[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(dòng)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(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，解決了數(shù)控系統(tǒng)與伺服間指令信息誤差對(duì)數(shù)控系統(tǒng)性能的影響。設(shè)計(jì)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(jì)的數(shù)控系統(tǒng)具有集成度高，結(jié)構(gòu)靈活，可擴(kuò)展性好及性價(jià)比高等特點(diǎn)。 1 引言 目前，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的主要份額是經(jīng)濟(jì)型機(jī)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(shí)鐘頻率為12～40MHz，運(yùn)行速度較低，這就限制了數(shù)控機(jī)床性能的提高，特別是多軸高速聯(lián)動(dòng)、螺紋高速切削及高分辨率實(shí)時(shí)控制等功能受到限制。另外目前國(guó)內(nèi)外大部分中高檔閉環(huán)機(jī)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(jìn)行負(fù)載的力矩電流和電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，機(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)的指令數(shù)據(jù)，在這個(gè)過程中，由于經(jīng)過了D/A和A/D的轉(zhuǎn)換，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)位置環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的實(shí)時(shí)指令數(shù)據(jù)在傳輸?shù)剿欧到y(tǒng)時(shí)產(chǎn)生誤差，影響了電動(dòng)機(jī)的控制性能，難于實(shí)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(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。 2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jì)。TMS320F2812DSP（以下簡(jiǎn)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(diǎn)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(jī)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(jī)的統(tǒng)一調(diào)配等功能；②完成一個(gè)獨(dú)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(bǔ)償數(shù)據(jù)的錄入，然后是加工程序的譯碼，接著進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算刀具半徑補(bǔ)償量、進(jìn)給速度、執(zhí)行輔助功能代碼、進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，把插補(bǔ)后的數(shù)據(jù)通過CAN總線送到伺服驅(qū)動(dòng)器。 CPLD部分主要用來實(shí)現(xiàn)邏輯電路，對(duì)手輪脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器。1個(gè)4倍頻電路，1個(gè)32位計(jì)數(shù)器，對(duì)主軸碼盤信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，供螺紋插補(bǔ)時(shí)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(duì)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(gè)主要的模塊組成，它們之間的相互關(guān)系見圖2。 （1）人機(jī)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(bǔ)償。 （3）任務(wù)協(xié)調(diào)模塊：控制系統(tǒng)在不同方式下的運(yùn)算、位置控制。 （4）控制模塊：速度處理、插補(bǔ)預(yù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制。 （5）PLC模塊：S、M、T功能實(shí)現(xiàn)、機(jī)床面板功能實(shí)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(yùn)動(dòng)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(hào)、伺服參數(shù)的修改值、指令伺服運(yùn)動(dòng)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(hào)、伺服參數(shù)、伺服實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(hào)，（位置/速度）增量，伺服參數(shù)（當(dāng)在CNC上修改伺服參數(shù)時(shí)）。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送時(shí)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(duì)伺服的控制信號(hào)，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(hào)采用不定時(shí)的方式發(fā)送，在下述3種情況下發(fā)送控制信號(hào)：①開機(jī)（或重啟動(dòng)）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(hào)，直到與伺服建立通訊為止；②當(dāng)CNC要改變對(duì)伺服的控制時(shí)；③發(fā)生報(bào)警時(shí)。 發(fā)送時(shí)一般采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式，必要時(shí)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(shí)采用定時(shí)的方式發(fā)送，發(fā)送時(shí)一般采用廣播的方式，必要時(shí)也可采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(hào)，伺服參數(shù)，實(shí)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(hào)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(qǐng)求獲得伺服狀態(tài)信號(hào)而此時(shí)又沒有位置回復(fù)幀時(shí)，伺服發(fā)送狀態(tài)信號(hào)；當(dāng)伺服出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，伺服發(fā)送狀態(tài)信號(hào)；在CNC位置廣播后的位置回復(fù)幀中發(fā)送狀態(tài)信號(hào)。 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(shí)際（位置/速度）增量。 5 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn) 在實(shí)驗(yàn)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(jī)床車間強(qiáng)于擾工業(yè)環(huán)境下，對(duì)CAN總線數(shù)據(jù)通信進(jìn)行了試驗(yàn)，CNC分別向3個(gè)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(yàn)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(cuò)或者通訊次數(shù)到時(shí)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，通訊線長(zhǎng)為30m，耦合夾測(cè)試參數(shù)采用IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)第3等級(jí)，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(jìn)行了多次長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，下面是其中一次實(shí)驗(yàn)的通訊數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)。 測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。 測(cè)試結(jié)果：測(cè)試時(shí)間為969s，收發(fā)數(shù)據(jù)3108472次，計(jì)算得出CNC和伺服交換一次數(shù)據(jù)為0.3117ms，考慮到計(jì)時(shí)誤差以及CNC與各個(gè)伺服通訊之間的等待時(shí)間，CNC和3個(gè)伺服通訊一次的時(shí)間是0.9351nn，滿足系統(tǒng)的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明采用CAN總線在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，接口簡(jiǎn)單。 5.2 系統(tǒng)機(jī)械加工實(shí)驗(yàn) 在寶雞CJK6140H機(jī)床上，用CAN總線結(jié)構(gòu)嵌入式機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)配CAN總線伺服驅(qū)動(dòng)器，數(shù)控系統(tǒng)的GO速度為6m/min，加減速時(shí)間常數(shù)為40（即160ms）。連續(xù)運(yùn)行同一個(gè)加工程序80多個(gè)小時(shí)，回零后，DA98的脈沖位置誤差為0。 在沈陽數(shù)控CK6136H機(jī)床上，用CAN總線結(jié)構(gòu)嵌入式機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)配CAN總線伺服驅(qū)動(dòng)器，數(shù)控系統(tǒng)的GO速度為6m/min，加減速時(shí)間常數(shù)為40（即160ms）。加工1個(gè)有內(nèi)螺紋的圓筒和1個(gè)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(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，解決了數(shù)控系統(tǒng)與伺服間指令信息誤差對(duì)數(shù)控系統(tǒng)性能的影響。設(shè)計(jì)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(qiáng)干擾環(huán)境下進(jìn)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(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)機(jī)械加工實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的可行性。這種基于DSP（TMS320F2812）的CAN總線結(jié)構(gòu)嵌人式機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)具有集成度高，結(jié)構(gòu)靈活，可擴(kuò)展性好，避免了閉環(huán)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)指令數(shù)據(jù)在傳輸?shù)剿欧到y(tǒng)時(shí)的D/A和A/D轉(zhuǎn)換及由此而產(chǎn)生的誤差，簡(jiǎn)化了機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)；同時(shí)由于采用CAN總線結(jié)構(gòu)可以使機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，距離可以達(dá)到幾百米，抗干擾能力強(qiáng)，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(yùn)動(dòng)控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集