基于DSP的数控机床运动控制器设计

论文摘要

数控制造装备水平是国家综合实力的具体体现,提升数控制造装备水平是实现国家富强的必由之路。运动控制系统是数控系统的核心,而运动控制器是运动控制系统的“大脑”,对运动控制器的研究具有重要意义。目前,新一代运动控制器以DSP和FPGA作为核心处理器,具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组。充分利用DSP的计算能力以及FPGA的开放性,进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算,使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳。然而,市场上销售的运动控制器绝大部份具有封闭性,只在应用层开放,无法进行底层算法开发,有较大的局限性。插补算法和控制算法是运动控制的核心算法,算法的创新需要一个开放的实验平台。本文将重点研究基于DSP控制卡的硬件资源,实现运动控制器总体软件设计及功能模块设计,设计一个可以进行算法实践的开放平台,为运动控制的算法研究提供更大的自由度。针对数控系统的工作特点和要求,本文着重研究运动控制器的总体设计,提出了完善的运动控制器设计思想,并给出了各个功能模块的设计方法。本文主要研究工作如下:(1)介绍了运动控制器的硬件资源以及系统软件设计,给出了运动控制器底层DSP程序框架,DSP与上位机通信功能的实现,给出一些设计思想;(2)插补算法的研究,给出了单轴运动在梯形速度曲线下的速度规划算法,以及多轴运动直线、圆弧插补算法;(3)控制算法的研究,给出了数字PID加前馈的控制算法;(4)三轴雕铣机控制软件的开发,并在三轴雕铣机上进行实验加工,验证运动控制功能,并对比各种控制算法的加工效果。本文研究成果已成功应用于三轴雕铣床,实现了数控铣床的加工功能,运行平稳,加工效果优良,控制精度高,具有广泛的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• 1. INTRODUCTION
• 1.1 CNC Machine Tool
• 1.2 Motion Control System
• 1.3 Motion Controller
• 1.4 Motivation and Objective
• 1.5 Dissertation Organization
• 2. DSP MOTION CONTROLLER
• 2.1 MC DSP Motion Control Card
• 2.2 DSP Development Approach
• 2.2.1 ADSP-BF535
• 2.2.2 DSP Development Tools
• 2.3 DSP Controller Design
• 2.3.1 DSP Main Program
• 2.3.2 Motion Function Library
• 2.3.3 Communication between Computer and Controller
• 2.4 Summary
• 3. TRAJECTORY GENERATION ALGORITHMS
• 3.1 Independent Axis Motion
• 3.1.1 Trapezoidal Velocity Profile
• 3.1.2 S-Curve Velocity Profile
• 3.2 Linear Interpolation
• 3.3 Circular Interpolation
• 3.3.1 Typical Circular Interpolation
• 3.3.2 A New Approach for Circular Interpolation
• 3.4 Summary
• 4. SERVO LOOP ALGORITHMS
• 4.1 Model of Motor Drive System
• 4.2 Position Servo Loop
• 4.2.1 Basic PID Control Theory
• 4.2.2 Digital PID Algorithms
• 4.2.3 Feedforward Controller
• 4.2.4 Digital Controller Implemented in DSP
• 4.3 User-Written Servo Filter
• 4.4 Summary
• 5. EXPERIMENTS AND CONCLUSION
• 5.1 CNC Milling Machine
• 5.2 Windows-Based User Interface and Experiment
• 5.3 Testify Experiment
• 5.4 Conclusion
• REFERENCES