硕士论文DSP在开放式数控系统中的应用研究

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1、硕士学位论文在开放式数控系统中的应用研究作女姓名：鲢盘一一、：毗且主王提学上虹些丝一指导教师：缸野生一完日业型日郑德兵：在开放式数控系统中的应用研究（）、；、，：、：，；，：；独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：大连理工大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师

2、完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名导师签名獬铬墨必丝益，大连理工大学硕士学位论文绪论课题背景开放式数控系统的发展数控机床是现代加工制造业的核心设备，而数控系统无疑又是数控机床的灵魂。因此有专家预言：机械制造的竞争，其实质是数控系统的竞争【”。数控系统是机械、电子、微电子、自动控制、计算机等技术交叉应用的产物。伴随着这些相关技术的发展进步，数控技

3、术的整体发展取得了巨大的进步。数控系统由当初的电子管起步，经历了多个不同的发展阶段。自从年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，发明了世界上第一台三坐标数控机床之后，数控系统的发展大致经过如图所示的几个发展阶段【“：分小大超开立规规小大放式模模型规式晶集氧集计垒模垒的体成秒成矽算秒集秒数管电电机成控路路式电系式式式路统图数控系统的发展历史当前正处于开放式数控系统阶段。开放式数控系统的基本特征是以通用的计算机软、硬件为基础。其体系结构普遍采用模块化、层次化的结构，并通过各种形式向外提供统一的应用程序接口，具有可扩展性、可移植性、互换性、可操作性和可配置性，即系统组成的内部开放化和系统组成各部件

4、之间的开放化。与传统的数控系统相比，开放式数控系统有很多优势，如表所示。表传统数控系统与开放式数控系统的特点比较兼容性维修功能升级技术含量传统数控系统差困难困难落后计算机技术年左右开放式系统与通用兼容容易容易充分吸收计算机技术的发展成果郑德兵：在开放式数控系统中的应用研究开放式系统能保证制造业向着高精度、高速度、高效率、快速的市场响应、易操作性等方向发展，是当今数控系统发展的必然趋势。开放式数控系统的实现目前主要有如下几种【（）机内嵌入数控专用模板这种数控系统是在机内置数控专用模板。一般是以机为硬件平台，等通用操作系统为软件平台的开放式体系结构。机作为图形显示和常用逻辑处理的接口，数控专用模块

5、实现插补和控制。这种方案实现了初步的开放性。目前国内华中型使用的此种实现方案，积累了一定的经验。（）机内嵌入运动控制器这种数控系统一般将可编程的运动控制器做为机的板卡，通过标准总线（例女总线）插入机。机作为用户接口，实现命令控制、加工代码编辑、状态检测等功能，而下位机实现插补和位置控制，下位机具有可编程、可配置。典型的如美国的公司的（）就是一块集成在板卡上的可编程多轴运动控制器，可以其插入到机中使用。由于提供的插补模块包括直线插补、圆弧插补及样条插补等。还提供了位置、速度、间运动模式，用户可以对以上几种模式加以选择和组合定制功能强大的数控系统，并且在相关领域取得广泛的应用。但是由于其算法的封闭

6、性，不可能作为一个验证复杂控制算法的平台。（）全软件的实现随着现代处理器技术的飞速发展、各种实时多任务操作系统的出现和普及，将传统数控系统的硬件部分由软件来代替成为一种设想，但目前尚处于理论研究中。这几种开放式数控系统实现方案的优点与缺点比较如下表所示。由表可知，方案（）的开放性比较有限，开发环境和支持的手段亦不多；方案（）工作量大，尚处于研究阶段。可见现阶段，方案（）是三者中最好的实现方式（以的为例）但是由于这种方案对控制卡的依赖性强、成本很高、特别是核心算法封闭，从这个角度来说其软件的开放性有限。针对这种情况，本文以方案（）为基础，提出一种基于高速数字信号处理器（）和实时多任务操作系统胛的

