1、 1 毕业设计开题报告 电子信息工程 基于 PIC32+DSP 构架的五轴数控单元设计（硬件部分） 1 选题的背景、意义 1.1 计算机数控技术的发展 计算机数控技术 (CNC， COMPUTER NUMERICAL CONTR01)是在硬件数控的基础上发展起来的 机床控制新技术。整个系统包括计算机、现代 控制、微电子、传感检测、机械制造、信息处理和网络通信等技 术，是现代制造技术的基础。其性能强弱、品质优劣直接影响着数控设备的加 工质量和生产效率，对整个制造系统的集成控制、高效运行、更新发展影响巨 大。数控技术的广泛使用给制造业的生 产方式、 生产工艺、 产业结构、管理方式带来了巨大的变化，
2、是制 造业实现自动化、柔性化、集成化生产的关键，是 振兴国家机床行业、增强国际制造业竞争力的基础。 图 1 计算机数控系统方框图 随着计算机技术，特别是微电子技术的发展，数控技术无论在硬件或软件方 面发展都很快，自从 1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台三坐标铣床以来， 数控机床按照控制机的发展，已经历了五代。 1959 年，在计算机行业中出现了晶体管元件，因而在数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入了第二代。 1965 年，出现小规模集成电路，由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，我们称之为第三代。 以上三代系统，都是采用专用控制计算机的硬接线数控系统，我们
3、称之为硬线系统，统称为普通数控系统（ NC）。 2 随着计算技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，激烈地冲击着市场。数控系统 的生产厂家采用小型计算机来取代专用控制计算机，甚至许多功能可以依靠编制专用程序存在计算机的存储器中，构成所谓控制软件而加以实现，提高了系统的可靠性和功能特色。这种数控系统，称为第四代系统，即计算机数控系统（ CNC）。 然而，计算机技术的发展日新月异，就在 1970年前后，美国英特尔（ Intel）公司开发和使用了四位微处理器，微处理芯片渗透到各个行业，数控技术也不例外。我们把以微处理机技术为特征的数控系统称为第五代系统（ MNC）。 1.2 现代数控系统的发展趋势 随
4、着微电子、计算机技术、检测和控制技术的 飞快发展， 为了满足市场需求，满足科学技术发展的需要，满足现代制造 技术对数控技术提出的要求，数控系统呈现出新的发展趋势，主要有以下几个 方面： 1)加工控制的高速、高精度 随着数控加工设备和高性能刀具技术的发展， 提高了模具加工速度，减少了加工工序，从而极大地缩短了模具的生产周 期。为进一步提高加工速度和精度，数控系统采用高速 CPU 缩短采样周期和程序处理时间。或者利用多 CPU 结构，使各 CPU 可并行处理数控系统与外围接口通讯、伺服控 制、系统调度等，提高加工效率：采用直线电机伺服驱动系统， 可以提高加工精度和运动速度；同时一些实时 误差补偿技
5、术的应用，进一步提高了数控系统 的加工控制精度。 2)应用环境的网络化、集成化 网络化和集成化技术的有效利用，可以适应动 态市场需求，带动产品迅速更新，是各国制造业发展的主流趋势。通过研 究计算机辅助设计 (CAD)、计算机辅助工程 (CAE)、计算机辅助工艺过程规程 (CAPP)和计算机辅助制造 (CAM)等设计自动化技术和网络技术，在综合自动化概念 框架下集成 CAD CAE CAPPCAM， NET的应用，将其功能有机地集合起来，统一组织 和管理有关信息提取、交换、共享。其重点： CNC 单机向高精度、高速度和高集 成方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 CAD CAE CA
6、PP联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化发展。 3)结构体系的模块化、开放化 3 机床结构模块化，数控功能专业化是适应数控 机床多品种，小批量特点的主要手段，大大提高机床性价比，并且硬件模 块化易于实现数控系统的集成化和标准化。采用通用计算机组成总线式、模块 化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁减、扩展和升级，可以组成不同档次、 不同类型、不同集成度的数控系统开放式数控系统将成为新一代数控系统。目 前，美国的 NGC、欧盟的 OSACA、日 本 OSEC、中国的 ONC等都对此进行了研究。 4)智能化技 在数控系统的运用，智能化主要包括以下几方 面：自适应控制技术：数控系统能检
