基于雙CPU的磨床控制系統(tǒng)

摘要：磨床是一種對(duì)控制精度要求較高的工件加工機(jī)器，磨床通過(guò)對(duì)砂輪和工件進(jìn)給位置的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削量的控制，控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)給量控制精度的高低將會(huì)對(duì)磨床加工精度產(chǎn)生直接影響，傳統(tǒng)的基于運(yùn)動(dòng)控制卡的磨床控制系統(tǒng)價(jià)格較為昂貴，且系統(tǒng)擴(kuò)展性差，為了解決上述問(wèn)題，論文提出了一種基于雙CPU的磨床控制系統(tǒng)，以較低的價(jià)格實(shí)現(xiàn)磨床的高精度控制。

關(guān)鍵詞：磨床 ARM DSP 運(yùn)動(dòng)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào)：1007-9416（2015）02-0000-00

1引言

磨床是一種利用磨具對(duì)工件表面進(jìn)行磨削加工的機(jī)床，大多數(shù)的磨床是使用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪進(jìn)行磨削加工，對(duì)于這類(lèi)磨床，控制系統(tǒng)通過(guò)改變砂輪和工件之間的相對(duì)位置來(lái)控制磨削量，因此對(duì)工件進(jìn)給量的控制對(duì)加工精度有著重要的影響，傳統(tǒng)的磨床控制系統(tǒng)大都以運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制核心，但運(yùn)動(dòng)控制卡是基于PC總線(xiàn)的，使用運(yùn)動(dòng)控制卡的時(shí)候必須得為其配備PC機(jī)，這就導(dǎo)致這種控制系統(tǒng)價(jià)格較為昂貴。本文提出了一種基于雙CPU的嵌入式磨床控制系統(tǒng)，采用ARM處理核心實(shí)現(xiàn)邏輯事物處理，采用DSP處理核心實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)雙CPU之間的數(shù)據(jù)共享技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙CPU的協(xié)調(diào)運(yùn)作，以此達(dá)到磨床的高精度控制。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

磨床控制系統(tǒng)要完成三個(gè)主要工作：首先是I/O邏輯控制，包括磨床的所有輸入輸出點(diǎn)的邏輯控制；其次是對(duì)伺服系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)砂輪進(jìn)給量的精確控制；最后是各個(gè)控制模塊之間的交互。設(shè)計(jì)雙CPU控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于分配好雙CPU的硬件資源及協(xié)調(diào)兩個(gè)CPU的關(guān)系，使其在充分利用現(xiàn)有資源的前提下，達(dá)到對(duì)磨床的高速、高精度的控制。本文使用ARM處理器實(shí)現(xiàn)磨床的邏輯控制，使用DSP處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)的控制，兩個(gè)處理器之間通過(guò)數(shù)據(jù)共享模塊進(jìn)行核間通信?；陔pCPU的磨床控制器系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.2核間交互設(shè)計(jì)

為了完成對(duì)磨床的控制任務(wù)，兩個(gè)處理器之間必須實(shí)現(xiàn)核間交互，通過(guò)核間交互來(lái)達(dá)到協(xié)同工作的目的，在本系統(tǒng)中雙CPU之間包括命令交互和數(shù)據(jù)交互兩個(gè)交互任務(wù)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中我們將負(fù)責(zé)邏輯控制的ARM處理器當(dāng)作主處理器，將負(fù)責(zé)伺服系統(tǒng)控制的DSP處理器當(dāng)做從處理器。

命令交互主要是運(yùn)動(dòng)控制命令的交互，主處理器根據(jù)控制邏輯得到伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制命令之后通過(guò)命令交互模塊將命令信號(hào)從主處理器傳輸給從處理器，從處理器根據(jù)命令類(lèi)型控制伺服系統(tǒng)做出相應(yīng)的動(dòng)作。論文采用共享虛擬內(nèi)存技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙CPU之間數(shù)據(jù)的交互，將本地內(nèi)存分為兩部分：局部?jī)?nèi)存區(qū)與虛擬內(nèi)存區(qū)。局部?jī)?nèi)存區(qū)完成本CPU的工作，虛擬內(nèi)存區(qū)完成雙CPU之間數(shù)據(jù)交換工作，虛擬內(nèi)存去主要用于存放伺服驅(qū)動(dòng)器的控制參數(shù)，當(dāng)虛擬內(nèi)存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，就發(fā)起通信請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。

核間交互通過(guò)232串口通信方式實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)主要包括串口通信管理與數(shù)據(jù)幀處理。其串口通信管理由處理器硬件實(shí)現(xiàn)，在程序中只需對(duì)串口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)操作及串口中斷控制，其數(shù)據(jù)傳輸由硬件自動(dòng)完成。

2.3軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)采用雙CPU形式設(shè)計(jì)，對(duì)程序管理帶來(lái)不便。為解決這個(gè)問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用3層架構(gòu)設(shè)計(jì)：硬件驅(qū)動(dòng)層、調(diào)度邏輯層和應(yīng)用邏輯層。其中：

（1）硬件驅(qū)動(dòng)層，主要包括PWM驅(qū)動(dòng)輸出、I/O驅(qū)動(dòng)、SPI總線(xiàn)通信、伺服系統(tǒng)控制及電機(jī)位置信息采集的處理等。該層為調(diào)度邏輯層提供對(duì)受控目標(biāo)的接口，程序與具體硬件相關(guān)。

（2）調(diào)度邏輯層，主要完成調(diào)度算法的設(shè)計(jì)，包括應(yīng)用層軟件的調(diào)度控制、命令交互控制、數(shù)據(jù)共享控制等工作，是整個(gè)控制軟件的核心層。

（3）應(yīng)用邏輯層，主要完成具體的控制行為，包括ARM核心的邏輯控制程序和DSP核心的運(yùn)動(dòng)控制程序，這部分程序需按照磨床的實(shí)際控制邏輯進(jìn)行編寫(xiě)。

3結(jié)語(yǔ)

磨床控制系統(tǒng)既包括I/O邏輯控制部分，又包括伺服運(yùn)動(dòng)控制部分。I/O邏輯控制中變量之間的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，需要考慮的問(wèn)題較多，但計(jì)算量較少；而在伺服運(yùn)動(dòng)控制部分控制邏輯簡(jiǎn)單，但是需要進(jìn)行大量的復(fù)雜計(jì)算，并對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求較高。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出的基于雙CPU的磨床控制系統(tǒng)，其中ARM核心負(fù)責(zé)邏輯控制，DSP核心負(fù)責(zé)完成電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算與指令脈沖信號(hào)（PWM信號(hào)）的輸出。通過(guò)上述設(shè)計(jì)就可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)磨床的高精度控制，所以本設(shè)計(jì)具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2015-02-09

作者簡(jiǎn)介：孫樹(shù)見(jiàn)（1988—）男，安徽蚌埠人，在讀研究生，研究方向：運(yùn)動(dòng)控制。