CN103744356B - 一种基于dsp/fpga动态可配置的机床智能控制器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DSP/FPGA动态可配置的机床智能控制器及控制方法，控制器包括DSP/FPGA信息处理模块、数据输入模块、输出执行模块、中央处理嵌入式***模块；所述DSP/FPGA信息处理模块包括硬件可重构信息采样单元、数字信号处理单元、硬件可重构算法单元、硬件可重构控制信息输出执行单元和数据存储单元；DSP/FPGA信息处理模块根据智能控制需求所形成的智能控制策略文件进行硬件单元的配置，并生成智能控制算法图。在智能控制时，通过判断前期和当前运行状态及解析智能算法图，生成并执行智能控制命令。本发明可以针对机床本身的控制需求，动态的配置控制器的输入输出硬件、算法硬件、重构连接I/O和算法模块生成控制算法图。本发明可动态的输出控制命令。

Description

一种基于DSP/FPGA动态可配置的机床智能控制器及控制方法
技术领域
本发明涉及机床智能控制技术的改进，具体指一种基于DSP/FPGA动态可配置的机床通用智能控制器及实施方法，属于机械制造领域。
背景技术
当今的机床已越来越难满足市场的需求，具有更高加工质量、加工效率、更强自适应控制、更高可靠性、更强网络集成能力、更好的动态适应能力等智能化特征的数控机床正逐步成为高端数控机床发展的趋势。
智能控制是由自主地或与人交互地执行人类规定的任务的一种机器自动实现其目标的过程。智能控制应用于机械制造中时，是利用模糊数学、神经网络等方法对制造过程进行动态环境建模，利用传感器融合技术来进行信息的预处理和综合，从而解决需要依赖那些不完备和不够精确的数据来处理难以或无法预测的情况。
目前，国内外利用智能控制技术实现机床高效优质加工已有研究，如在提升加工效率和质量方面，专利CN202448022 U提供了包括自动进给装置和准在线检测装置的智能控制***的珩磨机，通过压力/光栅传感器的设置，并与微控制器的连接，可动态显示加工状态并自动补偿和校正各种干扰造成的动态误差；专利CN1349877 A/ CN1128040 C提供了一种利用电流变材料设计的动态特性可以在线快速调整的智能型蹚杆，可根据切削振动信号快速预报切削颤振预兆，并根据加速度信号中蕴含信息及时在线调整切削***的动态特性。又如，在节能控制方面，专利JP5083476 B1发明了一种数控单元用于控制机床***装备的能耗。其中电能计算模块用于计算机床***装备的电能消耗，条件监测部分通过监测机床PLC的输入与输出的控制信号来关闭***装备；专利US8362655 B2提供了一种降低机床能耗的方法，并基于该方法设计了一种节能装置。该方法包含一个钝化装置和一个监控装置，该钝化装置预定义一个钝化规则，当机床产生符合该钝化规则的事件则由钝化装置发出钝化信号，由监控装置检测到该信号，控制机床进入节能模式。
由此可见，上述专利主要针对的是机床单个部件的优化和控制方式改造。但机床千差万别、其内部结构以及输入输出接口都不尽相同，而且机床执行的任务也随机床性能和加工工艺的不同而不同，因此上述已有发明装置或***不能满足扩展应用的需要。
发明内容
针对现有技术及节能装置无法满足机床运行过程控制器的通用性、动态性、可配置性的需求，本发明的目的在于提供一种基于DSP/FPGA动态可配置的机床智能控制器及控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于DSP/FPGA动态可配置的机床智能控制器，包括DSP/FPGA信息处理模块、数据输入模块、输出执行模块、中央处理嵌入式***模块；所述DSP/FPGA信息处理模块包括硬件可重构信息采样单元、数字信号处理单元、硬件可重构算法单元、硬件可重构控制信息输出执行单元和数据存储单元；所述数据输入模块提供数据输入接口，通过硬件可重构信息采样单元与DSP/FPGA信息处理模块连接，用于将获取的数字信号或模拟信号经过处理后发送数字信号流至所述DSP/FPGA信息处理模块；
硬件可重构控制信息输出执行单元与输出执行模块连接，为所述输出执行模块提供控制指令；
所述输出执行模块用于与机床控制执行机构连接，用于输出并执行智能控制指令；
