【正文】 0176。正交編碼脈沖由 4 倍頻電路產(chǎn)生 4 倍頻脈沖信號，再通過增減計數(shù)器對 4 倍頻脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，可以方便得獲取電機(jī)的實(shí)際位置。如對于一個TN2022pulse/r 的增量編碼器的伺服電機(jī)，其速度 (RPM)計算方法為：V圖 33 跟隨誤差比較廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計XY 工作臺微型計算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 17 － 60RPM24NVT??4 運(yùn)動控制卡控制原理運(yùn)動控制器由基卡和接口卡組成，如圖 41 所示?；闪?PC 機(jī)與 DSP 通信電路，DSP 輔助電路，存儲器擴(kuò)展電路，CPLD 譯碼、中斷、正交編碼處理電路，控制電壓轉(zhuǎn)換電路等。伺服使能、報警清除等輸出信號經(jīng)過光電隔離后通過 25 針接頭對電機(jī)進(jìn)行控制或者連到 I/O 端子排進(jìn)行輸出；伺服電機(jī)編碼器反饋信號經(jīng)過差分處理和光電隔離后輸入基卡，伺服使能、伺服報警信號，回零信號、限位信號和通用 I/O 信號等也通過光隔進(jìn)行輸入輸出。在每一個伺服周期中，CPLD 器件 EPM7128 和 DSP 各處理兩路反饋的正交編碼信號進(jìn)以獲取實(shí)時位置和速度，DSP 進(jìn)行參數(shù)曲線的自適應(yīng)插補(bǔ)計算出理論插補(bǔ)位置，并與實(shí)際位置進(jìn)行比較獲取偏差值，以此作為輸入基于速度和加速度前饋進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)，計算獲得速度控制量，產(chǎn)生的輸出信號經(jīng) DAC7625 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換及放大電路放大后將模擬電壓量送伺服驅(qū)動器以控制電機(jī)。DSP TMS320LF2407 核心處理芯片 擴(kuò)展 RAM 伺服電機(jī)2 CPLD 譯碼、中斷 編碼器處理電路 JTAG 下 載口 電源管理/時鐘 圖 41 控制器原理框圖PCDSP通訊電路控 制 器 基 卡 差分信號處理 光 電隔 離電 平轉(zhuǎn) 換 電源輸入 控制電壓轉(zhuǎn)換 62針接頭 62針接頭25針接頭2 I/O 端 子排 通 用I/O 限 位信 號 回 零信 號 外 部電 源 接口卡 廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計XY 工作臺微型計算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 18 － DSP 芯片 TMS320LF2407 介紹隨著微處理器、微控制器和數(shù)字信號處理器（DSP）的性價比的提高，它們越來越多地在運(yùn)動控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用。尤其是 DSP 器件的優(yōu)越性能，以及各 DSP 廠商不斷推出針對運(yùn)動控制的 DSP 芯片，使得 DSP 成為復(fù)雜運(yùn)動控制系統(tǒng)和高性能運(yùn)動控制器中的首選器件。其指令周期只有 33ns，可以很好地滿足系統(tǒng)的實(shí)時性要求，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法 [29]。這種高度集成的單片數(shù)字控制方案比現(xiàn)存的多片方案具有更高的電機(jī)驅(qū)動能力及更低的系統(tǒng)費(fèi)用 [30]。2．基于 TMS320C2xxDSP 的 CPU 核保證了 TMS320LF240X 系列 DSP 代碼和TMS320 系列 DSP 代碼兼容。4．兩個事件管理器 EVA 和 EVB，每個包括：兩個 16 位通用定時器；8 個 16 位的脈沖調(diào)制（PWM）通道。事件管理器模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、伺服電機(jī)、多級電機(jī)和逆變器。6．看門狗定時器模塊（WDT） 。廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計XY 工作臺微型計算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 19 －8．高達(dá) 40 個可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳（ GPIO） 。電源管理器包括 3 種低功耗模式，并且能獨(dú)立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式。1．用可編程邏輯器件 CPLD 或 FPGA 實(shí)現(xiàn)通用 PCI 接口。一個是買 IP 宏，并根據(jù)應(yīng)用的需要來裁剪 IP 宏并與相關(guān)應(yīng)用電路燒入 CPLD 或 FPGA 中。采用可編程邏輯器件的優(yōu)點(diǎn)主要有：PCI 接口可以根據(jù)插卡功能進(jìn)行最優(yōu)化的電路設(shè)計，而不必實(shí)現(xiàn)所有的 PCI 總線的功能，節(jié)約系統(tǒng)的邏輯資源；可以將 PCI 插卡上的其它用戶邏輯與 PCI 接口邏輯集成在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)設(shè)計；當(dāng)系統(tǒng)升級時，只需對可編程邏輯器件重新進(jìn)行邏輯設(shè)計，而無須更改 PCB 板。