一种数控机床运动控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种数控机床运动控制系统及控制方法，运动控制系统包括DSP数字信号处理器模块、FPGA模块、上位PC机、双端口存储器模块、扩展存储器模块、PCI接口模块和电源模块，FPGA模块、双端口存储器模块和扩展存储器模块均与DSP数字信号处理器模块相接，上位PC机和双端口存储器模块均与PCI接口模块相接，FPGA模块的输入端接有光栅尺，DSP数字信号处理器模块的输出端接有多个光电隔离电路模块，多个光电隔离电路模块均与D/A转换电路模块的输入端连接，D/A转换电路模块的输出端接有多个伺服控制器。本发明专利技术能够有效应用在数控机床中，实现数控加工的高精度控制，使用效果好，便于推广使用。

A motion control system and control method for CNC machine tools

【技术实现步骤摘要】
一种数控机床运动控制系统及控制方法
本专利技术属于数控机床
，具体涉及一种数控机床运动控制系统及控制方法。
技术介绍
在数控机床设备中，运动控制技术是其中一个关键的核心技术。运动控制系统将预定的控制指令转变成被控对象预期的运动，实现被控对象运动过程中的位置和速度这两项运动参数的精确控制，目前的运动控制系统主要由以下三类：第一类以8位或者16位单片机为核心的运动控制器，它的处理能力较差运算精度不高，运行速度慢，控制精度低。第二类以专用芯片为核心的运动控制器，这类运动控制器开放性不佳难以根据客户要求的改变而重组系统且结构比较简单往往没有反馈装置，大多数只能输出脉冲信号，通常采用开环控制的方式，系统灵活性不强扩展能力差,只能用于单轴的点位控制场合，对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备就不能满足要求。第三类是以DSP和FPGA为核心处理器的开放式运动控制器，可充分利用DSP对数据的高速运算功能。将FPGA和DSP与PC机相结合能够使控制器信息处理能力强，控制轨迹精确，通用性好，但现有技术中还缺乏设计合理，实现方便的硬件电路设计。现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数控机床运动控制系统，其特征在于：包括DSP数字信号处理器模块(1)、FPGA模块(2)、上位PC机(3)、双端口存储器模块(4)、扩展存储器模块(5)、PCI接口模块(6)和D/A转换电路模块(10)，以及为所述数控机床运动控制系统中各用电模块供电的电源模块(7)；所述FPGA模块(2)、双端口存储器模块(4)和扩展存储器模块(5)均与DSP数字信号处理器模块(1)相接，所述上位PC机(3)和双端口存储器模块(4)均与PCI接口模块(6)相接，所述FPGA模块(2)的输入端接有多个用于对数控机床的运动轴位置进行检测的光栅尺(8)，所述DSP数字信号处理器模块(1)的输出端接有多个光电...

【技术特征摘要】
1.一种数控机床运动控制系统，其特征在于：包括DSP数字信号处理器模块(1)、FPGA模块(2)、上位PC机(3)、双端口存储器模块(4)、扩展存储器模块(5)、PCI接口模块(6)和D/A转换电路模块(10)，以及为所述数控机床运动控制系统中各用电模块供电的电源模块(7)；所述FPGA模块(2)、双端口存储器模块(4)和扩展存储器模块(5)均与DSP数字信号处理器模块(1)相接，所述上位PC机(3)和双端口存储器模块(4)均与PCI接口模块(6)相接，所述FPGA模块(2)的输入端接有多个用于对数控机床的运动轴位置进行检测的光栅尺(8)，所述DSP数字信号处理器模块(1)的输出端接有多个光电隔离电路模块(9)，多个所述光电隔离电路模块(9)均与D/A转换电路模块(10)的输入端连接，所述D/A转换电路模块(10)的输出端接有多个用于对驱动数控机床运动轴的伺服电机进行控制的伺服控制器(11)。


