基于外掛式同步控制卡的雙軸同步驅(qū)動技術(shù)

常雪峰，唐小琦，顧 超

(1.廈門理工學(xué)院 機(jī)械工程系，福建 廈門 361024;2.華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，武漢 430074)

以往在X－Y平臺或多軸加工機(jī)床的控制應(yīng)用中，各軸僅由單個電機(jī)驅(qū)動。然而，為了滿足高加速度、高推力及高剛性的需求，數(shù)控機(jī)床開始采用平行安裝的2組電機(jī)共同驅(qū)動移動部件來實(shí)現(xiàn)單軸的運(yùn)動。在這種結(jié)構(gòu)下，平行驅(qū)動的2個電機(jī)之間的位置誤差，由于機(jī)械耦合的因素，除了會影響精度外，還有可能使耦合機(jī)構(gòu)產(chǎn)生變形，造成受控系統(tǒng)損壞，甚者危害操作人員的安全。所以，確保平行驅(qū)動電機(jī)之間的同步運(yùn)動是相當(dāng)重要的一項研究課題［1－4］。

目前，國內(nèi)數(shù)控機(jī)床廣泛使用的都是脈沖式接口的數(shù)控裝置和伺服驅(qū)動器，大量需要同步功能的數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)對數(shù)控控制功能的需求并不復(fù)雜。若選用國外具有同步功能的高檔數(shù)控系統(tǒng)，價格昂貴，且許多功能又屬多余，因而提高了設(shè)備成本［5－6］;而選用價格較低的普及型數(shù)控系統(tǒng)，又缺少同步功能，不能滿足同步控制要求。對于廣泛使用“脈沖+方向”指令形式的普及型數(shù)控系統(tǒng)，如果在數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步功能，受CNC軟件開放程度以及CNC實(shí)時處理能力等因素的制約，有較大困難。鑒于以上情況，開發(fā)一種數(shù)控機(jī)床同步控制裝置，彌補(bǔ)普及型數(shù)控系統(tǒng)在同步功能上的不足，從根本上解決同步控制問題，具有非常重要的意義。

本文針對脈沖式接口數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計了一種基于外掛式的同步控制裝置，實(shí)現(xiàn)雙軸驅(qū)動結(jié)構(gòu)機(jī)床的同步運(yùn)動控制。首先確定脈沖接口雙軸同步控制的總體方案，并介紹脈沖指令調(diào)整補(bǔ)償?shù)脑恚缓蠼o出雙軸同步控制裝置的硬軟件設(shè)計及實(shí)現(xiàn)方法，最后進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗研究。實(shí)驗結(jié)果顯示，同步控制卡能有效提高平行雙軸間的同步性能。

1 雙軸同步控制的總體方案

普及型脈沖式數(shù)控系統(tǒng)由于缺少同步功能，一般都是采用將數(shù)控裝置的一個軸的脈沖指令輸出分成2路發(fā)送給兩軸驅(qū)動器的“并列處理”方法，或是以CNC輸出控制一個軸，該軸反饋又控制另一個軸的“主從跟隨處理”方法。但是這2種處理方式都只是權(quán)宜之計，均無法實(shí)現(xiàn)對雙軸同步誤差的監(jiān)控，使得這類數(shù)控機(jī)床都存在一定的安全隱患。

現(xiàn)有脈沖指令數(shù)控系統(tǒng)由于其軟件開放程度不夠及實(shí)時處理能力不足，通過在數(shù)控裝置內(nèi)部采用軟件方式實(shí)現(xiàn)同步控制功能的難度較大，因此，提出了一種軟硬件相結(jié)合的簡易數(shù)控機(jī)床雙軸同步控制裝置，通過引入雙軸同步誤差補(bǔ)償控制器進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，使同步誤差漸進(jìn)為零，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床雙軸之間的位置同步。

脈沖接口雙軸同步控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙軸同步控制卡作為一個基本獨(dú)立的單元，處于脈沖接口數(shù)控裝置和伺服驅(qū)動器之間，主要承擔(dān)數(shù)控系統(tǒng)脈沖指令的轉(zhuǎn)發(fā)和補(bǔ)償調(diào)整任務(wù)。

圖1 雙軸同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 脈沖接口同步控制的補(bǔ)償原理

由于數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動指令是采用脈沖串的形式進(jìn)行發(fā)送，因此對從軸的同步補(bǔ)償主要是通過對上位機(jī)發(fā)送的指令進(jìn)行增、減脈沖的方式實(shí)施，當(dāng)從軸位置超前于主軸位置時進(jìn)行減脈沖補(bǔ)償，當(dāng)從軸位置落后于主軸位置時則進(jìn)行增脈沖補(bǔ)償。