2．采用專用芯片實(shí)現(xiàn) PCI 總線接口。廠商對 PCI 總線接口進(jìn)行了嚴(yán)格的測試，用戶只要設(shè)計轉(zhuǎn)換后的總線接口即可。它的缺點(diǎn)是用戶實(shí)際只用到了部分的 PCI 接口功能，這樣造成一定的邏輯資源浪費(fèi)，對于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品不易降低成本。 PCIDSP 通訊電路廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計XY 工作臺微型計算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 20 －PC 機(jī)通過 PCI 總線與 DSP 與的通訊電路如圖 42 所示。雙口 RAM 作為一種特殊的 RAM 芯片，在高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)兩個端口同時對存儲器中的同一單元進(jìn)行存取操作時，可由其內(nèi)部仲裁邏輯決定優(yōu)先權(quán)。它的時序與 DSP 的時序相配合，特別適用于 DSP 與 PC 機(jī)之間的大量數(shù)據(jù)高速雙向傳送。IDT7132 帶有片內(nèi)硬件端口仲裁電路，可以允許雙機(jī)同步地讀或?qū)懘鎯ζ髦械娜魏螁卧?，同時保證數(shù)據(jù)的完整性。采用雙口 RAM 作為 TMS320LF2407 與 PC 主機(jī)之間的通訊接口不但可以簡化通訊接口電路的設(shè)計，而且提高了數(shù)據(jù)交換的速度，增強(qiáng)了控制卡的實(shí)時性。LRDYi 信號和兩側(cè)的 BUSY信號也進(jìn)入雙口CPLD 進(jìn)行相應(yīng)的邏輯判斷。廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計XY 工作臺微型計算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 21 － 參數(shù)曲線的時間分割插補(bǔ)算法 時間分割插補(bǔ)原理時間分割插補(bǔ)又稱為數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)，是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床高、中檔 CNC 系統(tǒng)及運(yùn)動控制器常用的插補(bǔ)算法。設(shè) 為參數(shù)曲線上任一點(diǎn)的位置矢量，參數(shù)曲線的形式為：)(uP （41）kuzjyiuxP??)()(??在運(yùn)動控制器中，軟件插補(bǔ)以一定的采樣周期（伺服周期）進(jìn)行工作，在第個伺服周期中，實(shí)時計算出第 個伺服周期中各軸的運(yùn)動分量 ，并滿足指定的1?i i iP?進(jìn)給速度要求，即：AD[31: 0]C/BE[3: 0]FRAMEPAREESKISAA[1: 0] CLKIRDYTRDYSTOPDEVSELPERRSERR RST INTA LOCKPCI 9052PCI 總線IDT7132 DRAMTMS320LF2407 DSPIDSELCPLD 芯片 EPM7128 地址譯碼R/WLLA[10: 2]LAD[7: 0]CS1IORDIOWRLRDYiOELCELI/OL[7: 0]AL[10: 2]AL[1: 0]CEROERR/WRI/OR[7: 0]AR[10: 0]EEDOEECSEEDI96LC46BE2PROMSKDOCSDIBUSYL BUSYRA [10: 0]D [7: 0]74LVTH245A [10:4]ISRDR/W圖 42 PCIDSP 通訊電路圖廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計XY 工作臺微型計算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 22 － （42）???????iiLP1式中 為第 個伺服周期中的瞬時進(jìn)給量，也稱插補(bǔ)步長。)(itfTtfLii)(?因此，參數(shù)曲線的時間分割插補(bǔ)即由運(yùn)動控制器在每個伺服周期中實(shí)時地插補(bǔ)出滿足式（41） 、 （42）的運(yùn)動軌跡 ，完成整條曲線的加工，其本質(zhì)是以一),21(?iP段段弦長 逼近實(shí)際曲線。在曲率半徑 mm 的外形上用時間分割原理進(jìn)行插補(bǔ)，以 m/min 的高速加工，80r 25伺服周期為 ms，則插補(bǔ)步長 mm，弓高誤差僅為 。因此，現(xiàn)有插補(bǔ)方法將插補(bǔ)計算分兩步完成：1．參數(shù)插補(bǔ)。將得到的參數(shù)空間坐標(biāo)值映射到軌跡空間，得到相應(yīng)的映射點(diǎn)，即為所求插補(bǔ)軌跡的新坐標(biāo)點(diǎn)。利用公式（44）求得得插補(bǔ)參數(shù) ，代入曲線方程即可得到新插補(bǔ)點(diǎn) ，根據(jù)1?iu 1?iP新插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)即可得到各坐標(biāo)軸的插補(bǔ)量，從而獲得第 個伺服周期中各個電機(jī)的位i置增量。上述算法缺乏對這兩種誤差的必要控制，并且計算過程復(fù)雜，因此采取基于參數(shù)遞推預(yù)估、誤差控制、參數(shù)校正的插補(bǔ)算法。這樣,插補(bǔ)進(jìn)給能隨曲線曲率的變化自適應(yīng)iL?調(diào)整進(jìn)給步長，確保插補(bǔ)的輪廓誤差控制在允許的范圍內(nèi)。