DSP技术在数控技术中的应用分享

优胜编程龚老师

DSP技术在数控技术中的应用分享：

出了基于DSP的数控系统设计方案。

　　出一类新型DSP除增加制造业是整个工业的基础产业，制造业的水平高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志，大力发展先进的制造技术己成为世界各国
的最重要的几大技术战略之一。数控技术是先进制造技术（如柔性制造系统、计算机集成制造系统等）的基础。数控机床在整个现代制造系统中处于基础性的、
核心的地位。DSP具有高达数十MTPS的数据吞吐能力，短至几十纳秒的指令周期，非常适合于大数据量的高速数据采集系统和实时控制系统，
因此DSP在高性能的数控系统中具有十分重要的应用价值。

　　1DSP及其特点数字信号处理（DSP）的理论产生于60年代中期，在数字信号处理技术发展的初期，
人们只是在通用数字计算机上进行算法的研究和处理系统的模拟与仿真。近年来，随着LSI技术的发展，国外一些大公司如德州仪器公司、
AD公司推fi型的微处理器芯片数字信号处理器（DSP），有的加了芯片内RAM的容量和片外寻址能力外，还增加了串/并口的数量和速度，
增加了计数-定时器、ADC、DAC等，其处理一条指令的时间提高到几十纳秒，数据吞吐能力高达80MTPS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。在国外DSP已广泛应用于通信、遥感、语音和圄像处理、电子测量、
自动控制和模式i识别等领域，DSP之所以有如此广泛的应用，主要是由它如下特点决定的。

　　1.1哈佛结构通用型微处理器，采用的是冯。诺依曼结构，即程序指令和数据共用一个存储空间和单一的地址与数据总线。为了进一步提高运算速度，
以满足实时数字信号处理算法的要求，当前的DSP都采用了与通用微处理机不同的结构，即放弃了冯。诺依曼结构，而采用了哈佛结构。所谓哈佛结构，
是将程序指令与数据的存储空间分开，各有自己的地址与数据总线。这就使得处理指令和数据可以并行操作，从而大大提高了处理效率。

　　1.2流水线技术DSP大多采用了流水线技术。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芫成，
极大提高了处理速度。DSP的哈佛结构为采用流水技术提供了方便。

　　1.3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芫成一次乘法和一次加法。

　　1.4高速数据传输能力新型的DSP大多设置了单独的DMA总线及其控制器，在不影响或基本不影响DSP处理速度的情况下，
作并行的数据传送。这为DSP之间的串联和并联提供了方便。

　　1.5良好的仿真开发技术为了方便用户的设计与调试，许多DSP在片上设置了TAG仿真接口和高级语言编译器。DSP同时拥有仿真软件，
可以对程序运行、中断、定时等进行仿真，从而具有极大的方便性，非常适合数控开发的需要。

　　早期DSP主要用作控制算法的运算，现在控制功能也由DSP来实现，在数字控制系统中DSP可以处理所有的工作。

　　如DSP通过对输入和反馈信号进行处理来改善噪声和不准确的信号，该过程对所有的传感器操作都有改善作用。

　　DSP还可以在高级算法的实时应用上改善系统控制的性能，许多控制算法包括自适应、多变量寻优、学习、自校正神经网结、遗传算法和模糊逻辑，

都需要由DSP的速度和性能来实现。对于许多系统，在一般操作之前或当中必须估计一些系统的参数，DSP由足够的能力在处理其他任务的同时进行辨识和参数估算。

　　许多电机数字控制系统包括电源信号调节和功率因数校正。控制电机的系统，通常都采用PWM方法控制能量转换器，DSP带PWM的产生功能，

快速DSP可以采用先进的算法，提高电能的利用率，而且有故障诊断和保护功能。

　　因此，在基于DSP的数控系统中，DSP可以完成复杂的插补运算程序和速度控制程序，特是在高速高精度多轴数控加工中，
要求数控系统在极短的时间内对各轴反馈的位置信号进行处理，将DSP应用于高性能数控系统的开发不失为一种好的策略。
同时还可以通过程序实现刀具磨损的实时监控和动态补偿，有效地提高了数控系统的性能和精度。此外，DSP还可以实卿非控制的功能，
包括与上位机的通信、数字滤波和数据总线的控制协议（如SCSI）等。