7、开放式数控系统实现方案是非常有意义的。大连理：大学硕士学位论文表开放式数控系统几种实现方法的比较优点缺点机内嵌入数利用机软、硬件资源、向开放性体系结有限的开放、有不少专用系统的痕迹、控模板构迈出了一大步。开发环境和支持手段也不足机嵌入匿明控制与逻辑分离、模块化、核心算法仍然封闭、对控制卡的依赖性控制器可编程、可扩展强、成本较高全软件实现可重复利用、模块化、可扩展工作量大、尚处于理论研究中以上三种方案实现了开放式数控系统的硬件开放，而标准的提出则提高了数控系统的软件开放性能【。标准的提出及其意义数控系统中的数据格式，其传统的编程接口是（代码）标准，该标准曾经是数控领域的通用语言，为数控系统及制造

8、业的发展起到了巨大的贡献。但是从新时期的观点来标准的主要有如下缺剧”】：仅包含了系统中的部分信息，还有其它信息在传递和交换中丢失。只能完成简单插补，不能提供更为复杂的加工功能，例如样条曲线插补功能。在不同数控机床和计算机辅助系统（）（）之间不能进行双向数据交换。不具有兼容性。根据机床各个坐标轴对刀具中心进行编程而不是根据被加工零件进行编程。为了克服标准的局限性，人们制定了标准（标准）】。的基本原理是基于制造特征（）进行编程，而不是直接对刀具运动进行编程。是一种在系统和机床之间进行数据转换的模型，它使用工步（）这个面向对象的概念，通过详细描述加工过程而不是机床运动来弥补的不足。其目的是提供一种不

9、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，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。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。虽然标准克服了标准的局限，是向领域的扩展，但是由于该标准的制定非常困难，该标准目前仍处于研究阶段，尚未达到普及应用的程度，尤其在国内对的研究更是落后。尽管如此，基于其先进的设计理念，最终取代传统的数控编程接口的趋势是无法阻挡的。郑德兵：在开放式数控系统中的应用研究本课题考虑标准广阔的发展空间，并结合我国现阶段的系统发展现状，提出了一种过渡模型的概念，即，其含义可概括为：在系统中，实现上

10、层符台标准的模块与接口的双向数据流动；下层通过增加符合标准代码的转换接口，将代码转换成、代码，并在原有通用代码的基础上进一步扩展，使得代码作为对用户的透明的中间语言，这样在确保课题理论与应用价值的同时，使得课题的可行性增大，开发代价降至可以接受的水平。课题的研究内容和意义根据课题研究，特别是针对插补控制算法的和标准的研究，需要设计和实现一套开放式数控系统的试验平台，这套系统应该有如下的特点：）是开放式的数控系统。能够充分利用现有的软硬件资源，实现一种开放式的数控系统架构，具有良好的软、硬件开放性。（）其体系结构实现分层设计，具有良好的模块化特性，具有良好的软件开放性，可以实现不同控制算法之间的

11、互换。（）具有可扩展性、可移植性、互换性、可操作性和可配置性。（）有快速的处理能力，以便成为复杂插补控制算法以及标准的验证平台。本文正是针对目前开放式数控系统的现状和课题研究的这种需要，设计并实现了这样一种开放式数控系统：整个系统由上位机和下位机两个部分组成，上位机采用基于的机，上位机实现向代码之间的转化、加工代码的传送、机床各轴运动位置信息的动态图形化显示；下位机采用公司新近推出的高速数字信号处理器芯片，实现位置控制和插补，同时将当前的各轴的位置信息反馈至上位机；上位机和下位机之间通过进行数据通信。系统总体框图如图所示：，一图系统数据流图大连理工大学硕士学位论文系统在有竖线分割的左边上位机部

12、分完全采用标准，上位机通过协议和下位机之间高速通信，传递数据。主要传送的内容是基于标准的代码和代码，下位机解释代码，并且执行，通过伺服模块控制各轴的运动。本系统采用基于的代码兼容的思想，其主要理由是：采用标准是一种对这个充满前景，并且将很有可能大幅推广应用的一个标准的探索和研究，也是对国外在该领域所作的工作的一个理解吸收过程。采用代码兼容也是根据国内外的现状，本着实用的原则，在确保课题理论与应用价值的同时，使得课题的可行性增大，开发代价降至可以接受的水平。课题研究内容本人主要负责下位机的实现，以数字信号处理器作为开发平台，制定并实现一套完整的上位机与下位机之间的通信协议、以作为控制算法实现常用