7、测过程中一些重要的信息，并自动 调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的；专家系统；将熟练工 人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库 为支撑，建立具有人工智能的专家系统；故障诊断系统；如智能诊断、智能 监控，方便系统的诊断及维修等；智能化数字伺服驱动装置：可以通过自动识 别负载而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 5)数控标准 数控标准是 制造业信息化发展的一种趋势。国际上正在研 究和制定一种新的 CNC系统标准 15014649(STEP NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统 一数据模型，从而实现整个制造
8、过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化 .STEP NC 的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整 个制造业，将产生深远的影响。STEP NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中 ， NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下， NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发 展的方向。 1.3 嵌入式系统在 CNC 方面的应用 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。以嵌入式计算机为核心的嵌入式系统是继 IT网络技术之后，又一个新的技术发展方向。 嵌入式技术（ Embedded Technology） ，其最大的特点是单片化，与计算机相比，体积大
9、大减小，功耗和成本下降，可靠性提高 。以 8 位单片机 (或微控制器， MCU)为核心的嵌入式系统早已广泛应用于各个领域，这些应用还处于单机使用的嵌入式低4 层次阶段。其特点是以 MCU 为核心，与一些简单的传感器及监测、伺服控制、指示和显示等设备配合，实现一定 的测量、显示、信息处理及控制等功能。 自从 20 世纪 70 年代初出现嵌入式系统的概念以来，嵌入式系统一直向着高性能、低功耗等特点高速发展。 20 世纪 90 年代后，嵌入式系统设计从以嵌入式微处理器 DSP 为核心的“集成电路 “级设计，逐渐转向“集成系统 ” 级设计，提出了片上系统 SOC(Systenl on a Chip)的
10、基本概念。 SOC 不仅为高性能嵌入式系统开发提供了功能丰富的硬件平台，同时也为实时嵌入式操作系统的广泛使用提供了硬件基础。 20世纪 80年代开始，陆续出现了一些嵌入式操作系统，比较著名的有 VxWorks、 Windows CE、 Palm、 I_tCLinux、 gC OS-II等，但真正广泛应用只是近几年的事情。一方面是因为嵌入式系统软件开发复杂度等价的需求；另一方面是大量高性能、面向实际应用、集成多种系统功能的 SOC 芯片成为高端嵌入式应用的硬件核心，为可靠、高效、低成本地运行嵌入式操作系统提供了硬件平台。进入 2l世纪以后，嵌入式技术，特别是软件技术向着新的方向发展。嵌入式系统设
11、计师们已利用现行嵌入式软件技术和 PC 机积累技术迎接新一代嵌入式应用；同时，发展影响深远的若干新件技术。这些技术包括：行业性编程编口 API 规 范，无线网络操作系统和嵌入式 JAVA等。 嵌入式系统在工业控制上应用起源于 20 世纪 80 年代单片机的使用。单片机技术已经渗透到各个领域，且与人们的日常生活密不可分，给人们生活和工业生产带来极大方便。单片机的功能强大，从信号采集、处理到传输都可以通过单片机来完成。但是，随着网络时代的来临，许多电子设备需要联网和更智能化、更强的计算能力，比如音频、视频的数据采集、处理和传输；丰富的图形界面等。普通单片机越来越不能满足需求，开发工作也变得越来越复
12、杂。随着微电子技术的进步，芯片的制造成本大大降低，而功能却大大增强， 32位的嵌入式微处理器逐渐成为嵌入式系统设计的主流。 工业控制操作系统需要严格的实时处理功能，良好的可靠性和开放性，对人机界面、开发环境、可操作性、成本等也有特别的要求。而嵌入式系统正好符合这一要求，在工业控制中体现了以下的优点： 1)实时性 实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能，并对外部的异步事件作5 出反应的能力。实时性的强弱以完成规定功能和作出响应时间的长短来衡量。 嵌入式 32位的微处理器通常是几十、几百 M，甚至是 G的处理速度，对比单片机几 M、十几 M 的速度不可同日而语。除了提高硬件的处理能力可以在一定