如圖2所示，同步控制卡實(shí)時監(jiān)測數(shù)控裝置發(fā)送的指令脈沖，主軸脈沖只作轉(zhuǎn)發(fā)，保持不變;當(dāng)從軸需要作減脈沖補(bǔ)償時，在當(dāng)前指令脈沖的跳變沿保持電平不變即可實(shí)現(xiàn)減脈沖;當(dāng)從軸需要作增脈沖補(bǔ)償時，則在當(dāng)前指令脈沖的跳變沿翻轉(zhuǎn)電平，保持一段延時后再次翻轉(zhuǎn)電平即可實(shí)現(xiàn)增脈沖。

圖2 同步控制脈沖調(diào)整原理

3 同步控制卡的硬軟件設(shè)計

雙軸同步控制卡總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。該控制卡以FPGA+DSP為處理核心，其中FPGA主要負(fù)責(zé)按鍵操作的處理與顯示、兩軸碼盤反饋信號的計數(shù)與運(yùn)算處理以及和DSP的通訊等，DSP則主要負(fù)責(zé)與計算機(jī)的串口通訊和數(shù)控裝置脈沖指令的接收、補(bǔ)償及發(fā)送。

圖3 雙軸同步控制卡總體結(jié)構(gòu)

3.1 同步控制卡的硬件設(shè)計

雙軸同步控制卡的核心處理芯片DSP選擇TI公司的32位處理器 TMS320F2812，F(xiàn)PGA選擇ALTERA公司的EP2C8Q，除此之外，同步卡主要包括以下硬件模塊:

1)電源模塊。分別采用TPS75733、TPS76801和TPS54312電源芯片，提供同步控制卡所需的3.3 V、1.9 V 和1.2 V 電源。

2)指令脈沖輸入/輸出模塊。采用差分接收和發(fā)送芯片與外部信號進(jìn)行接口，由DSP接收指令輸入信號，根據(jù)FPGA計算的同步誤差信號進(jìn)行補(bǔ)償處理，并將調(diào)整后的位置指令輸出。

3)碼盤模塊。同樣采用差分接收和發(fā)送芯片與外部信號進(jìn)行接口，由FPGA完成雙軸電機(jī)碼盤反饋信號的辨向和計數(shù)，并將2軸位置差值發(fā)傳給DSP。

4)按鍵處理和顯示模塊。由FPGA完成對按鍵操作的掃描和處理，并在LED數(shù)碼管中進(jìn)行顯示。

5)串口通訊模塊。實(shí)現(xiàn)DSP和計算機(jī)之間的串口通訊，方便從計算機(jī)對同步卡內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

6)電平轉(zhuǎn)換模塊。由于數(shù)控裝置脈沖指令和電機(jī)編碼器的接口電平標(biāo)準(zhǔn)都是5 V，而FPGA和DSP的I/O接口電平標(biāo)準(zhǔn)均為3.3 V，因此外圍信號與FPGA和DSP接口都采用SN74ALVC164245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

3.2 同步控制卡的軟件設(shè)計

雙軸同步控制裝置的軟件主要是用VHDL硬件描述語言對FPGA編程，得到2個軸的實(shí)時位置和位置偏差，當(dāng)偏差過大時進(jìn)行報警以及按鍵與顯示模塊的處理;DSP部分采用C語言編寫，主要包括初始化，與FPGA的通訊，上位機(jī)脈沖指令的實(shí)時接收、調(diào)整和轉(zhuǎn)發(fā)等。

1)DSP程序設(shè)計。DSP程序設(shè)計主要有初始化模塊、串口通訊模塊和同步功能模塊。初始化程序主要涉及系統(tǒng)初始化(設(shè)置系統(tǒng)時鐘為150 M)、外部接口的初始化以及對使用到的I/O引腳以及事件管理器EVA/EVB的初始化等。

同步功能模塊的軟件流程如圖4所示，主要包括的中斷程序有:

①捕獲中斷。利用DSP事件管理器EVA的CAP1和CAP2引腳，實(shí)時接收NC裝置發(fā)送的位置指令(包括脈沖和方向信號)，將CAP1捕獲引腳設(shè)置為同時檢測上升沿和下降沿。當(dāng)檢測到位置指令的脈沖信號時，主軸脈沖信號通過DSP立即轉(zhuǎn)發(fā)，DSP根據(jù)當(dāng)前的補(bǔ)償標(biāo)志對從軸脈沖信號作相應(yīng)的增/減補(bǔ)償調(diào)整。

②補(bǔ)償中斷。利用EVB的T3定時器產(chǎn)生定時中斷(中斷周期1 ms)，從FPGA讀取主從軸同步誤差，結(jié)合位置指令的方向信號，判斷從軸應(yīng)該采取何種補(bǔ)償措施(增脈沖、減脈沖或者不補(bǔ)償)，并設(shè)置相應(yīng)的補(bǔ)償標(biāo)志。如果同步誤差超過設(shè)定值則通知系統(tǒng)報警。

