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基于DSP+CPLD可重构数控系统的设计

  • 产品时间:2022-02-27 01:07
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简要描述:1、前言 随着计算机技术的高速发展,各工业发达国家投放巨资,对现代生产技术展开研究研发,明确提出了全新的生产模式,其核心思想之一是柔性化生产,生产系统需要随着加工条件的变化动态调整。目前,各类MCU较慢发展,它们不仅运算速度慢、价格便宜、种类多样,而目有所不同MCU针对有所不同的应用于在其片上构建了专用控制电路,符合了有所不同的应用于市场需求还提升了电路的安全性和稳定性。 综合上述的分析与论证,本文设计了一种基于DSP+CPLD现场可编程门阵列器件的可重构数控系统。...

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本文摘要:1、前言 随着计算机技术的高速发展,各工业发达国家投放巨资,对现代生产技术展开研究研发,明确提出了全新的生产模式,其核心思想之一是柔性化生产,生产系统需要随着加工条件的变化动态调整。目前,各类MCU较慢发展,它们不仅运算速度慢、价格便宜、种类多样,而目有所不同MCU针对有所不同的应用于在其片上构建了专用控制电路,符合了有所不同的应用于市场需求还提升了电路的安全性和稳定性。 综合上述的分析与论证,本文设计了一种基于DSP+CPLD现场可编程门阵列器件的可重构数控系统。

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1、前言  随着计算机技术的高速发展,各工业发达国家投放巨资,对现代生产技术展开研究研发,明确提出了全新的生产模式,其核心思想之一是柔性化生产,生产系统需要随着加工条件的变化动态调整。目前,各类MCU较慢发展,它们不仅运算速度慢、价格便宜、种类多样,而目有所不同MCU针对有所不同的应用于在其片上构建了专用控制电路,符合了有所不同的应用于市场需求还提升了电路的安全性和稳定性。

综合上述的分析与论证,本文设计了一种基于DSP+CPLD现场可编程门阵列器件的可重构数控系统。  2、硬件设计  本运动控制卡是以PC机作为主机的运动控制卡,搭配DSP作为核心微处理器,卡上构建编码器信号收集和处置电路,D/A输入电路,拓展存储器电路和PC-DSP通讯电路。PC机把细处置的数据通过DSP-PC通讯模块传送给运动控制系统,DSP通过对光电编码器对系统信号处理电路的结果分析,计算出来出与等价方位的误差值,再行通过软件方位调节器取得方位掌控量,计算出来出有运动速度掌控量,产生的输入信号经D/A切换将仿真电压量赠送给控制器放大器,通过对伺服电机的掌控构建对方位的闭环控制。系统的结构框图如图1右图。

  搭配美国TI公司的16位定点DSPTMS320LF2407A作为本运动控制器的核心处理器,地址译码、时序逻辑、编码器信号处理电路用CPLD来已完成,用PCI模块芯片构建双口RAM与PC机的通讯,双口RAM用来存储和缓冲器DSP与PC机间的通讯数据,SRAM用来存储运动控制器运营时的程序和数据。  (1).DSP外部中断模块处置  对于数控机床来说,由于不受工作行程等各方面的容许,在其多达掌控范围时,引进还包括限位中断和编码器INDEX信号中断。每个掌控轴有正反方向的两个限位电源,产生两个限位信号,4个轴共计8个限位信号:LIMA+,LIMA-、LIMB+,LIMB-、LIMC+,LIMC-,LIMD+,LIMD-其中+回应于是以限位,-回应胜限位。这几个信号通过CPLD的谓之之后收到DSP的中断管脚XINT1,同时这些信号通过光藕电路终端DSP的I/O口。

当运动到限位电源处时,就不会启动时DSP的外部中断信号XINT1,然后DSP就可以根据I/O判断是哪个限位电源多达工作范围。8个限位电源分别收到DSP的I/O口,通过设置MCRA(地址:7090H),MCRB(地址:7092H)为零,使这些适配管脚正处于I/O功能。

限位输出信号的状态可以从寄存器PADATDIR(地址:7098H)和PBDATDIR(地址:709AH)对应的数据位加载,对应的数据方向位设为零,以使这些I/O管脚工作在输出状态下。编码器的INDEX信号处理同上面互为类似于。每个轴能产生一个INDEX信号,4个轴有4个INDEX信号。

