對數(shù)控系統(tǒng)性能的影響。設(shè)計了數(shù)控系統(tǒng)與伺服間基于CAN總線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。所設(shè)計的數(shù)控系統(tǒng)具有集成度高，結(jié)構(gòu)靈活，可擴展性好及性價比高等特點。 1 引言 目前，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的主要份額是經(jīng)濟型機床數(shù)控系統(tǒng)，這類數(shù)控系統(tǒng)大多是16位微處理器，最高時鐘頻率為12～40MHz，運行速度較低，這就限制了數(shù)控機床性能的提高，特別是多軸高速聯(lián)動、螺紋高速切削及高分辨率實時控制等功能受到限制。另外目前國內(nèi)外大部分中高檔閉環(huán)機床數(shù)控系統(tǒng)采用的控制方式為位置環(huán)調(diào)節(jié)由數(shù)控系統(tǒng)完成，連接的伺服系統(tǒng)為速度伺服系統(tǒng)，速度伺服系統(tǒng)進行負載的力矩電流和電機的速度調(diào)節(jié)，機床數(shù)控系統(tǒng)將位置環(huán)調(diào)節(jié)器輸出數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量作為機床數(shù)控系統(tǒng)輸出指令控制伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)將機床數(shù)控系統(tǒng)輸出模擬電壓指令經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為伺服系統(tǒng)控制電動機的指令數(shù)據(jù)，在這個過程中，由于經(jīng)過了D/A和A/D的轉(zhuǎn)換，機床數(shù)控系統(tǒng)位置環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的實時指令數(shù)據(jù)在傳輸?shù)剿欧到y(tǒng)時產(chǎn)生誤差，影響了電動機的控制性能，難于實現(xiàn)高精度加工控制過程。因此，本文提出基于DSP（TMS320F2812）的CAN總線結(jié)構(gòu)嵌入式機床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計方法。 2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 本系統(tǒng)采用DSP（Digital Signal Process）+可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu)，以F2812+CPLD為核心硬件，完成數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計。TMS320F2812DSP（以下簡稱F2812）是德州儀器公司（T1）生產(chǎn)的2000系列最新一代的高速高性能定點DSP，32位CPU可提供150M次/s指令，具有CAN總線接口。系統(tǒng)原理如圖1所示。 F2812CPU主要完成兩方面的工作：①與上位機的數(shù)據(jù)通訊，包括加工程序下載、基本參數(shù)設(shè)置、接受上位機的統(tǒng)一調(diào)配等功能；②完成一個獨立的數(shù)控系統(tǒng)的加工工作，首先是加工程序的輸入、控制參數(shù)、補償數(shù)據(jù)的錄入，然后是加工程序的譯碼，接著進行數(shù)據(jù)處理、計算刀具半徑補償量、進給速度、執(zhí)行輔助功能代碼、進行插補運算，把插補后的數(shù)據(jù)通過CAN總線送到伺服驅(qū)動器。 CPLD部分主要用來實現(xiàn)邏輯電路，對手輪脈沖進行計數(shù)的計數(shù)器。1個4倍頻電路，1個32位計數(shù)器，對主軸碼盤信號進行計數(shù)，供螺紋插補時使用。 3 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 在CNC控制系統(tǒng)中，其數(shù)控的基本功能是由各種功能子程序?qū)崿F(xiàn)的。不同的軟件結(jié)構(gòu)對各功能模塊的安排方式不同，管理方式也不同。在本系統(tǒng)中，軟件采用中斷型的軟件結(jié)構(gòu)。本數(shù)控系統(tǒng)由以下5個主要的模塊組成，它們之間的相互關(guān)系見圖2。 （1）人機界面模塊：加工狀態(tài)信息顯示、參數(shù)管理、文件管理、DNC功能、程序輸入等。 （2）數(shù)據(jù)處理模塊：譯碼、刀具補償。 （3）任務(wù)協(xié)調(diào)模塊：控制系統(tǒng)在不同方式下的運算、位置控制。 （4）控制模塊：速度處理、插補預(yù)處理、插補運算、位置控制。 （5）PLC模塊：S、M、T功能實現(xiàn)、機床面板功能實現(xiàn)和故障診斷、信息反饋。 4 數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)基于CAN總線方式的通訊建立 數(shù)控系統(tǒng)與伺服間CAN接口用于傳遞運動數(shù)據(jù)和控制狀態(tài)數(shù)據(jù)，CNC發(fā)往伺服的數(shù)據(jù)包括CNC系統(tǒng)給伺服的控制信號、伺服參數(shù)的修改值、指令伺服運動數(shù)據(jù)值等；伺服系統(tǒng)發(fā)往CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括伺服當(dāng)前的狀態(tài)信號、伺服參數(shù)、伺服實際運動數(shù)據(jù)值等。 4.1 CNC發(fā)往伺服的數(shù)據(jù) 4.1.1 CNC發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義 CNC需要向伺服系統(tǒng)發(fā)送的信息主要包含：控制信號，（位置/速度）增量，伺服參數(shù)（當(dāng)在CNC上修改伺服參數(shù)時）。點對點發(fā)送時的每一幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下： 緊跟的數(shù)據(jù)內(nèi)容為對伺服的控制信號，它以16位字來定義，且每一位的意義可自行定義，見表1。 