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近年來,微電子技術和計算機技術的發展已成為促進伺服控制技術向高性能發展的技術基礎。隨著大規模集成電路技術的發展,DSP芯片得到了飛速的發展,在信 處理、通信、、遙感、和圖象處理、電子測量、自動控制等許多領域得到廣泛的應用。
在超精密機床伺服控制方面,為使機床工作臺達到亞微米級的線性運動精度,現代控制技術的引入顯得極為必要。精細化的控制單位、以微小程序段實現連續進給,已成為超精密數控加工的顯著特點,超精數控加工的插補周期已經達到毫秒級。
大數據量、高精度的插補運算和控制,要求計算機系統能高速度地對加工指令作出反應,高速處理并計算出伺服電機的移動量,隨后發出控制指令。DSP的數據吞吐能力高達數十MIPS,同時其指令周期短至幾十納秒,非常適合于大數據量的高速數據采集系統和實時控制系統。
將DSP應用于高性能的超精密數控系統的不失為一種好的策略。事實上,DSP微處理器在超精密伺服控制系統、檢測補償和快速伺服裝置、機床保護等方面都有著成功的應用。的設計和研制,并了成功。其核心是ADSP2181芯片,插補周期達到5ms控制周期為0.5ms,編程分辨率為2nm,已具備了實際工況應用的基本條件。
具有如下的典型性能:壓電陶瓷伺服裝置金剛石誤差補償表在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法;程序和數據空間分開,可以同時訪問指令和數據;片內具有快速RAM,通常可通過的數據總線在兩塊中同時訪問;。
2數字信 處理器的典型性能數字信 處理器器件的主要應用是實時快速地實現各種數字信 處理算法。作為典型的DSP器件,ADSP2181的功能結構如示。ADSP2181芯片的MAC(―次乘法和一次加法)時間已經達到33ns芯片的引腳數量則已達到200個以上,引腳數量的增加,意味著結構靈活性的增加,如外部存儲器擴展和處理器間的通信等。
同時,DSP芯片的發展,使DSP系統的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。―般都具有良好、的工具和匯編語言支持。ADSP2100系列的各個提供編譯和連接的工具,用以生成可執行文件,可執行文件可以寫入DSP程序存儲區。
DSP同時擁有,可以對程序運行、中斷、定時等進行,從而具有極大的方便性,非常適合數控的需要。3DSP在超精密數控系統中的應用數控系統可以分為單處理器和多處理器兩種類型。單處理器系統以單個CPU作為控制核心,所有功能都由一個CPU分時執行,其編程十分復雜,機床的進給速度也受到影響。
多處理器系統的典型是主從處理器結構,主CPU完成前臺控制,即人機界面管理、信息顯示和預處理等工作;從CPU完成后臺控制即插補運算、伺服控制及反饋處理等工作,負責的數據運算和I/O操作。超精密數控系統的插補周期極短、插補間隔小、其控制和插補運算相當,從而要求數控系統在極短的時間內對各軸反饋的位置信 進行處理,目前插補周期已經達到毫秒級。
單處理器數控系統很難達到如此快的數據處理速度,從而使多處理器系統的采用成為必然。DSP器件由于其強大的數據運算能力和極高的運算速度,對超精密數控系統的來說是一種的選擇,并為超精密數控系統中先進控制算法的采用提供了可能。
事實上,DSP器件在超精密數控加工的伺服控制、補償及快速伺服、先進控制算法采用、機床保護系統等方面都有著廣泛而有效的應用。3.1基于DSP的伺服控制系統高速的DSP微處理器,可以實現超精機床的高精度位置伺服控制與輪廓加工控制,同時提供機床及的熱效應和幾何誤差補償與控制。
如Faunc15-BCNC系統采用具有33MHz主頻雙精度64字長的MC68EC030雙CPU微處理器實現了具有1nm的高速CNC控制系統,在高精度輪廓加工控制方面,實現自動進給率控制以保證加工的軌跡在軌跡的允許誤差范圍之內。期,ADSP2181完成的基本工作流程內容為:讀取指令位置、計算并形成新軌跡、查詢并處理外部事件、對執行機構運動進行控制。
采用主從式多處理器的超精CNC結構ADSP2181具有16位字長,可在33ns內完成任何一條指令。由于具有極高的運算速度,該系統的插補周期和采樣控制周期分別達到2ms和0.5ms,大大了系統的敏捷性和實時性。與之相應,實驗加工中的控制精度達到了0.m,與常規的主機控制、插補控制周期一體化的加工精度相比,綜合精度指標極大。
3.2采用DSP改進控制算法高速度高性能的微處理器,尤其是數字信 處理器(DSP)的應用,使許多先進控制策略和方法,如自適應控制、學習控制、摩擦控制等等,得以應用于高精度伺服控制系統,大大了的控制精度和快速性。
er提出了“直接阻尼控制(DDC)算法,并以TMS320C30實現。該算法在使機床定位與跟蹤控制精度達到亞微米級的同時,有效地減小了超精密機床的動態振動噪聲對機床定位精度的影響。ezawaetal采用TMS320C30實現了PID+摩擦補償控制算法,使超精密工作臺高速定位精度達到0.YH-I型超精密數控系統基于ADSP2181強大的數據處理能力,實現了FuzzrPid復合控制。
伺服控制系統的采樣率達到2KHz.在實際運行中,該系統將每個插補周期分為10個控制周期進行伺服控制,從而對插補過程構成更為有效的控制,使曲線插補更加準確。結果表明:該方法大大了系統對曲線跟蹤的準確性和快速性。
3.3DSP在和伺服方面的應用為了對進給運動中的系統誤差進行補償,YH~I超精密數控系統采用自研的壓電陶瓷,以ADSP2181微處理器構成伺服結構,實現了開環的伺服控制,其原理結構為:原理結構圖由于ADSP2181的快速運算能力,可以對每個插補控制周期的補償數據進行迅速而準確的運算。
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