所述中央处理嵌入式***模块与DSP/FPGA信息处理模块连接，并动态交换数据信息和指令；在向DSP/FPGA信息处理模块发送基于智能控制需求形成的智能控制策略文件时，根据该智能控制策略文件，分别由硬件可重构信息采样单元、硬件可重构算法单元和硬件可重构控制信息输出执行单元重构生成用于满足智能控制需求的硬件信息采样单元、硬件算法单元和硬件信息输出执行单元的动态组合，并自动生成智能控制算法图；在智能控制时，可重构信息采样单元获取机床当前状态信息，并融合历史状态信息解析智能控制算法图，生成智能控制命令并通过重构生成的硬件信息输出执行单元输出该智能控制命令给输出执行模块。
本智能控制器用于控制机床节能，其数据输入模块由数字信号隔离电路、程控信号调理阵列、模拟信号隔离电路和A/D转换阵列组成；其中数字信号隔离电路用于接收机床NC***和PLC***出来的数字信号并直接与硬件可重构信息采样单元连接；程控信号调理阵列用于接收机床传感器出来的模拟信号并依次连接模拟信号隔离电路和A/D转换阵列，A/D转换阵列输出接硬件可重构信息采样单元，由硬件可重构信息采样单元控制AD转换阵列对多路模拟信号进行实时高速精确同步采样，转换为高精度、高速度、低相位抖动的数字信号流。
本智能控制器用于控制机床节能，其输出执行模块由输出隔离电路、弱信号输出执行模块、强信号输出执行模块和模拟输出执行模块组成，硬件可重构控制信息输出执行单元输出的信号输出给输出隔离电路，由输出隔离电路根据信号特点对应输出给弱信号输出执行模块、强信号输出执行模块和模拟输出执行模块，最后由弱信号输出执行模块、强信号输出执行模块、模拟输出执行模块输出给机床执行机构。
本智能控制器用于控制机床节能，其中央处理嵌入式***模块由嵌入式中央处理器、存储器、LAN接口、无线通讯接口和USB接口组成，LAN接口、无线通讯接口和USB接口通过有线/无线通信方式与外部服务器***和/或其它智能装备进行通信，用于接收外部输入指令，并传递给嵌入式中央处理器，由嵌入式中央处理器与DSP/FPGA信息处理模块通过高速通信接口连接，动态交换数据信息和指令。
一种基于DSP/FPGA动态可配置的机床智能控制方法，其智能控制过程为，
1）由中央处理嵌入式***模块根据机床智能控制需求制作并加载策略文件给DSP/FPGA信息处理模块；
2）由DSP/FPGA信息处理模块解析策略文件中所包含的输入输出接口重构配置信息、算法模块配置信息、算法图配置信息，并根据解析出的上述信息重构配置输入输出硬件单元和DSP算法硬件单元；
3）连接上述重构配置的输入输出硬件单元和DSP算法硬件单元，并根据算法图配置信息生成智能控制算法图；
4）采集机床状态信息，获取当前机床运行状态，根据机床当前运行状态和历史信息，并解析所述智能控制算法图，得出智能控制指令；
5）将该智能控制指令通过重构配置的输出硬件单元传输给输出执行模块，由输出执行模块输出控制指令给机床执行机构进行执行。
DSP/FPGA信息处理模块根据智能控制需求所形成的智能控制策略文件重构生成硬件信息采样单元、硬件信息输出执行单元和硬件算法单元，进行硬件单元的配置，并生成智能控制算法图。在智能控制时，通过判断前期和当前运行状态及解析智能算法图，生成并执行智能控制命令。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明装置可以针对机床本身的控制需求，动态的配置控制器的输入输出硬件、算法硬件、重构连接I/O和算法模块生成控制算法图。
2、本发明通用智能控制装置可以针对检测到的机床实时工况，解析控制算法图，可动态的输出控制命令。
3、本发明可集成机床加工过程智能控制、加工质量/效率智能控制、机床能效智能控制等为一体，可实现数据共享、硬件或算法共用等。
附图说明
图1-本发明基于DSP/FPGA的动态可配置机床智能控制器结构示意图。
图2-本发明基于DSP/FPGA的动态可配置机床智能控制方法流程图。
图3-本发明基于DSP/FPGA的动态可配置机床节能控制***硬件结构示意图。
图4-本发明基于DSP/FPGA的动态可配置机床节能控制方法流程图。