13、的代码功能，完成课题的工作内容，同时考虑到下位机需要处理包括与上位机通信、位置控制、插补等多个任务，本人将实时多任务操作系统移植到下位机中，使得系统具有良好的柔性、易于设计，便于扩展，实现了软件的开放性。通过选用高速数字信号处理器和实时多任务操作系统，使得本系统具备了开放式数控系统的特性，能够成为一个新的控制算法和标准的试验平台。主要研究内容包括：（）公司新近推出的位定点数字信号处理器（主频）的软硬件开发和使用方法。包括系统的硬件构成和软件开发方法。（）数控插补和位置控制研究与实现。研究插补的原理，以及插补程序的实现方法，控制方法的研究与编程实现。（）在芯片上的移植以及使用该操作系统进行系统软

14、件的设计。（）下位机系统程序的架构，数据结构和算法的设计。（）西门子伺服驱动放大器的改装与实验。研究西门子伺服驱动放大装置的使用方法并进行改造，最后进行试验。课题意义本系统采用的方案与公司的系统都是采用机内嵌入运动控制器的方法，相比较有如下特点：郑德兵：在开放式数控系统中的应用研究表和本系统方案的比较构成方式通信手段开放特性使用领域直接嵌入共享半开放，体现在可编程可数控系统，提供编程配置，但其算法封闭接口本系统采分离，使用全开放、具有良好的模块应用研究，是一个开放式用的方案进行通信化、可扩展、可配置数控系统的研究平台结论后者更简洁，前者速度更前者二进制半开放前者是产品，商业适用便了：拆卸快，后

15、者简洁后者源码级完全开放后者适合于研究通过比较可以发现，本课题设计并实现的系统和系统具有相似的结构，但是适用不同的领域。后者作为一个成熟的商业产品，作为开放式数控系统的重要部件，具有较好的开放特性，可编程、可配置实现了一定程度的开放特性，但是它并不适合本课题的研究需要。本系统则是基于对数控系统特别是开放式数控系统研究的需要，其意义在于作为一个试验平台，其在源码级实现了完全的开放，在此基础上通过一定的软件手段能够保证系统具有良好的模块化特性、可扩展、可变换，这些特点使得该系统能够胜任不断出现的新型插补控制算法、的研究平台，为后续的研究工作奠定良好的基础本课题来源于国家自然科学基金资助项目基于特征

16、结构配置的高速加工数控伺服控制技术与方法（）。大连理工大学硕士学位论文系统的硬件构成用数控系统加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编织成加工程序，由输入部分输入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按照各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电机，带动各轴转动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其它辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊的进行工作，从而加工出零件的全部轮廓。本章针对数控加工过程中，对开放式数控系统之各个硬件部分在本系统的具体实现进行介绍。数控系统硬件的总体架构本系统的硬件组成如图所示：人机界面上位机）下位机（运动控制器）伺服电机（，）图

17、系统硬件构成其中：上位机采用基于的机，使用通用规范的软硬件资源，能够有力的整和、兼容各种软件和硬件系统。本课题中通过对上位机的软件的编程，接受通过接口的来自下位机数据，同时监控下位机的执行：上、下位机之间通过协议进行通信，确保通信的高速高效，同时在本课题还采用软件机制确保数据的稳定传输；妨嘲吣蝤郑德兵：在开放式数控系统中的应用研究下位机采用基于公司型的数控装置，利用快速、稳定、精确、容易编程的特点，能够有力的确保系统的实时性、稳定性和高精度，同时下位机还包括伺服装置、反馈装置，如图所示广图下位机的构成其中伺服驱动放大器采用西门子的，伺服电机采用西门子的？型交流伺服电机，反馈装置采用伺服电机自带