　　2基于DSP的数控系统设计基于DSP的PC平台上的CNC系统可以使用户用很少的费用不断进行软、硬件升级，在一定时间内跟上数控技术发展的步伐，
更重要的是：它兼有DSP处理速度快和PC平台便于开放型设计的优点，必将成为数控技术发展的主流。

　　由于TI、AD等公司推出面向电机控制的DSP芯片，而且性能不断提升，除了直接采用PMAC等产品，
根据具体需要和应用场合选用合适的DSP芯片自行设计数控系统成了很多用户的选择，因为既可以降低成本，又可以更有针对性。
目前，国内开展的基于DSP数控系统的设计研究越来越多，并开始应用于实际。

　　基于DSP的数控系统的设计原理框圄，如圄1所示。该系统采用双CPU结构，主机（工业PC机）与DSP直接通过总线相联，
主机和DSP均可读写内存，从而达到通信的目的。同时主机CPU也可直接读写I/O信号和读取反馈信号，其硬件结构。

DSP控制器使用一种简单而特有的计算机结构提供先进的计算和实时控制功能。控制器用50MHz的TMS320C40芯片来芫成高速运算。
DSP芫成轴的伺服回路运算及处理相关的I/O功能。

　　主CPU和DSP能直接访问数据总线实现快速通讯。DSP板不要求PC计算机任何时候都处于通讯状态，只有在有信息传送或命令运行时，
计算机才需要读或写数据总线。而且任何运动命令均可暂存在DSP的内存中等待执行。

　　方案采用了较多的大规模集成电路（如8154、8255等）作为周边器件，为了进一步提高系统的稳定性和可靠性，还可以采用DSP作为系统控制微处理器，

并结合大规模可编程逻辑器件（CPLD或FPGA）来进行设计，由于大规模可编程逻辑器件可以根据需要定义成计数器、比较器、缓存器等逻辑器件，

并能将大量逻辑功能集成于单片的IC中，减少系统所需元器件数目，同时设计时具有更大的灵活性。系统的构成框圄，其中的可编程逻辑器件FPGA实现数据的缓存、

位置比较、脉冲发生和I/O接口等功能，而DSP则通过数据总线访问FPGA，读取缓存区的数据，执行位置和速度的控制算法，并芫成与主机通讯功能。

　　
　　随着社会经济、技术的进步和人类生活水平的不断提高，要求建筑施工向安全、高效、省力、优质、舒适方向发展，传统的建筑机械虽然可以实现机械化施工，

在一定程度上满足上述要求，但仍然是手工操纵，工人劳动强度较大舒适性较差，劳动生产率也较低，而且施工质量、施工安全在很大程度上取决于各种人为因素。

建筑业属于仅次于采掘业的苦、脏、险行业，因事故而伤亡的人数也较多。基于此，要求建筑机械自动化的呼声十分强烈。

　　1建筑机械自动化现状建筑机械自动化的开发研究工作始于50年代，1978年曰本研制成功世界第一台建筑机器人，80年代后开发步伐加快。

当前，西方发达国家及我国哈尔滨工业大学、中科院沈阳自动化所等单位在从事建筑机械自动化的开发研究中均取得了一定的成果，其中曰、

美两国的开发研究工作处于领先水平。

　　数控系统正朝着开放式、高速高精度、智能化及网结化发展，数字信号处理器（DSP）由于具有强大的运算能力、良好的I/O操作功能、极高的处理速度，

并且具有良好的实时控制性能，在数控系统中具有广泛的应用前景和优势。可以预见，采用DSP进行高性能高精度的CNC系统的开发是今后数控技术的主流趋势。