[align=center]北京科技大學信息工程學院 潘月斗 天津大學自動化學院 許鎮琳 湛江海洋大學電子信息工程學院 徐東桂[/align] 提出了一種基于DSP（TMS320F2812）的CAN總線結構嵌入式機床數控系統的設計方法，解決了數控系統與伺服間指令信息誤差對數控系統性能的影響。設計了數控系統與伺服間基于CAN總線的數據結構。所設計的數控系統具有集成度高，結構靈活，可擴展性好及性價比高等特點。 1 引言 目前，國產數控系統的主要份額是經濟型機床數控系統，這類數控系統大多是16位微處理器，最高時鐘頻率為12～40MHz，運行速度較低，這就限制了數控機床性能的提高，特別是多軸高速聯動、螺紋高速切削及高分辨率實時控制等功能受到限制。另外目前國內外大部分中高檔閉環機床數控系統采用的控制方式為位置環調節由數控系統完成，連接的伺服系統為速度伺服系統，速度伺服系統進行負載的力矩電流和電機的速度調節，機床數控系統將位置環調節器輸出數據經D/A轉換成模擬量作為機床數控系統輸出指令控制伺服系統，伺服系統將機床數控系統輸出模擬電壓指令經A/D轉換為伺服系統控制電動機的指令數據，在這個過程中，由于經過了D/A和A/D的轉換，機床數控系統位置環調節器輸出的實時指令數據在傳輸到伺服系統時產生誤差，影響了電動機的控制性能，難于實現高精度加工控制過程。因此，本文提出基于DSP（TMS320F2812）的CAN總線結構嵌入式機床數控系統的設計方法。 2 數控系統的硬件結構設計 本系統采用DSP（Digital Signal Process）+可編程邏輯器件的結構，以F2812+CPLD為核心硬件，完成數控系統的設計。TMS320F2812DSP（以下簡稱F2812）是德州儀器公司（T1）生產的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與上位機的數據通訊，包括加工程序下載、基本參數設置、接受上位機的統一調配等功能；②完成一個獨立的數控系統的加工工作，首先是加工程序的輸入、控制參數、補償數據的錄入，然后是加工程序的譯碼，接著進行數據處理、計算刀具半徑補償量、進給速度、執行輔助功能代碼、進行插補運算，把插補后的數據通過CAN總線送到伺服驅動器。 CPLD部分主要用來實現邏輯電路，對手輪脈沖進行計數的計數器。1個4倍頻電路，1個32位計數器，對主軸碼盤信號進行計數，供螺紋插補時使用。 3 數控系統的軟件結構 在CNC控制系統中，其數控的基本功能是由各種功能子程序實現的。不同的軟件結構對各功能模塊的安排方式不同，管理方式也不同。在本系統中，軟件采用中斷型的軟件結構。本數控系統由以下5個主要的模塊組成，它們之間的相互關系見圖2。 （1）人機界面模塊：加工狀態信息顯示、參數管理、文件管理、DNC功能、程序輸入等。 （2）數據處理模塊：譯碼、刀具補償。 （3）任務協調模塊：控制系統在不同方式下的運算、位置控制。 （4）控制模塊：速度處理、插補預處理、插補運算、位置控制。 （5）PLC模塊：S、M、T功能實現、機床面板功能實現和故障診斷、信息反饋。 4 數控系統與伺服系統基于CAN總線方式的通訊建立 數控系統與伺服間CAN接口用于傳遞運動數據和控制狀態數據，CNC發往伺服的數據包括CNC系統給伺服的控制信號、伺服參數的修改值、指令伺服運動數據值等；伺服系統發往CNC系統的數據包括伺服當前的狀態信號、伺服參數、伺服實際運動數據值等。 4.1 CNC發往伺服的數據 4.1.1 CNC發送數據結構定義 CNC需要向伺服系統發送的信息主要包含：控制信號，（位置/速度）增量，伺服參數（當在CNC上修改伺服參數時）。點對點發送時的每一幀數據結構如下： 緊跟的數據內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 數據發送方式 在正常情況下，CNC向伺服系統發送控制信號采用不定時的方式發送，在下述3種情況下發送控制信號：①開機（或重啟動）初始化完成，為了與伺服建立通訊聯系，CNC每200ms發送一次控制信號，直到與伺服建立通訊為止；②當CNC要改變對伺服的控制時；③發生報警時。 