18、的旋转变压器。本章将重点就芯片和西门子伺服系统结合本课题内容作一个概括性的描述。型工作原理选型方面的考虑目前，由于单片机成本低、集成度高、使用方便，在自动化设备的运动控制中被广泛应用，但是受到其性能的限制，不适用于高速、高精运动控制场合；工作可靠、控制的点数多，但控制个电机进行插补运动困难，控制多轴设备时，运动控制器的成本高。而本课题的目的是实现一个新的控制算法和标准的试验平台，要求系统具有快速的处理能力以适应开放式数控系统中不断出现的新型控制算法的复杂性，因此选用单片机和都是不适合的。所以我们选用作为下位机的处理单元，利用其强大的计算能力及丰富的外设，实现一个开放式数控系统新算法、新标准的研

19、究平台。公司新近推出的数字信号处理器，正是针对控制而优化设计的，其芯片内部集成了多种接口，其中：接口、事件管理器接口都可以用于反馈接口，本系统中正是使用了芯片内部集成的事件管理器，通过对驱动单元返回的脉冲信号进行计数，获得电机运转的角位移，做为系统位置环的反馈；外扩的接口输出电压为，正好与伺服驱动器的电压输入一致”，不必要进行电平的转换，从而简化了系统的设计；同时大连理工大学硕士学位论文系统提供了外扩功能，包括内存和外设，也为系统硬件部分的扩展留下余地，从而有效地保证了系统平台的硬件开放性。因此型数字信号处理器成为本系统下位枫平台处理器的首选。数字信号处理是利用计算机或专用的处理设备，以数值计

20、算的方式对信号进行采集、变换、综合、估计与识别等加工处理，从而达到提取信息和便于应用的目的。数字信号处理的实现是以数字信号处理理论和电子计算机计数为基础的【“。相比传统的模拟信号系统，数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰能力强、设备尺寸小，速度陕、性能稳定和易于升级的优点。从一般性的应用到特殊应用，公司推出的家族覆盖了非常广泛的应用领域。用户必须充分理解各类数字信号处理器的特点和应用领域，才能选择合适的处理起完成信号处理或者控制任务。根据不同的领域，公司推出三大指令集架构，一般称为“平台”（）。各个平台的指令核是互相兼容的，但各平台有自己的特点和使用领域。本系统采用的的处理器组成如图所

21、示【】图的结构图郑德兵：在开放式数控系统中的应用研究从图中可以看出主要有中央处理单元、存储单元、外设以及驱动系统运转的时钟组成，不同的部分通过系统总线和外扩接口进行连接。接下来的部分将会就这几个方面作简单介绍。的核型号的是公司最新推出的位定点数字信号处理器，是基于数字信号处理器平台开发的。同时具有数字信号处理器（表现为数字信号处理的能力）和微控制器（表现为丰富的外设接口）的特点。针对处理器，可以采用程序设计语言进行软件编写，开发效率非常高，因此用户不仅可以应用高级语言编写系统程序进行数据信息处理，也能够使用高级语言开发高效的算法，这样避免了在一个系统使用多个处理器的麻烦。内核包含了一个位的乘法

22、累加（）单元，从而使得能够实现更高速的数学运算处理：内核具有多通道快速的中断处理能力（中断响应时间为个时钟周期），更小的中断延时从而在硬件层保证了系统的实时性能和控制的精确性。内核主要包括中央处理单元、测试单元和存储器及外设的接口单元三个部分，如图所示。单元完成数据程序存储器之间的数据传输等操作。测试单元主要用来监测、控制的各个部分及其运行状态，以方便调试。而接口信号单元完全是存储器、外设、时钟、以及调试器单元之间的信号传输通道。单元包括，（）算术逻辑单元（）：位完成的补码的算术运算和布尔运算。通常情况下，中央处理单元对于用户来说是透明的。例如完成一个算术运算，用户只须要写一个命令和相应的操作