13、 程度上提高控制系统的实时性，控制系统的实时性能还由操作系统来决定。 2）可靠性 工业控制系统对可靠性要求很高。可靠性主要包含两个方面的含义：一是控制计算机本身要连续稳定运行，二是系统检查出故障后要有保持安全状态的能力。在硬件方面，由于嵌入式处理器本身集成了常用的接口控制模块，如 LCD、USB 接口的控制模块，所以较单片机在外部扩展接口芯片，大大增强了抗干扰的能力 ,并且操作系统的可靠性也进一步保证了工业控制系统的正常运行。 3)人机界面 不同对象对工业控制系统的人机界面 HMI(Human Machine Interface)要求差别很大。在传统的单片机操作系统中，图形功能弱，大都依靠 L
14、ED 和数码管进行显示，没有更强的图形界面功能。嵌入式操作系统不仅支持图形和窗口，具有多媒体功能，而且还可以利用丰富灵活的控件库。因此，嵌入式操作系统完全可以满足工业控制系统对人机界面的要求。 4)开放性 随着 Intcrnet 的飞速发展，网络应用越来越广泛，对各种工业控制设备的网络功能要求也越来越高。现代设备要求工控系统必须具备两方面的功能：一是要在现场完成复杂的测控任务；二是要求测控系统能够与某一类型的控制网相连。在目前应用的大多数 测控系统中，系统的硬件采用的是 8 16 位单片机；软件多采用汇编语言编程，由于这些程序仅包含一些简单的循环处理控制流程，因此，单片机与单片机或上位机之间的
15、通信通常通过 RS232、 RS485 来组网。这些网络存在通信速度慢、联网功能差、开发困难等问题。工业以太网已逐步完善，在工业控制领域获得越来越多的应用。工业以太网使用的是 TCP IP协议，因而便于联网，并具有高速控制网络的优点。 5)开发成本和开发环境 工业控制设备的生产批量小，开发环境所占比重大，所以易用、廉价的开发环境对控制设备生产商十分关键。现在， 32 位 嵌入式 CPU价格的下降和性能6 指标的提高，为嵌入式系统的广泛应用提供了可能。在软件开发方面，业界如今也达成共识：嵌入式 Linux、 pC OS II 等开放源代码的免费操作系统是大势所趋；嵌入式 Linux、 pC OS
16、 II 等操作系统以价格低廉、功能强大、易于移植等特点而正在被广泛采用，并已成为一种新兴力量。 从上述的几个观点，不难得出以下结论： 随着 32位嵌入式 CPU价格的下降和性能指标的提高，嵌入式硬件平台不断的完善和发展，嵌入式操作系统的升级和优化，技术支持的不断拓宽，为嵌入式系统的广泛应用提供了可能。因此嵌 入式系统在工业控制领域有着很好的 应用前景。 本课题旨在通过方法创新，在充分研究和学习嵌入式系统技术和多轴联动数控系统控制技术的基础上，将两者加以结合，配合改进的控制算法，设计一种开放式的、响应时间短、控制精度高，同时成本低廉、适应于各种应用场合的小型多轴数控控制卡。 2 相关研究的最新成
17、果及动态 卧式多轴自动车床已有 100 多年的历史，而成功地用于生产中则以 1893 年美国阿科美（ ACME ）公司的第一台四轴车床为开端。虽然该车床比较粗糙，但设计新颖，基本上是完善的。 四十年代，由于汽车工业、轴承加工 和军工的需要，新的高效自动化车削加工设备促使多轴车床得到了较快的发展。 六十年代是多轴车床的巩固发展时期。为了满足机械加工工业的需要，多轴车床主要提高了产品的使用性能。 七、八十年代是国际多轴车床的大发展时期，其主要技术标志是 :产品不断更新，新结构不断出现，数控技术在多轴车床上得到应用机床采用全封闭防护等。 90 年代，多轴车床有了突破性的进展，主要是应用了计算机数控技
18、术。计算机数控多轴车床有很高的柔性可适应各种复杂零件、不同批量的加工，特别是中批量生产。另外数控多轴车采用伺服电机驱动各刀架可根 据零件加下尺寸误差进行刀具补偿，可获得很高的加工精度。所以，发展数控多轴车床是一主要趋势。 7 今天在多轴机床上应用数控技术已经是非常普遍了，而且数控机床的主轴结构形式也是多种多样。其中比较典型也比较普遍被应用的就是双主轴车削加工中心，可以同时加工两个工件，成倍提高了加工效率。欧洲主要机床企业都开发了此类产品，形式各异，基本上都在 3 轴控制以上，最多的达到 6 轴控制，五轴联动。机床采用双刀库、双换刀机构， Z 轴大多采用滑枕移动式，提高了移动速度和加速度，大多可
19、以各自控制两个主轴移动。大致上在欧洲双主轴车削中心可以 分为卧式和立式两类。 其中卧式双主轴车削中心比较典型的代表就是：意大利 RIELL0 集团双主轴滑枕移动式卧式加工中。机床采用上下主轴布置和交换托盘，按用户需求还可以在左侧配置另一台双主轴、双托盘，成为两台加工中心组成的机床，所以称为加工中心平台。机床两个主轴套可分别独自沿 Z 轴移动，上下主轴的刀库和换刀机构分别在机床一侧上下方，托盘和工作台可以在立柱上进行上下运动（ Y 轴）和 B 轴运动，立柱在床身上进行 X轴运动。其结构布置和托盘结构如图 2 所示 图 2（ a）机床结构布置 （ b）交换托盘结 构 立式车削中心的典型代表就是：德