發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CNC需要向伺服系統發送（位置/速度）增量時采用定時的方式發送，發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 伺服發往CNC的數據 4.2.1 伺服發送數據結構定義 伺服系統需要向CNC發送的數據信息主要包含：狀態信號，伺服參數，實際（編碼器）的（位置/速度）增量，其它伺服數據。發送的每一幀數據結構如下： 狀態信號以16位字的形式定義，每一位的意義見表2。 4.2.2 伺服的數據發送方式 當CNC系統請求獲得伺服狀態信號而此時又沒有位置回復幀時，伺服發送狀態信號；當伺服出現報警時，伺服發送狀態信號；在CNC位置廣播后的位置回復幀中發送狀態信號。 當伺服收到CNC的（位置/速度）增量，立即回復上一周期的編碼器實際（位置/速度）增量。 5 實驗結果 5.1 數控系統與數字交流伺服的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環境下，對CAN總線數據通信進行了試驗，CNC分別向3個伺服發送8字節數據，伺服接收到后立即返回接收到的數據，CNC驗證數據正確之后繼續發送數據，直到數據通訊出錯或者通訊次數到時停止數據發送，通訊線長為30m，耦合夾測試參數采用IEC61000-4-4標準第3等級，干擾脈沖電壓峰值lkV，重復頻率5kHz，PROFIBUS-DP波特率設置成9Mbps，進行了多次長時間測試，下面是其中一次實驗的通訊數據實驗。 測試數據見表3。 測試結果：測試時間為969s，收發數據3108472次，計算得出CNC和伺服交換一次數據為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，滿足系統的要求。試驗結果表明采用CAN總線在機床數控系統和伺服系統間進行數據通訊，傳輸距離遠，抗干擾能力強，接口簡單。 5.2 系統機械加工實驗 在寶雞CJK6140H機床上，用CAN總線結構嵌入式機床數控系統配CAN總線伺服驅動器，數控系統的GO速度為6m/min，加減速時間常數為40（即160ms）。連續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。 在沈陽數控CK6136H機床上，用CAN總線結構嵌入式機床數控系統配CAN總線伺服驅動器，數控系統的GO速度為6m/min，加減速時間常數為40（即160ms）。加工1個有內螺紋的圓筒和1個有外螺紋的螺塞。在圓筒內放水后擰上螺塞，能擰至螺紋尾端，水不滲漏。 6 結論 本文研究了一種基于DSP（TMS320F2812）的CAN總線結構嵌入式機床數控系統的設計方法，解決了數控系統與伺服間指令信息誤差對數控系統性能的影響。設計了數控系統與伺服間基于CAN總線的數據結構，并在強干擾環境下進行了基于DSP（TMS320F2812）的CNC數控系統與伺服系統的數據通訊與系統控制實驗和系統機械加工實驗，實驗結果驗證了本文提出的這種基于DSP（TMS320 F2812）的CAN總線結構嵌人式機床數控系統的設計方法的可行性。這種基于DSP（TMS320F2812）的CAN總線結構嵌人式機床數控系統具有集成度高，結構靈活，可擴展性好，避免了閉環機床數控系統實時指令數據在傳輸到伺服系統時的D/A和A/D轉換及由此而產生的誤差，簡化了機床數控系統和伺服系統接口設計；同時由于采用CAN總線結構可以使機床數控系統和伺服系統進行遠距離控制，距離可以達到幾百米，抗干擾能力強，易于網絡化，便于在大型設備和超大型設備及生產線上應用。 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