23、数据，读取相应的结果寄存器的数据就可以了。日萋圈图的核大连理工大学硕士学位论文（）乘法器：乘法器完成位的的补码的乘法运算，产生位的乘法结果。乘法器能够完成两个符号数、两个无符号数或一个符号数和一个无符号数的乘法运算。移位器：完成数据的左移或者右移操作，最大可以移位位。在核中，总计有三个移位寄存器。（）寻址运算单元（）：主要完成数据存储器的寻址运算以及地址的产生。独立的寄存器空间：内的寄存器包含独立的寄存器，并不映射到数据存储空间（有些处理器会将寄存器和存储器进行统一的编址）。寄存器主要包括系统控制寄存器、算术寄存器和数据指针。存储器单元数字信号处理器采用哈佛总线结构，能够并行访问程序和数据存储

24、空间。内部集成了大量的、以及等存储器，并且采用统一寻址方式（程序数据统一编址），从而提高了存储空间的利用效率，方便程序的开发。（）程序存储空间和数据空间程序存储空间用来保存代码、表格信息或者常量。程序存储空间的访问通过一的数据总线，一的地址总线以及一条控制总线访问，最多可寻址字（每个字位）。数据存储空间用来实现程序中全局变量的保存，堆栈的保存。数据存储空间的访问也是通过一的地址总线（注意和程序存储单元使用不同的地址总线）、位的数据总线和一条控制总线实现对数据存储区的访问，最多可以寻址字。（）的片上存储器的并不包含任何存储器，但是可以通过多总线访问芯片内部或者外部扩展的存储器。应用一数据总线和一

25、地址总线控制整个存储器及外设。片上有一单周期单次访问随即存储器，分成个部分，分另称为，。内核的数字信号处理器都包含两个单周期的快速访问存储器，和，大小分别为一位，存储器中映射到，空间，映射到，空间。在复位状态下，栈指针指向块的起始位置，栈指针向地址增加的方向增长。、段都可以映射到程序区和数据区，所以、存储区既可以执行程序也可以保存数据变量。还包含一块一的单周期访问的存储器，这部分存储器被分为三块：，。郑德兵：在开放式数控系统中的应用研究、块分别为一位一、块即可以做程序段也可以作为数据段使用，并且、两块数据受片上的密码保护，以免用户的机密数据被非法拷贝。块大小为一位，既可以作程序区也可以做数据区

26、，但是数据不受上的密码保护。存储器是工厂掩模型存储器，并在出厂时固化了软件，软件根据引导模式（）信号确定上电时的引导装载方式。用户可以从存储器引导，也可以选择从外部存储器引导程序。同时还包含了一些标准的数学运算表，如正弦、余弦表，为用户完成数学算法提供了方便。的内容如图所示。还提供了字的片上和字的一次可编程存储器（），片上存储器可以映射到程序和数据存储空间。映射到，。存储器被分为个位单元和个位的单元，用户可以单独地擦除、编程和验证每个单元，并且不会影响到其它的单元。采用专门的存储器流水线操作，保证存储器能过获得良好的性能。的片上外设及其扩展作为一个高性能的，快速的处理器，不仅拥有性能优越的内核

27、，而且具有丰富的外设接口，例如串行通信接￥行外设接口、模数转换接口、时间管理器等等。下面重点介绍与课题相关的外设接口，并介绍了扩展的数模转换模块芯片。（）模数转换单元昏】片上带有位，前端有两组选多路切换器和路同时采样保持器，构成个模拟输入通道，模拟输入。多种转换的触发方式（、），这些特点使得模拟量的采集和分析变得方便。其中通过软件的方式转换的步骤如下：初始化模块。初始化中断。软件启动转换。在中断中读取转换结果，并且软件启动下一次转换、清中断标志、清中断控制器的应答位（）。（）事件管理单元【】之所以被认为是为电机控制而优化设计的，事件管理器可以说是其中一个重要的表征。事件管理器提供了强大的控制功