图5-本发明基于DSP/FPGA的动态可配置机床节能控制***应用示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明基于DSP/FPGA动态可配置的机床智能控制器，包括DSP/FPGA信息处理模块、数据输入模块、输出执行模块、中央处理嵌入式***模块。所述DSP/FPGA信息处理模块包括连接的硬件可重构信息采样单元、数字信号处理单元、硬件可重构算法单元和硬件可重构控制信息输出执行单元，DSP/FPGA信息处理模块还包括数据存储单元。所述数据输入模块提供数据输入接口，并通过硬件可重构信息采样单元与DSP/FPGA信息处理模块连接，用于将获取的数字信号或模拟信号（该信号由数据输入模块与机床传感装置集成连接而获得）经过信号处理后发送数字信号流至所述DSP/FPGA信息处理模块；
硬件可重构信息采样单元根据数据输入模块提供的数字信号的抽样、量化、编码方式的不同，重构选择与信号特性相匹配的硬件单元接收并处理数字信息，保证信息的完整性、准确性的同时高效的利用采样硬件资源；数字信号处理单元将不同抽样、量化、编码方式的信息转化为统一的数字信号表达，以便于对信息进行融合以便于实现多种复杂的算法处理；硬件可重构算法单元通过可编程门阵列硬件的动态配置，实现复杂的逻辑关系运算，主要表现为多种智能运算算法的自动实现，在新添加智能控制或智能控制达不到预期效果时，其硬件可重构主要体现为自动寻找可利用的硬件资源实现智能运算功能；硬件可重构控制信息输出执行单元将输出智能运算所得的标准信息转化为输出执行模块所需的不同量化和编码的数字信号，重构选择与信号特性相匹配的硬件单元发送控制信息给输出执行模块。
DSP/FPGA信息处理模块通过硬件可重构控制信息输出执行单元与输出执行模块连接，为所述输出执行模块提供执行指令；
所述输出执行模块用于与机床控制执行机构连接，用于输出并执行智能控制指令；发送控制指令用于控制机床执行相应操作。
中央嵌入式***模块集成了通讯接口，用于与其他装置或***通讯。所述中央处理嵌入式***模块与DSP/FPGA信息处理模块连接，由中央处理嵌入式***模块与DSP/FPGA信息处理模块动态交换数据信息和指令，并向DSP/FPGA信息处理模块发送基于智能控制需求形成的智能控制策略文件，从而管理整个***运行。根据该智能控制策略文件，分别由硬件可重构信息采样单元、硬件可重构算法单元和硬件可重构控制信息输出执行单元重构生成用于满足智能控制需求的硬件信息采样单元、硬件算法单元和硬件信息输出执行单元的动态组合，并自动生成智能控制算法图；在智能控制时，根据机床历史状态和当前运行状态并解析智能控制算法图，生成智能控制命令并通过重构生成的硬件信息输出执行单元输出该智能控制命令给输出执行模块。
利用上述硬件构成的智能控制器工作原理和过程是：
1）首先，由中央处理嵌入式***模块根据机床智能控制需求制作并加载策略文件给DSP/FPGA信息处理模块；
2）接着，由DSP/FPGA信息处理模块解析策略文件中所包含的输入输出接口（I/O）重构配置信息、算法模块配置信息、算法图配置信息，并根据解析出的上述信息重构配置输入输出硬件单元和DSP算法硬件单元；
3）连接上述重构配置的输入输出硬件单元和DSP算法硬件单元，并根据算法图配置信息生成智能控制算法图；
4）然后，在策略文件引擎支撑下，采集机床状态信息，获取当前机床运行状态，根据机床当前运行状态和历史信息，并解析所述智能控制算法图，得出智能控制指令；
5）将该智能控制指令通过重构配置的输出硬件单元传输给输出执行模块，由输出执行模块输出控制指令给机床执行机构进行执行。
上述控制流程如图2所示。
下面以数控机床节能控制为例，对本发明做进一步说明。
本发明数控机床节能控制器由以下部分组成，见图3所示。
（1）数据输入模块：由数字信号隔离电路、程控信号调理阵列、模拟信号隔离电路、A/D转换阵列等组成。该数据输入模块从加工装备（机床）的NC***（通过NC接口）、PLC***（通过PLC接口）和传感器获取多种信息，其中NC接口和PLC接口为数字信号，传感器出来的为模拟信号。其中传感器出来的模拟信号依次经程控信号调理阵列调理和模拟信号隔离电路隔离后，进入A/D转换阵列，由DSP/FPGA信息处理模块中的硬件可重构同步采样阵列控制AD转换阵列对多路模拟信号进行实时高速精确同步采样，转换为高精度、高速度、低相位抖动的数字信号流。NC***和PLC***出来的数字信号通过数字信号隔离电路直接进入DSP/FPGA信息处理模块中的硬件可重构同步采样阵列。