20、国 CHIRON 公司 DF12KW 双主轴高速立式加工中心。机床双主轴座沿床身立柱进行 Z 轴运动，工作台交换是绕垂直轴回转 180，交换时间 1.9s。如需要可以选择直线电机高速驱动， NC 转台和摆动回转工作台。其外观如图 3 所示 8 图 3 立式双主轴数控车床 六主轴的多轴自动车床应以 TORNOS 公司产品为代表。 TORNOS 公司的MultiDECO 32/6C型多轴车床的外观如图 4 所示： 9 图 4 MultiDECO 32/6C 型多轴数控车床 3 课题的研究内 容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 3.1 设计目标与基本内容 本设计拟设计一种 P
21、IC32+DSP 构架的五轴数控控制单元，能输出五路步进电机和交流伺服电机驱动信号，大屏幕液晶触摸控制，基于知识的设计界面。 现 已提供条件： 1、 PIC32最小系统板 2、 X3S400 FPGA实验板 3、 大屏幕触摸屏 DEMO 电路。 具体设计内容如下： 1、基于 PIC32 微处理器设计及操作系统的移植； 2、数控原理的学习和插值等控制算法的实现； 3、 TMS32OF2812 DSP工作原理学学习及其设计 和编程； 4、X3S400 FPGA 的电路设计，利用 FPGA 实现 PWM 的功能扩展。本课题是一个实战课题，需要设计出完整原理图与 PCB图，并实际做出 PCB电路板并调
22、试成功。 3.2 初步设计思路 本课题所探讨的是一种基于 PIC32+DSP 构架 五轴数控控制单元， 能输出五路步进电机和交流伺服电机驱动信号，大屏幕液晶触摸控制 。 经过多方资料查阅和与导师的讨论，本设计初步设计思路如下： 1）本课题的核心芯片选择如下： DSP采用 TI公司的 TMS320C2812:它是 专门针对电动机控制的 DSP芯片。 DSP的内部结构为哈佛 结构，三级流水线作业。 TI 推出的 TMS320F2812 是应用于控制领域的 经典 DSP，具有 高 运算能力和面向电动机的高效控制能力集于一 体，轻松将复杂的控制策略实现。采用高性能的静 态 CMOS 技术，工作频率达到
23、150MHZ，低功耗设计， 32 位 CPU，片上 128K 程序存储器和 128K 数据存储器，三个 32位计数器，两个事件管理器可以用来输出 PWM波控制电机， PWM输出通道达 12 个， SCI 串行通讯接口， CAN 总线接口， MCBSP 接口，具有采样速率12.5MSPS的 12位 16通道的 A/D转换器，有正交编码脉冲接口，可以使用 语言进行编程控制，移植性强，非常适合电机的 PWM 控制。在电机控制系统，如许10 多先进方法 :无传感器的场控或电流形状控制的开关磁阻电 机控制很容易在 DSP上实现，对于减少成本，降低损耗，减少 EMI，提高系统效率和可靠性，都大有好处 。
24、FPGA 拟定选用 XILINX 生产的 SPARTAN3 X3S400, FPGA X3S400 相当于 40 万门，当然这是设计开发和功能验证用，实际 的商业应用可以选择恰当规模的芯片 。 单片机选用 PIC32MX360L512， PIC3MX360L512 是 MICHIP 公司推出的 32 位单片机，抗 干扰能力强，特别适合工业控制。相较于其他 系列单片机，功能更强大，处理速度快，甚至可以移植多种操作系 统。 PIC 系列单片机兼容性非常强，所以对于芯片更新换代引起的问题，可以 轻松应对。 2）核心芯片的任务分配： PIC32的主要任务是作为控制核心，完成人机界面， USB、以太网或
25、者串口之间的通信。 利用 FPGA实现 PWM的功能扩展，作为 PIC32与 DSP之间的缓冲，可以 简化电路设计，减少元器件数量，增加控制的灵活性。从而获得把通用 DSP 处理器的所有优点与 FPGA 的先进性能综合在一起的新型硬件 。 针对 TMS320F2812 的具体特点，设计用于电机的多轴伺服控制板 ，并且 充分利用 其 快速性，实现一些先进控制算法的使用，如 pid+ff控制，模糊控制等。并且 DSP 具有可编程特点，任务可分时复用，降低系统硬件规模，提高系统设计的灵活性和可靠性 3）各主要模块设计思路： 电机位置控制系统基本结构图 如图 5所示 。 图 5 中 m 为电机， pe 为功率电子驱动单元， dcs 为数字控制系统。输入到数字控制器的信号为参考输入和过程变量，过程变量为传感器输出经 A/D 转换后的值，包括电压、电流、速度和位置信号。 dcs 通过输出接 口 (oi)控制电机驱动，如果 pe 需要一个模拟量输入时， oi 接口还包括 d/a 转换；当驱动大功率的电机时，采用的大功率 igbt、 bjt等，还需要一些隔离接口模块。