下面給出基于時間分割插補(bǔ)原理的參數(shù)曲線自適應(yīng)插補(bǔ)步驟：1．利用插分代替微分，代入二階泰勒展開公式（43） ，可得到插補(bǔ)點(diǎn)的參數(shù)遞推估算公式（45） ，根據(jù)該公式進(jìn)行參數(shù)遞推預(yù)估。 （47）ii/??????LLh?由于插補(bǔ)步長一般很小，不妨取曲線段 的中點(diǎn) ，弦 的中點(diǎn) ，用1??iPN1??iPM間的距離 近似表示本段曲線的插補(bǔ)弓高誤差，即MN （48）)2?(2)?()? 11iiiiih uuP?????4．設(shè)插補(bǔ)周期為 ，指令進(jìn)給速度為 ，根據(jù)下式計算滿足誤差約束條件的實(shí)T)itf際插補(bǔ)步長：廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計XY 工作臺微型計算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 24 － （49）},)(min{iii LTtfL?????5．確定參數(shù)插補(bǔ)點(diǎn) [10]（?為允許偏差，例如 ）：%1 （410）???????????? )()?1(?/1為iii iiii uLuL?6．將 代入曲線方程求取插補(bǔ)點(diǎn) ，計算各軸進(jìn)給量，為第 個伺服周期中各1?iu1?iPi電機(jī)的位置 PID 調(diào)節(jié)計算做好準(zhǔn)備。圓弧由于具有)(itf恒定的曲率半徑，只要根據(jù)工高誤差約束條件算出最大插補(bǔ)速度，保證 小于該最)(itf大速度的情況下，參數(shù)插補(bǔ)步長只與 有關(guān)。因此可以進(jìn)行參數(shù)插補(bǔ)步長的預(yù)處理，編程方便，并可以提高程序運(yùn)行速度。 DMC3000 控制卡中的固化函數(shù)　　常見四種 G 代碼指令如下：G00　　　　快速定位，有效軸到達(dá)指定位置即可，對應(yīng) DMC3000 卡可使用d3000_start_t_move 或 d3000_start_s_move 函數(shù)，多個有效軸，需要調(diào)用多次，如：效軸一個廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計XY 工作臺微型計算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 25 －G00X100　　　　　　d3000_start_t_move( X, )?！　　　　　　　　?d3000_start_t_move(Y,)。使用相對位置插補(bǔ)：　　　　　　D3000_start_t_line2　　　　D3000_start_s_line2　　　　D3000_start_t_line3　　　　D3000_start_s_line3使用絕對位置插補(bǔ)：　　　　　　D3000_start_ta_line2　　　　D3000_start_sa_line2　　　　D3000_start_ta_line3　　　　D3000_start_sa_line3G02　　　　順圓插補(bǔ)G03　　　　逆圓插補(bǔ)圓弧插補(bǔ)指令，常見的是給出起點(diǎn)位置，圓心位置及終點(diǎn)位置，對應(yīng) DMC3000 庫函數(shù)如下：勻速圓弧　　d3000_start_arc　　　　相對位置　　d3000_start_a_arc　　　　絕對位置高速圓弧　　　　 d3000_start_t_arc 　　　　相對位置　　　　 d3000_start_ta_arc　　　　絕對位置圓弧的插補(bǔ)方向，由函數(shù)的其中一個 dir 參數(shù)給出，dir=0 時，表示順時即G02，dir=1 時，表示逆時即 G03。仿真程序至少實(shí)現(xiàn)的 NC 代碼包括：G00、G0G0G0G5M0M0M0M0M0M09。其中，工具欄菜單依次為：文件、運(yùn)行、設(shè)置、其它，快捷工具欄：打開、保存、剪貼、復(fù)制、粘貼、啟動、結(jié)束，工作狀態(tài)框顯示了冷卻液的開關(guān)狀態(tài)、主軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向、伺服電機(jī) X 電機(jī)、Y電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 參數(shù)設(shè)定界面根據(jù)需要可以選擇脈沖當(dāng)量（單位為微米 μm）以及圖形的放大倍數(shù)，以便顯示，插補(bǔ)形式由于時間關(guān)系，只編寫一種——逐點(diǎn)比較法，有可能的話繼續(xù)完善。指令符（G、M）可以是大寫也可以是小寫，指令間允許有空格。 程序基本操作首先，在 NC 代碼輸入框輸入 NC 代碼或打開已有的代碼，接著按工具欄上的運(yùn)行——“調(diào)試” ，程序經(jīng)過調(diào)試后，如果程序有錯，會自動報錯，報錯時光標(biāo)將會定位在有錯的代碼附近，可以方便用戶修改，直到無誤為至，此時程序會告訴用戶——調(diào)試廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計XY 工作臺微型計算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 29 －成功，緊接著按——“模擬” ，在 NC 模擬框便會出現(xiàn)用戶希望的圖形。與此同時，坐標(biāo)值實(shí)時顯示框?qū)崟r顯示動點(diǎn)的坐標(biāo)，工作狀態(tài)框也反映工作狀況。整個加工過程比較直觀，一目了然。 NC 代碼的讀取代