28、能，特别适合运动控制等领域。数字信号处理器有两个事件管理器模块和，每个事件管理器都包含了通用定时器（大连理工大学硕士学位论文）、比较器、路发生装置、脉冲捕获单元和正交编码脉冲电路（）。和两个模块都有相同的外部接口，可以实现多轴运动控制。本课题中使用正交编码脉冲电路（）作为脉冲计数装置，其工作原理如图所示：图脉冲计数单元衄啪印每个事件管理器有一个电路，这个电路有两个输入引脚和一（对于，对于则是和），这两个引脚分别接受来自伺服电机反馈装置的反馈脉冲相和相输入。根据输入进行解码和计数，因而电路的作为与电机位置和速度检测装置的光电编码器的接口，来对电机运转速度和转动角位移进行统计电路中有关于方向检测装

29、置的电路，方向检测电路检测到电机转动方向，并且产生一个方向信号作为时钟的一个输入，当相超前相度时，计数方向向上加，当相超前相度时，则计数方向向下减。根据这个工作原理，事件管理器中的电路可以获得电机当前的运转速度和每个插补周期转动过的角位移。（）数模转换接口芯片一【】是由公司推出的通道、位分辨率、正负量程、两级锁存，多通道同时输出的一款模数芯片，其正负的量程正好与伺服放大器的输入范围一致，这也是选用此芯片的主要原因之一。的电路图如所示郑德兵：在开放式数控系统中的应用研究：！业丁。盟。了！言。厅“上土器厂匡匕旷匝占口一匝匝匝匝图接线图的编程操作方法：往数据口写数据。写输出口启动转换。中断与系统复位

30、之】中断是一种特殊的控制转移方式，中断改变了正常的程序执行路径，处理外设请求的动作，或者报告执行时遇到的错误，并且在满足了外设的请求或者解决了错误之后，返回到被中断了的地方重新开始执行指令，或者遇到不可修复的错误系统停止运行。中断是驱动系统工作的一个最为重要和复杂的系统，只有理解了中断才能灵活自如的操作数字信号处理器，因此本节较为详细的介绍系统中的中断特性和处理流程。（）上的中断系统的中断具有非常快速的处理能力，从取得中断向量到中断上下文的保存一共仅需个时钟周期，同时支持中断的优先级和嵌套。快速的中断响应能力从而保证了整个系统具有良好的实时性和响应特性，从而可以有效地保证开放式数控系统研究平台

31、的性能。中断的优先级和嵌套可以为系统的不同的外设提供不同的处理顺序，从而保证高优先事务的优先处理，更进一步保证系统的实时性能。的中断有两级构成，一级是（，外设中断扩展）中断，一级是中断：大连理工大学硕士学位论文一共有个中断（所有个中断向量在内存地址之间），包括复位、，个用户定义的软件中断和个可屏蔽中断（、和，和有内部仿真逻辑产生），所有软件中断属于可屏蔽中断；没有足够的中断源管理所有片上中断请求，所以设置了一个中断扩展控制器（）来管理片上外设和外设引脚引起的中断；数字信号处理器片上共有个中断源，被分为组，每组内有个外设中断请求；每个中断源对应一个中断向量，不管此中断源是否与别的中断源一起使用同

32、一个中断源，中断的硬件电路如图所示。了，一一一：，一一一丌【，：、（：图中断的硬件电路其中：中断标志寄存器，当相应的中断发生时，这个标志被置位，这是一个只读寄存器，可以通过查询这个标志来查询相应的中断是否发生；：中断使能寄存器，当中断发生，如果这个寄存器相应的位置（打开）则中断继续往前派送，否则中断就此结束，而不会继续向传送。这是一个可写寄存器，用户通过设置这个寄存器可以打开关闭相应的中断；：是片上的位的中断标志寄存器，当外设中断发生时，并且相关的位被打开，则相应的位被置，这是一个可读寄存器，可以通过查看这个寄存器，获悉中断是否发生：郑德兵：在开放式数控系统中的应用研究：是中断使能寄存器，通过