2.按照权利要求1所述的一种数控机床运动控制系统，其特征在于：所述DSP数字信号处理器模块(1)包括DSP芯片TMS320F28335、非极性电容C23、非极性电容C24、电感L3、电感L4、电感L5、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12和电阻R14，以及均与DSP芯片TMS320F28335相接的晶振电路、复位电路和时钟电路；所述DSP芯片TMS320F28335的第44引脚通过电感L3接地，所述DSP芯片TMS320F28335的第45引脚通过电感L4与电源模块(7)的3.3V电压输出端连接，所述DSP芯片TMS320F28335的第31引脚和第59引脚均与电感L5的一端连接，所述电感L5的另一端与电源模块(7)的1.9V电压输出端连接，所述DSP芯片TMS320F28335的第55引脚通过非极性电容C24接地，所述DSP芯片TMS320F28335的第56引脚通过非极性电容C23接地，所述DSP芯片TMS320F28335的第57引脚通过电阻R14接地，所述DSP芯片TMS320F28335的第78引脚通过电阻R12接地，所述DSP芯片TMS320F28335的第80引脚通过电阻R9与电源模块(7)的3.3V电压输出端连接，所述DSP芯片TMS320F28335的第85引脚通过电阻R11与电源模块(7)的3.3V电压输出端连接，所述DSP芯片TMS320F28335的第86引脚通过电阻R10与电源模块(7)的3.3V电压输出端连接，所述DSP芯片TMS320F28335的第105引脚通过电阻R8接地，所述DSP芯片TMS320F28335的第9引脚、第71引脚、第84引脚、第93引脚、第107引脚、第121引脚、第143引脚、第159引脚和第170引脚均与电源模块(7)的3.3V电压输出端连接，所述DSP芯片TMS320F28335的第4引脚、第15引脚、第23引脚、第29引脚、第61引脚、第101引脚、第109引脚、第117引脚、第126引脚、第139引脚、第146引脚、第154引脚和第167引脚均与电源模块(7)的1.9V电压输出端连接，所述DSP芯片TMS320F28335的第3引脚、第8引脚、第14引脚、第22引脚、第30引脚、第35引脚、第36引脚、第37引脚、第38引脚、第39引脚、第40引脚、第41引脚、第42引脚、第46引脚、第47引脚、第48引脚、第49引脚、第50引脚、第51引脚、第52引脚、第53引脚、第60引脚、第70引脚、第83引脚、第92引脚、第103引脚、第106引脚、第108引脚、第118引脚、第120引脚、第125引脚、第140引脚、第144引脚、第147引脚、第155引脚、第160引脚、第166引脚和第171引脚均接地；所述晶振电路包括晶振Y1、非极性电容C21、非极性电容C22和电阻R7，所述晶振Y1的一端、非极性电容C21的一端和电阻R7的一端均与DSP芯片TMS320F28335的第104引脚连接，所述晶振Y1的另一端、非极性电容C22的一端和电阻R7的另一端均与DSP芯片TMS320F28335的第102引脚连接，所述非极性电容C21的另一端和非极性电容C22的另一端均接地；所述复位电路包括复位芯片MAX811、按键S1和电阻R13，所述复位芯片MAX811的第4引脚和电阻R13的一端均与电源模块(7)的3.3V电压输出端连接，所述复位芯片MAX811的第3引脚和电阻R13的另一端均与按键S1的一端连接，所述复位芯片MAX811的第1引脚和按键S1的另一端均接地，所述复位芯片MAX811的第2引脚与DSP芯片TMS320F28335的第80引脚连接；所述时钟电路包括时钟芯片DS3231、非极性电容C57、非极性电容C58、电阻R143和电阻R166，所述时钟芯片DS3231的第2引脚与电源模块(7)的3.3V电压输出端连接，且通过非极性电容C57接地，所述时钟芯片DS3231的第5引脚接地，且通过非极性电容C58与时钟芯片DS3231的第6引脚连接，所述时钟芯片DS3231的第6引脚接地，所述时钟芯片DS3231的第7引脚通过电阻R166与电源模块(7)的3.3V电压输出端连接，且与DSP芯片TMS320F28335的第74引脚连接，所述时钟芯片DS3231的第8引脚通过电阻R143与电源模块(7)的3.3V电压输出端连接，且与DSP芯片TMS320F28335的第75引脚连接。


3.按照权利要求2所述的一种数控机床运动控制系统，其特征在于：所述FPGA模块(2)包括FPGA芯片A3P400，所述FPGA芯片A3P400的第1引脚、第2引脚、第3引脚、第4引脚、第5引脚、第6引脚、第7引脚、第8引脚、第9引脚、第10引脚、第11引脚、第12引脚、第13引脚、第14引脚、第15引脚和第16引脚依次对应与DSP芯片TMS320F28335的第114引脚、第113引脚、第112引脚、第111引脚、第110引脚、第100引脚、第99引脚、第98引脚、第97引脚、第96引脚、第95引脚、第94引脚、第91引脚、第90引脚、第89引脚和第88引脚连接，所述FPGA芯片A3P400的第24引脚、第25引脚、第26引脚、第27引脚、第28引脚、第29引脚、第30引脚、第31引脚、第32引脚、第33引脚、第34引脚、第35引脚、第36引脚、第37引脚、第38引脚、第39引脚、第40引脚和第41引脚依次对应与DSP芯片TMS320F28335的第151引脚、第152引脚、第153引脚、第156引脚、第157引脚、第158引脚、第161引脚、第162引脚、第163引脚、第164引脚、第165引脚、第168引脚、第169引脚、第172引脚、第173引脚、第174引脚、第175引脚和第176引脚连接，所述FPGA芯片A3P400的第18引脚、第19引脚、第20引脚、第21引脚、第22引脚和第23引脚依次对应与DSP芯片TMS320F28335的第18引脚、第19引脚、第25引脚、第20引脚、第21引脚和第24引脚连接。