雙軸獨(dú)立控制只需對DSP有關(guān)選擇控制位進(jìn)行設(shè)置，將NC裝置的位置指令直接由FPGA轉(zhuǎn)發(fā)即可。

2)FPGA程序設(shè)計。FPGA程序主要包括以下模塊:

①鍵盤掃描模塊。在每個周期內(nèi)掃描一次鍵盤值，經(jīng)過消抖后送入FPGA進(jìn)行處理。

②鍵值處理與LED顯示模塊。在每個CLK的下降沿讀出按鍵值，根據(jù)按鍵判斷當(dāng)前的菜單等級、上一個菜單等級、一級菜單序號和二級菜單序號這4個參數(shù)來判斷應(yīng)該執(zhí)行的操作和LED應(yīng)該顯示的內(nèi)容。

③碼盤計數(shù)模塊。對主軸與從軸的碼盤反饋脈沖進(jìn)行計數(shù)和辨向，并計算出2軸反饋的誤差。

④DSP讀寫模塊。根據(jù)DSP所發(fā)出的地址值、片選信號和讀信號，將雙端口RAM中的參數(shù)輸出或讀取DSP寫入值。

圖4 同步控制模塊軟件流程

4 同步控制實(shí)驗及結(jié)果

圖5為脈沖式雙軸同步控制實(shí)驗裝置實(shí)物，其中數(shù)控裝置采用HNC－21TF，驅(qū)動器采用HSV－16－025，伺服電機(jī)采用 GK6041 －6AF31，同時采用同步控制卡實(shí)現(xiàn)2電機(jī)之間的位置同步。

以數(shù)控系統(tǒng)作為上位機(jī)，系統(tǒng)發(fā)出的脈沖指令經(jīng)過同步控制卡處理之后再分別發(fā)送給伺服驅(qū)動器，然后驅(qū)動電機(jī)按照控制指令運(yùn)轉(zhuǎn)。通過按鍵操作可以將同步控制卡設(shè)置為轉(zhuǎn)發(fā)指令或同步控制2種工作模式，以便對同步補(bǔ)償?shù)目刂菩ЧM(jìn)行對比實(shí)驗。在轉(zhuǎn)發(fā)模式下，同步控制卡將上位機(jī)發(fā)送的指令直接轉(zhuǎn)發(fā)給2個驅(qū)動器即可;而在同步模式下，同步控制卡將上位機(jī)發(fā)送的指令一路直接轉(zhuǎn)發(fā)給主軸驅(qū)動器，另外一路發(fā)送給從軸驅(qū)動器，并根據(jù)兩軸的同步誤差對從軸脈沖指令進(jìn)行補(bǔ)償。

圖5 脈沖式雙軸同步控制實(shí)驗裝置

圖6為同步控制卡在2種工作模式下雙軸同步誤差的實(shí)驗結(jié)果，可以看出采用同步補(bǔ)償算法對雙軸同步誤差有明顯的改善效果。

圖6 同步控制實(shí)驗結(jié)果

5 結(jié)束語

針對脈沖接口數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，給出一種對脈沖指令進(jìn)行增、減補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)原理，由此提出一種基于DSP+FPGA硬件架構(gòu)的同步控制裝置，并給出了同步控制卡軟硬件設(shè)計及實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗結(jié)果表明:所設(shè)計的同步控制卡能有效改善同步性能，具有較好的實(shí)用效果。

［1］Akasaka N.A synchronous position control method at pressure control between multi-AC servomotors driven in injection molding machine［J］.SICE Annual Conference，2003，3:2712 －2719.

［2］Chu B，Kim S，Hong D，et al.Optimal cross-coupled synchronizing control of dual-drive gantry system for a SMD assembly machine［J］.JSME International Journal Series C，2004，47:939 －945.

［3］Hsieh M F，Tung C J，Yao W S，et al.Servo design of a vertical axis drive using dual linear motors for high speed electric discharge machining［J］.Int J Machine Tools and Manufacture，2007，47(1):546 －554.

［4］Lin F J，Chou P H，Chen C S，et al.DSP-based Cross-Coupled Synchronous Control of Dual Linear Motors via Intelligent Complementary Sliding Mode Control［J］.IEEE Trans Industrial Electronics，2012，59(2):1061－1073.

［5］Siemens.840D/FM-NC Description of functions，special Functions(Part3)［M］.［S.l.］:Siemens，1999.

［6］Fanuc.Parameter Manual of a-series AC Servo Motor［M］.［S.l.］:FANUC，1994.