（2）DSP/FPGA信息处理模块：由硬件可重构同步采样阵列（即图1的硬件可重构信息采样单元）、DSP阵列（就是图1的数字信息处理单元）、硬件可重构算法单元、硬件可重构实时输出执行阵列（即图1的硬件可重构控制信息输出执行单元）、存储器等组成。该模块完成以下处理：
1）在数据采集方面，数据可能来自于传感器的采样序列，也可能来自于NC/PLC的通信，或者其它渠道获得的有效信号。这些所有的实时原始数据将进行统一的封包处理，对每个数据打上时标、来源标记、特性标记等，在内存中按照统一定义的格式定帧存放，并由硬件对所有的数据按照时间排序，等候送入DSP/FPGA算法阵列（这里指的是硬件可重构算法单元）处理。
2）实时数据流交由DSP/FPGA算法阵列处理后，按照策略要求从实时信息流中分析形成机床状态。
3）基于嵌入式的策略执行引擎根据机床实时状态、各种设定条件、逻辑关系设定等，根据高层逻辑策略，产生实时输出指令。实时输出指令执行策略部分被分解为实时DSP/FPGA算法和模块设定参数，由DSP/FPGA信息处理模块中的硬件可重构实时输出执行阵列执行。硬件可重构实时输出执行阵列将实际的输出要求转化成实际***所需要的多种多样的输出形式，例如PWM方波、变频变幅正弦信号、直流开/闭环输出、脉冲信号、电气开关控制指令、PLC/NC执行指令等，并传输给输出执行模块中的输出隔离电路。
（3）输出执行模块：由输出隔离电路、弱信号输出执行模块、强信号输出执行模块、模拟输出执行模块等组成。该模块完成将硬件可重构实时输出执行阵列输出的信号经输出隔离电路，输出给弱信号输出执行、强信号输出执行、模拟输出执行等模块，最后由弱信号输出执行模块、强信号输出执行模块、模拟输出执行模块输出给机床的执行部件以控制机床的节能。
（4）中央处理嵌入式***模块：由嵌入式中央处理器、存储器、LAN接口、无线通讯接口、USB接口等组成，LAN接口、无线通讯接口和USB接口通过有线/无线通信方式与外部服务器***和其它智能装备进行通信等，用于接收外部输入指令，并传递给嵌入式中央处理器，由嵌入式中央处理器与DSP/FPGA信息处理模块通过高速通信接口连接，动态交换数据信息和指令，并管理整个***的运行。
（5）电源和***监控电路：完成对节能器整机的供电以及软件程序的监控（看门狗电路）。
首先，由架构在操作***上的基于嵌入式策略执行引擎根据策略文件中所包含的输入输出接口（I/O）的重构配置信息、算法模块配置信息、节能算法图配置信息，重构配置节能器的部分输入输出接口和DSP算法模块等硬件，并重构连接I/O和算法模块生成节能控制算法图；然后在该执行引擎支撑下，读入实际执行加工任务的机床上获取的输入信号（通过传感器、数控***、LC接口等，获得转速、进给量等各种模拟量和开关量等，也可以读入数控程序），通过算法图进行解算，获得当前机床状态；再根据历史状态和当前状态，得出节能控制指令；最后由输出执行模块输出节能控制指令，见图4所示。
正是由于上述两部分的存在，使得节能器可以针对不同的装备，采用高级描述语言对控制策略进行描述；该描述语言被执行引擎解析后，按照执行性能和功能的要求，分别解析为DSP/FPGA算法，或者由执行引擎直接执行，最大程度上实现通用化和灵活性的有效统一。
另外，策略由针对该引擎的高级描述语言编写，该描述语言的每个配置或者执行语句对应了底层的一个或多个复杂的由硬件或者软件完成的复杂功能，这些功能包括输入信号如何处理、构建什么样的算法图、各种输出信号分别采用哪些标准输出模块。这样，就可以用极少的高级描述代码描述不同装备的控制策略，而不用关心底层的实现，从而使得底层平台（虚拟机）的实现与高层的策略完全分离开，实现最大程度的重用，并使得节能控制器能应用于广泛的制造装备中。
图5为本发明基于DSP/FPGA的动态可配置机床节能控制***应用示意图。传感器输出的信号进入到节能控制器程控信号调理阵列中随后由节能控制器处理；机床内NC***和PLC的状态信息经RS232C串口进入节能控制器；节能控制器经输出控制单元的电路输出PWM方波和电气开关控制指令控制机床控制部件和耗能部件电源的通断。