4.按照权利要求2所述的一种数控机床运动控制系统，其特征在于：所述扩展存储器模块(5)包括SRAM芯片IS61LV25616，所述SRAM芯片IS61LV25616的第1引脚、第2引脚、第3引脚、第4引脚、第5引脚、第18引脚、第19引脚、第20引脚、第21引脚、第22引脚、第23引脚、第24引脚、第25引脚、第26引脚、第27引脚、第42引脚、第43引脚和第44引脚依次对应与DSP芯片TMS320F28335的第151引脚、第152引脚、第153引脚、第156引脚、第157引脚、第158引脚、第161引脚、第162引脚、第163引脚、第164引脚、第165引脚、第168引脚、第169引脚、第172引脚、第173引脚、第174引脚、第175引脚和第176引脚连接，所述SRAM芯片IS61LV25616的第7引脚、第8引脚、第9引脚、第10引脚、第13引脚、第14引脚、第15引脚、第16引脚、第29引脚、第30引脚、第31引脚、第32引脚、第35引脚、第36引脚、第37引脚和第38引脚依次对应与DSP芯片TMS320F28335的第136引脚、第135引脚、第134引脚、第133引脚、第132引脚、第131引脚、第130引脚、第129引脚、第128引脚、第127引脚、第124引脚、第123引脚、第122引脚、第119引脚、第116引脚和第115引脚连接，所述SRAM芯片IS61LV25616的第6引脚、第17引脚和第41引脚依次对应与DSP芯片TMS320F28335的第141引脚、第137引脚和第149引脚连接，所述SRAM芯片IS61LV25616的第11引脚和第33引脚均与电源模块(7)的3.3V电压输出端连接，所述SRAM芯片IS61LV25616的第12引脚、第34引脚、第39引脚和第40引脚均接地；所述双端口存储器模块(4)包括双端口RAM芯片IDT7027，所述双端口RAM芯片IDT7027的第39引脚和第78引脚均与电源模块(7)的5V电压输出端连接，所述双端口RAM芯片IDT7027的第71引脚和第72引脚均接地，所述双端口RAM芯片IDT7027的第40引脚、第41引脚、第42引脚、第43引脚、第44引脚、第45引脚、第46引脚、第47引脚、第48引脚、第49引脚、第50引脚、第51引脚、第52引脚、第53引脚、第54引脚和第55引脚依次对应与DSP芯片TMS320F28335的第136引脚、第135引脚、第134引脚、第133引脚、第132引脚、第131引脚、第130引脚、第129引脚、第128引脚、第127引脚、第124引脚、第123引脚、第122引脚、第119引脚、第116引脚和第115引脚连接，所述双端口RAM芯片IDT7027的第56引脚、第57引脚、第58引脚、第59引脚、第60引脚、第61引脚、第62引脚、第63引脚、第64引脚、第65引脚、第66引脚、第67引脚、第68引脚、第69引脚和第70引脚依次对应与DSP芯片TMS320F28335的第151引脚、第152引脚、第153引脚、第156引脚、第157引脚、第158引脚、第161引脚、第162引脚、第163引脚、第164引脚、第165引脚、第168引脚、第169引脚、第172引脚和第173引脚连接，所述双端口RAM芯片IDT7027的第73引脚、第74引脚、第75引脚、第76引脚、第77引脚和第80引脚依次对应与DSP芯片TMS320F28335的第1引脚、第148引脚、第145引脚、第150引脚、第142引脚和第2引脚连接；所述PCI接口模块(6)包括PCI接口芯片PCI9052，所述PCI接口芯片PCI9052的第1引脚～第16引脚依次对应与双端口RAM芯片IDT7027的第1引脚～第16引脚连接，所述PCI接口芯片PCI9052的第20引脚～第33引脚依次对应与双端口RAM芯片IDT7027的第17引脚～第30引脚连接，所述PCI接口芯片PCI9052的第17引脚、第18引脚、第19引脚、第34引脚、第35引脚、第36引脚、第37引脚和第38引脚依次对应与双端口RAM芯片IDT7027的第31引脚、第32引脚、第33引脚、第34引脚、第35引脚、第36引脚、第38引脚和第79引脚连接。


