基于DSP的机床数控系统设计

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。

二、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。