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这4个信号通过逻辑与门产生一个中断信号,收到XINT2,同时收到DSP的I/O口,可供中断产生时DSP读取。  (2).四轴编码器信号处理电路设计  四轴编码器信号处理电路是对光电编码器输入的两组差距90o的方波信号的处置,从而取得继续执行元件实际方位,其输入是一路16位的数字量,对系统给中央处理器,编码器信号处理电路还包括滤波,倍频,计数几个功能模块,传统的四轴编码器信号处理电路使用分立元件来设计,它可靠性、抗干扰能力劣,应用于CPLD设计了单片分段四轴编码器信号处理电路。  它具备实时性好,硬件体积小,工作效率低,提升系统的集成度,相对于分立元件,单片分段四轴编码信号处理电路构建在一个片子上,一方面单片芯片内的门电路、触发器的参数特性是完全一致的,在完全相同扭矩下脉冲信号的脉冲周期可以保持一致。

另一方面,电路做到在单个芯片内,抗干扰性比起分离出来器件包含的电路也有相当大的提升,强化了系统的灵活性、通用性和可靠性。本文设计是一个四轴伺服系统,因此有八路四组方波信号,A互为B互为差距90o,CLR,CLK,WE分别为输入清零,系统时钟和输入使能,SEL*是输入自由选择信号,自由选择X,Y,Z,A中的一组信号处理的结果作为输入信号,天内送往数据总线。  滤波模块的设计  编码盘理论上是平稳的方波信号,但在实际操作中,常常不会不存在脉动阻碍,滤波模块的功能是将这些脉动阻碍滤掉,减少系统产生误动作的可能性,提升系统的可靠性,下面的VHDL程序通过对A,B两互为方波信号同时延时四个CLK脉冲,,脉冲宽度大于三个CLK脉冲周期的输出信号被滤掉。

建模结果如图:  倍频计数模块的设计  四倍频电路的设计是为了减少计数脉冲在一个周期中的个数,来提升测量的分辨率,工程中常把光电编码器输入的两路方波信号的下降沿和上升沿,来取得四倍频的脉冲信号,把光电编码器的分辨率提升四倍,通过光电编码器输入两路方波信号差距的正负来确认运动的方向,对光电编码器输入信号A、B;可以写:  如图:  在一个周期内产生的四倍频计数脉冲输入S,方向判断信号J,通过一个16位共轭计数就可以构建对控制器装置的方位检测,构建方位控制器控制系统的掌控。  3、控制算法的设计  (1).掌控模型  数控机床的最低运动速度、追踪精度、定位精度等最重要指标皆各不相同驱动及方位控制系统的动态与静态性能。因此,研究与研发高性能的驱动系统及方位控制系统,仍然是研究数控机床的关键技术之。

日前数控机床方位控制器掌控依然广泛应用于经典掌控方法,如比例型或比例一分数型等算法,其优点是算法简单,更容易构建,但不存在着控制参数的适应性劣、抗十扰能力较强等缺失。为了适应环境制造业对高效率地生产高质量产品日标的执着以及对形状越来越简单零件的加工必须,拒绝大大地提高与提升方位伺服系统的稳态精度、动态号召特性,对系统参数变化的自适应性和抗干扰性,因而使用并发展先进设备的控制技术是必然趋势。

惜的是,目前明确提出的诸多控制算法中,具备实用价值的技术很少,主要展现出在:①不受算法计算出来量等容许,无法符合掌控的实时性拒绝;②掌控理论在参数设计及稳定性分析等方面不完备;③建模误差对掌控品质的容许。  本文利用神经网络的自自学功能,设计了一种在线单神经元PID与CMAC分段掌控智能型方位控制器,并将之用到数控系统的实时控制中,获得了很好的掌控效果,掌控模型结构如图:  (2)建模和构建  使用的单神经元PID及CMAC结合的填充控制算法,已完成对方位控制器控制器典型输出斜坡输出号召的建模实验。

图5是方位伺服系统的单位斜坡输出在输出末端重新加入10%的阶跃扰动后,两种控制算法的输入曲线图,通过对图形的分析,可以显现出,单神经元PID与CMAC结合控制算法比常规PID控制算法有更加小的追随误差,和更佳的抗干扰能力。这个在方位控制器控制系统中更为重要。

  4、结束语  利用计算出来掌控功能强大的DSP芯片建构了数控系统平台,应用于CPLD解决问题了系统有所不同应用于场合逻辑电路变化的问题,从硬件上构建了可重构性。控制算法较常规PID掌控有更佳的动态特性、控制精度、抗干扰能力,而且具备自适应功能。该系统是一种对外开放的系统,可以使用户很便利的大大展开硬、硬件升级,一定时间内跟上数控技术发展的步伐。


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