5.按照权利要求2所述的一种数控机床运动控制系统，其特征在于：所述光电隔离电路模块(9)的数量为两个，两个所述光电隔离电路模块(9)的电路结构相同，且包括光耦器6N137、型号为2N3904的三极管Q2、电阻R89、电阻R90和电阻R91，所述光耦器6N137的第2引脚、第7引脚、第8引脚和电阻R90的一端均与电源模块(7)的5V电压输出端连接，所述光耦器6N137的第6引脚和电阻R90的另一端均与电阻R91的一端连接，所述电阻R91的另一端为所述光电隔离电路模块(9)的信号输入端，且与DSP芯片TMS320F28335的信号输出引脚连接，所述三极管Q2的集电极通过电阻R89与光耦器6N137的第3引脚连接，所述三极管Q2的发射极和光耦器6N137的第5引脚均接地，所述三极管Q2的基极为所述光电隔离电路模块(9)的信号输出端。


6.按照权利要求5所述的一种数控机床运动控制系统，其特征在于：所述D/A转换电路模块(10)包括数模转换芯片DAC7725、极性电容C31、非极性电容C32、极性电容C33、非极性电容C34、极性电容C35、非极性电容C36、非极性电容C37和非极性电容C38，所述数模转换芯片DAC7725的第8引脚和第9引脚分别与两个光电隔离电路模块(9)的信号输出端连接，所述数模转换芯片DAC7725的第1引脚与电源模块(7)的+10V电压输出端连接，且通过非极性电容C37接地，所述数模转换芯片DAC7725的第28引脚与电源模块(7)的-10V电压输出端连接，且通过非极性电容C38接地，所述数模转换芯片DAC7725的第5引脚和第20引脚均接地，所述数模转换芯片DAC7725的第24引脚、极性电容C31的正极和非极性电容C32的一端均与电源模块(7)的5V电压输出端连接，所述极性电容C31的负极和非极性电容C32的另一端均接地，所述数模转换芯片DAC7725的第25引脚、极性电容C33的正极和非极性电容C34的一端均与电源模块(7)的+12V电压输出端连接，所述极性电容C33的负极和非极性电容C34的另一端均接地，所述数模转换芯片DAC7725的第4引脚、极性电容C35的负极和非极性电容C36的一端均与电源模块(7)的-12V电压输出端连接，所述极性电容C35的正极和非极性电容C36的另一端均接地，所述数模转换芯片DAC7725的第3引脚为所述D/A转换电路模块(10)的第一信号输出端VOUTA，所述数模转换芯片DAC7725的第2引脚为所述D/A转换电路模块(10)的第二信号输出端VOUTB。


7.采用如权利要求1所述系统进行数控机床运动控制的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、所述上位PC机(3)发送对数控机床X轴和Y轴的控制指令，所述控制指令依次经过PCI接口模块(6)和双端口存储器模块(4)传输到DSP数字信号处理器模块(1)中；
步骤二、所述DSP数字信号处理器模块(1)输出数字量的指令位置设定值信号，经过光电隔离电路模块(9)后，再经过D/A转换电路模块(10)进行数模转换，得到模拟量的指令位置设定值信号后，输入到伺服控制器(11)中；
步骤三、所述伺服控制器(11)根据模拟量的指令位置设定值信号驱动X轴和Y轴的伺服电机动作，X轴和Y轴开始移动；同时，所述光栅尺(8)实时监测X轴和Y轴的实际位置值信号，并将实际位置值信号反馈输入到FPGA模块(2)中；
步骤四、所述FPGA模块(2)对输入信号先进行数字滤波，消除干扰信号，再进行四细分、辨向后向FPGA模块(2)中的计数器提供计数脉冲和方向信号，然后将处理后的实际位置值信号传输到DSP数字信号处理器模块(1)中；
步骤五、所述DSP数字信号处理器模块(1)采用复合控制算法对位置偏差信号进行处理，得到优化的数字量控制信号，经过光电隔离电路模块(9)后，再经过D/A转换电路模块(10)进行数模转换，得到优化的模拟量控制信号后，输入到伺服控制器(11)中；
步骤六、所述伺服控制器(11)根据优化的模拟量控制信号驱动X轴的伺服电机和Y轴的伺服电机动作，实现数控机床对目标工件的精确加工。


8.按照权利要求7所述的一种数控机床的控制方法，其特征在于：步骤五中所述DSP数字信号处理器模块(1)采用复合控制算法对位置偏差信号进行处理，得到优化的数字量控制信号的具体过程为：
所述DSP数字信号处理器模块(1)根据公式ex(k)＝lxr-lxp对其第k次测量时X轴的指令位置设定值...

【专利技术属性】
技术研发人员：史晓娟，陈迪迪，张修德，齐彪，王高洋，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61