33、对此寄存器进行设置，可以打开关闭相应的中断。（）系统的中断向量为中断提供服务的程序被称作中断服务子程序，中断向量是中断服务子程序的入口点。每个中断源对应一个中断向量。系统复位时，其中断被禁止，所以只有个中断，所以也只需要个中断向量，而当使能之后，除了个中断之后，还有个中断，一共需要个中断向量，从而使得的中断向量表与的中断向量表大小不同，所以他们在存储器中的定位也不同，中断向量表的定位有四种形式，而中断向量表的定位只有一种方式，如表所示表的中断向量表向量映射向量取白地址范围姒向量，向量，向量，向量，向量，本系统中由于数字信号处理器的而引脚被拉低，而初始情况下也被置，因此系统启动时从取中断向量对中

34、断进行服务，而在系统被初始化之后，将置，从而系统将会使用存放在，之间的中断向量给中断提供服务。（）中的中断的处理流程各种不同系统的中断处理流程大致都是按照如下的几个步骤进行处理：关中断一保存现场一开中断。执行中断服务子程序。关中断一恢复现场一开中断。的中断处理流程如图所示：大连理工大学硕士学位论文开始：硬件设置：将中断请求传送至：位置：位是否为：响应：，保存上下文：从中断中取向量，位被清除，执行：响应向位写，使能其它的中断【竺墨图中断处理流程图所示的各个步骤大体分为两个部分：步骤主要是设置和判断一些中断相关的寄存器，这是由硬件自行完成的。步骤执行前面所述中断处理的大致流程、，步骤描述当中断达到

35、之后，系统的响应，具体的内容如图所示。郑德兵：在开放式数控系统中的应用研究图对中断的处理图清晰的描述了当中断到达之后，系统的响应情况：首先判断系统是否是开中断，如果是开中断则进一步处理，否则直接从中断退出。保存当前的进程上下文，包括返回地址，寄存器上下文。转移到中断服务子程序（）的入口，执行。从中断返回，恢复程序的执行。大连理工大学硕士学位论文通过步骤，系统可以顺利的完成对中断的响应，中断服务子程的执行，最后通过恢复上下文来继续程序的执行，就像什么都没有发生一样。伺马动放大器的选择西门予作为国际知名的数控品牌，它的产品由于品质高、可靠性好、性能价格比高而受到国内的欢迎。下面就本系统中使用的伺服

36、驱动放大器及交流伺服电机的特点进行简要介绍。西门子驱动家族简介西门子系列的驱动产品是一个大家族，为各个行业提供领先的驱动技术。为了满足数控机床高速、高精度的要求，西门子提供了系列驱动系统。其中又分为：（）驱动：早期的数控机床采用直流伺服系统，当时伺服系统有运算放大器组成调节控制回路，作为速度给定的外部接口采用：的模拟电压。现在伺服放大器虽已数字化了，但这种接口标准仍然存在，驱动器配系列伺服电机，曾经被大量应用各类机床。（）驱动：数字接口，采用西门子内部串行通信协议，驱动是驱动配配系列交流伺服电机和系列直线电机，用于系统。（）驱动，包括模拟和数字接口，可配西系列交流伺服电动机，是现在主要伺服系统

37、。本课题实验需要改造的数控机床数控系统采用，使用伺服驱动控制三轴交流伺服电机。如图所示：（）机床控制面板包括开机、关机、急停等机床的基本控制系统，相当于计算机机箱的一些按钮功能。（）操作面板采用面板，相当于计算机的键盘和显示器，实现和的一些交互功能，通过操作面板用户可以进行工件加工、参数设置、程序编制、故障的诊断。（）作为数控机床的”大脑”，实现了数控系统的大部分控制功能，它接受来自驱动模块的编码器反馈、实现插补算法、判断数控机床的状态（如果数控系统处在某些不正常状态会被锁住）。（）数控系统的，作为基本的输入输出控制，它扫描系统中接入端口的状态，并且根据状态给出输出，它可以有效地保证系统的安全

