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基于DSP的多轴运动控制系统设计

作　者: 徐霞棋
导　师: 韩正之
学　校: 上海交通大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 步进电机 DSP MCU 双口RAM 插补算法多线程
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 431次
引　用: 2次
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内容摘要

随着计算机技术和控制技术的飞速发展,实现数控系统的高性能、高精度、高速度、高柔性化、多轴协调运动、开放式和模块化设计成为研究的热点。而多轴控制系统涉及多学科领域,其研究可带动其他相关技术的发展。因此,研究多轴运动控制系统技术具有较大的理论研究意义和实际应用价值。本文在分析国内外运动控制系统的基础上,设计并研制了一种以DSP为核心器件的多轴运动控制系统。论文以小型数控仪表车床作为该运动控制系统的应用实例,着重分析了TI公司DSP芯片TMS320LF2407和MCU W78E58相结合的步进电机控制系统软硬件设计原理和方法,给出了DSP的外围电路设计和程序框架;阐述了直线插补、圆弧插补、加减速控制等运动控制算法理论,给出了DSP实现这些控制算法的编程方法;使用MCU芯片实现键盘和液晶显示模块,编制了人机界面,增加了控制系统的灵活性和操作的方便性,讨论分析了MCU模块所完成的功能以及相应的软件实现方法。另外,为了调试USB中加工代码读写的正确性,还为系统增加了RS232的通信方式。整个系统具有限位、复位、对故障信号(如急停)的中断处理等功能,且系统升级容易、具有可扩展性、易维护性等特点。小型数控仪表车床系统已完成初步的研制,通过实际调试验证了运动控制系统硬件和软件设计的正确性。该控制系统可广泛应用于各类低成本的数控车床中。论文还介绍了另一个多轴运动控制系统-三维钻床控制系统的软件设计,该系统软件用VC++编制了方便灵活的可视化界面,采用多线程方式实现多轴的同步控制,调用DLL动态链接库编写了机床数控指令的运动模块,大大提高了控制系统的加工效率。多轴运动控制系统目前仅实现了一些主要功能模块的设计和开发,离形成完整数控系统还有一定距离,但是这些基础性的工作为后续的开发铺平了道路。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-22
  1.1 课题概述  12-13
    1.1.1 课题来源  12
    1.1.2 课题背景  12-13
  1.2 课题研究和应用对象—小型数控仪表车床介绍  13-14
    1.2.1 车床的电气控制系统  13-14
    1.2.2 车床的工作过程  14
  1.3 步进电机及其控制  14-17
    1.3.1 步进电机工作原理  14-15
    1.3.2 步进电机驱动与控制  15-17
  1.4 国内外研究现状和发展趋势  17-20
    1.4.1 多轴运动控制系统的研究现状  17-19
    1.4.2 小型数控车床控制系统的研究现状  19-20
    1.4.3 机床数控系统的发展趋势  20
  1.5 论文的主要研究内容和安排  20-22
第二章小型数控仪表车床总体方案  22-30
  2.1 数控系统的功能需求分析  22-23
  2.2 仪表车床控制系统的基本结构  23-24
  2.3 系统各组成部分的方案确定和可行性分析  24-30
    2.3.1 主控单元的设计  24-25
    2.3.2 系统通信接口设计  25-26
    2.3.3 系统的键盘、显示设计  26-27
    2.3.4 控制系统电机选型  27-30
第三章运动轨迹的插补算法  30-47
  3.1 插补算法的应用及其原理  30-31
  3.2 插补算法的选择  31-34
  3.3 运动轨迹的插补计算  34-40
    3.3.1 直线插补  34-37
    3.3.2 圆弧插补  37-39
    3.3.3 误差分析  39-40
  3.4 加减速控制  40-43
  3.5 刀具补偿  43-44
  3.6 螺纹插补  44-47
    3.6.1 螺纹插补原理  44-45
    3.6.2 螺纹插补算法  45-47
第四章小型数控仪表车床硬件电路设计  47-75
  4.1 DSP 通信及外围支持  47-60
    4.1.1 DSP 模块的电路设计  47-48
    4.1.2 DSP 模块的总体结构  48-49
    4.1.3 TMS320LF2407 的性能特点  49-51
    4.1.4 电源供给电路  51-53
    4.1.5 存储器扩展电路  53-54
    4.1.6 脉冲输出电路  54-57
    4.1.7 I/O 电路  57-58
    4.1.8 仿真接口  58
    4.1.9 SCI 接口电路  58-60
  4.2 电机控制系统  60-61
  4.3 MCU 的电路设计  61-73
    4.3.1 51 单片机的特点  61-62
    4.3.2 复位电路  62-63
    4.3.3 存储空间扩展  63-65
    4.3.4 键盘模块  65-67
    4.3.5 液晶显示模块  67-69
    4.3.6 DSP-MCU 通讯电路  69-72
    4.3.7 DSP 与双口RAM 之间的电平转换  72-73
  4.4 实物样机  73-75
第五章小型数控仪表车床的软件设计  75-85
  5.1 软件总体设计思想  75
  5.2 DSP 软件模块实施及硬件仿真  75-83
    5.2.1 DSP 的软件开发流程及开发环境  76-78
    5.2.2 DSP 的主程序流程  78-79
    5.2.3 直线插补的DSP 实现  79-82
    5.2.4 圆弧插补的DSP 实现  82
    5.2.5 速度、加速度控制  82-83
  5.3 MCU 软件设计  83-85
第六章小型数控仪表车床控制系统的测试和实验  85-96
  6.1 精度测试  85-86
  6.2 限位测试  86-87
  6.3 速度测试  87-88
  6.4 I/O 测试  88
  6.5 G 代码识别  88-92
  6.6 U 盘测试  92-96
第七章三维数控钻床控制系统的软件设计  96-104
  7.1 控制系统软件的总体方案设计  96-99
  7.2 VC 下对运动函数动态链接库的调用  99-101
    7.2.1 动态链接库的概念及优势  99-100
    7.2.2 DLL 与应用模块的重要区别  100
    7.2.3 DLL 的调用  100-101
  7.3 多线程的应用  101-102
  7.4 人机交互界面  102-104
第八章总结与展望  104-106
  8.1 小结  104-105
  8.2 展望  105-106
参考文献  106-108
附录Ⅰ数控装置实物照片  108-111
附录Ⅱ数控三维钻床控制系统  111-113
致谢  113-114
攻读学位期间发表的学术论文  114

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