4.1.2 數(shù)據(jù)發(fā)送方式 在正常情況下，CNC向伺服系統(tǒng)發(fā)送控制信號采用不定時的方式發(fā)送，在下述3種情況下發(fā)送控制信號：①開機（或重啟動）初始化完成，為了與伺服建立通訊聯(lián)系，CNC每200ms發(fā)送一次控制信號，直到與伺服建立通訊為止；②當(dāng)CNC要改變對伺服的控制時；③發(fā)生報警時。 發(fā)送時一般采用點對點的方式，必要時也可采用廣播的方式，當(dāng)CNC需要向伺服系統(tǒng)發(fā)送（位置/速度）增量時采用定時的方式發(fā)送，發(fā)送時一般采用廣播的方式，必要時也可采用點對點的方式。 4.2 伺服發(fā)往CNC的數(shù)據(jù) 4.2.1 伺服發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義 伺服系統(tǒng)需要向CNC發(fā)送的數(shù)據(jù)信息主要包含：狀態(tài)信號，伺服參數(shù)，實際（編碼器）的（位置/速度）增量，其它伺服數(shù)據(jù)。發(fā)送的每一幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下： 狀態(tài)信號以16位字的形式定義，每一位的意義見表2。 4.2.2 伺服的數(shù)據(jù)發(fā)送方式 當(dāng)CNC系統(tǒng)請求獲得伺服狀態(tài)信號而此時又沒有位置回復(fù)幀時，伺服發(fā)送狀態(tài)信號；當(dāng)伺服出現(xiàn)報警時，伺服發(fā)送狀態(tài)信號；在CNC位置廣播后的位置回復(fù)幀中發(fā)送狀態(tài)信號。 當(dāng)伺服收到CNC的（位置/速度）增量，立即回復(fù)上一周期的編碼器實際（位置/速度）增量。 5 實驗結(jié)果 5.1 數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)字交流伺服的CAN總線通訊可靠性實驗 在實驗過程中使用了人工干擾源的工具，包括電磁耦合夾，以及在機床車間強于擾工業(yè)環(huán)境下，對CAN總線數(shù)據(jù)通信進行了試驗，CNC分別向3個伺服發(fā)送8字節(jié)數(shù)據(jù)，伺服接收到后立即返回接收到的數(shù)據(jù)，CNC驗證數(shù)據(jù)正確之后繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)通訊出錯或者通訊次數(shù)到時停止數(shù)據(jù)發(fā)送，通訊線長為30m，耦合夾測試參數(shù)采用IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)第3等級，干擾脈沖電壓峰值lkV，重復(fù)頻率5kHz，PROFIBUS-DP波特率設(shè)置成9Mbps，進行了多次長時間測試，下面是其中一次實驗的通訊數(shù)據(jù)實驗。 測試數(shù)據(jù)見表3。 測試結(jié)果：測試時間為969s，收發(fā)數(shù)據(jù)3108472次，計算得出CNC和伺服交換一次數(shù)據(jù)為0.3117ms，考慮到計時誤差以及CNC與各個伺服通訊之間的等待時間，CNC和3個伺服通訊一次的時間是0.9351nn，滿足系統(tǒng)的要求。試驗結(jié)果表明采用CAN總線在機床數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)間進行數(shù)據(jù)通訊，傳輸距離遠，抗干擾能力強，接口簡單。 5.2 系統(tǒng)機械加工實驗 在寶雞CJK6140H機床上，用CAN總線結(jié)構(gòu)嵌入式機床數(shù)控系統(tǒng)配CAN總線伺服驅(qū)動器，數(shù)控系統(tǒng)的GO速度為6m/min，加減速時間常數(shù)為40（即160ms）。連續(xù)運行同一個加工程序80多個小時，回零后，DA98的脈沖位置誤差為0。 在沈陽數(shù)控CK6136H機床上，用CAN總線結(jié)構(gòu)嵌入式機床數(shù)控系統(tǒng)配CAN總線伺服驅(qū)動器，數(shù)控系統(tǒng)的GO速度為6m/min，加減速時間常數(shù)為40（即160ms）。加工1個有內(nèi)螺紋的圓筒和1個有外螺紋的螺塞。在圓筒內(nèi)放水后擰上螺塞，能擰至螺紋尾端，水不滲漏。 6 結(jié)論 本文研究了一種基于DSP（TMS320F2812）的CAN總線結(jié)構(gòu)嵌入式機床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計方法，解決了數(shù)控系統(tǒng)與伺服間指令信息誤差對數(shù)控系統(tǒng)性能的影響。設(shè)計了數(shù)控系統(tǒng)與伺服間基于CAN總線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在強干擾環(huán)境下進行了基于DSP（TMS320F2812）的CNC數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊與系統(tǒng)控制實驗和系統(tǒng)機械加工實驗，實驗結(jié)果驗證了本文提出的這種基于DSP（TMS320 F2812）的CAN總線結(jié)構(gòu)嵌人式機床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計方法的可行性。這種基于DSP（TMS320F2812）的CAN總線結(jié)構(gòu)嵌人式機床數(shù)控系統(tǒng)具有集成度高，結(jié)構(gòu)靈活，可擴展性好，避免了閉環(huán)機床數(shù)控系統(tǒng)實時指令數(shù)據(jù)在傳輸?shù)剿欧到y(tǒng)時的D/A和A/D轉(zhuǎn)換及由此而產(chǎn)生的誤差，簡化了機床數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)接口設(shè)計；同時由于采用CAN總線結(jié)構(gòu)可以使機床數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)進行遠距離控制，距離可以達到幾百米，抗干擾能力強，易于網(wǎng)絡(luò)化，便于在大型設(shè)備和超大型設(shè)備及生產(chǎn)線上應(yīng)用。 第二屆伺服與運動控制論壇論文集 第三屆伺服與運動控制論壇論文集