38、性。郑德兵：在开放式数控系统中的应用研究（操作面授）（床控制面板）电机电机电机图，数控系统伺服系统介绍课题实验中数控系统将被剥离，主要是使用西门子的两个驱动器和、轴两个交流伺服电机，具体的改造方案参看第四章实验部分的节。在本节将简要介绍功率模块和驱动模块的接口，为系统改造提供理论依据。驱动模块的主要接口如图所示。大连理工大学硕士学位论文图驱动模块：电机的编码反馈（，来自电机的光电编码器）：驱动电源（，来自功率模块）：电机控制电压（，来自）：编码反馈（，到）（）驱动系统在本系统的使用方式介绍驱动系统是西门子公司目前主推的伺服系统，根据模块的系统配置，每个控制模块可以控制一个伺服电机，也可以控制两

39、个。其主要的接口如上图所示，从图中可以看出来系列的驱动系统具有非常简洁的接口，它的接口主要包括两个方面。输入接口伺服系统有一个电源输入接口，输入范围是直流，一般使用直流审源：郑德兵：在开放式数控系统中的应用研究使能信号输入接口，由数控系统的装置进行控制，正如前面所述，根据系统的当前状态给出输出，如果系统一起准备就绪，那么将会使能驱动模块。驱动模块的使能是伺服系统工作的前提条件。理解了这一点对于判断伺服驱动装置的一些故障有所裨益；速度控制电压的输入，伺服系统提供了模拟和数字两种接口。本系统中使用的是模拟接口作为电压输入，输入范围是，其中正负分别代表电机的两个相反转向。输出接口，伺服驱动模块的输出

40、包括两个方面经过伺服驱动系统解码的脉冲编码反馈，反馈到数控系统，数控系统获得这个编码反馈形成位置环，如果这个编码反馈装置出现故障将会导致严重后果：交流电压的输出，伺服放大系统根据控制电机速度的电压输入，经过一系列的运放大，以交流电压的方式输出到交流伺服电机。理解了伺服驱动系统的使用方法将为本系统的试验奠定技术基础。交流伺服电机及其反馈装置本系统采用西门子交流伺服电机作为系统的驱动装置。是谣门子公司推出的一款经济适用型交流伺服电机，具有良好的性能。本节首先介绍一下交流伺服电机与直流伺服电机的区别，然后就伺服电机的位置反馈装置一旋转变压器作简要介绍。（）交流伺服电机和直流伺服电机的比较直流伺服驱动

41、技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化（）等各个领域得到了广泛的应用。从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主

42、流产品。（）位置反馈装置一旋转变压器【】数控机床执行机构的运动有直线和回转两种。所以检测运动的传感器也分为直线性和回转型两类。在闭环控制系统中，将传感器安装在执行机构上，直接检测目标运动位大连理工大学硕士学位论文置，而在半闭环系统中，常将传感器安装在传动机构上，或直接安装在执行元件的驱动轴，可间接检测目标运动的直线位移或者回转位移【”。机床进给伺服系统所用的检测部件主要有旋转变压器和脉冲编码器两种，在全闭环时用作位置检测的还有光栅等。它们的性能直接影响到伺服系统的性能。旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机。从物理本质上看，旋转变压器是一种可以转动的变压器。它由定子和转

43、子组成，其原、副绕组分别放置在定、转子上，原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关。因此，当它的原绕组施加单相交流电压励磁时，副绕组输出电压的幅值将与转子转角有关。旋转变压器有多种分类方法：若按有无电刷来分，可分为接触式和无接触式两种；若按极对数来分，可分为单对极和多对极；若按用途来分，可分为计算用旋转变压器和数据传输用变压器；若按输出电压与转子转角间的函数关系来分，可分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等四类。脉冲编码器也叫光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前在机床上应用最多的传感器，根据它产生脉冲方式的不同，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。其中增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲、和相；、两组脉冲相位差，从而可方便地判断出旋转方向，而相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。本系统采用半闭环控制，反馈装置使用单极对旋转变压器，经过伺服驱动器的解码后得到及一、及、及三路差分信号。作者在系统改造部分将此三路差分信号通过芯片将其接入脉冲计数单元，从而获得每个插补