节能控制器本身可采用采用新型的高性能Xilinx Zynq 7020 FPGA芯片作为底层的处理平台。该芯片是业界首款整合高性能嵌入式处理器和大规模DSP/FPGA资源的产品。该芯片由两部分组成，嵌入式处理器方面是双核Cotex-A9 ARM处理器，运行频率最高达1GHz，具有很强的处理性能，并由丰富的外设；DSP/FPGA部分采用Xilinx最新的第7代FPGA技术，具有很高的性能，并有高达220个内置的并行DSP处理单元，DSP部分峰值处理能力高达276GMACs，可以用于实现各种复杂的算法。另外，该FPGA还支持运行中对单元进行重配置，从而支持运行中动态修改硬件算法，从而支持算法模块、输入/输出处理单元的运行中硬件重构。ARM处理器部分和DSP/FPGA部分之间采用内部10余条32位或64位的AXI连接，总带宽高达数百Gbps。其FPGA为第7代Artix结构FPGA，等效门数高达8万5千逻辑门。
基于此芯片，上述装备结构中，中央处理嵌入式***部分和DSP/FPGA部分在实际实现时由一颗芯片直接完成，不仅简化了***设计，而且具有分立的两套***实现方案难以企及的性能优势。
中央处理嵌入式***部分软件平台采用嵌入式Linux***作为操作***，在实际实现中对Linux内核进行实时性优化，满足***实时调度要求。策略执行引擎分为内核部分和应用层部分，对于直接与DSP/FPGA打交道的底层部分（虚拟机构件部分），直接实现到操作***内核中，而高层策略语言解析与执行部分作为应用软件运行在应用层，两者通过***调用进行沟通。
DSP/FPGA硬件可重构输入/输出和算法部分，被设计为一个个的小固件模块，通过Linux***调用写入到硬件指定位置，从而启动相应的算法功能。
中央处理嵌入式***部分和DSP/FPGA算法处理部分之间通过AXI总线进行高速通信，整体***的运行由嵌入式Linux操作***统一调度执行。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种基于DSP/FPGA动态可配置的机床智能控制器，其特征在于：包括DSP/FPGA信息处理模块、数据输入模块、输出执行模块和中央处理嵌入式***模块；所述DSP/FPGA信息处理模块包括硬件可重构信息采样单元、数字信号处理单元、硬件可重构算法单元、硬件可重构控制信息输出执行单元和数据存储单元；所述数据输入模块提供数据输入接口，通过硬件可重构信息采样单元与DSP/FPGA信息处理模块连接，用于将获取的数字信号或模拟信号经过处理后发送数字信号流至所述DSP/FPGA信息处理模块；
硬件可重构控制信息输出执行单元与输出执行模块连接，为所述输出执行模块提供控制指令；
所述输出执行模块用于与机床控制执行机构连接，用于输出并执行智能控制指令；
所述中央处理嵌入式***模块与DSP/FPGA信息处理模块连接，并动态交换数据信息和指令；在向DSP/FPGA信息处理模块发送基于智能控制需求形成的智能控制策略文件时，根据该智能控制策略文件，分别由硬件可重构信息采样单元、硬件可重构算法单元和硬件可重构控制信息输出执行单元重构生成用于满足智能控制需求的硬件信息采样单元、硬件算法单元和硬件信息输出执行单元的动态组合，并自动生成智能控制算法图；在智能控制时，硬件可重构信息采样单元获取机床当前状态信息，并融合历史状态信息解析智能控制算法图，生成智能控制命令并通过重构生成的硬件信息输出执行单元输出该智能控制命令给输出执行模块；
本智能控制器用于控制机床节能，其数据输入模块由数字信号隔离电路、程控信号调理阵列、模拟信号隔离电路和A/D转换阵列组成；其中数字信号隔离电路用于接收机床NC***和PLC***出来的数字信号并直接与硬件可重构信息采样单元连接；程控信号调理阵列用于接收机床传感器出来的模拟信号并依次连接模拟信号隔离电路和A/D转换阵列，A/D转换阵列输出接硬件可重构信息采样单元，A/D转换阵列对多路模拟信号进行实时高速精确同步采样，转换为高精度、高速度和低相位抖动的数字信号流。
2.根据权利要求1所述的基于DSP/FPGA动态可配置的机床智能控制器，其特征在于：本智能控制器用于控制机床节能，其输出执行模块由输出隔离电路、弱信号输出执行模块、强信号输出执行模块和模拟输出执行模块组成，硬件可重构控制信息输出执行单元输出的信号输出给输出隔离电路，由输出隔离电路根据信号特点对应输出给弱信号输出执行模块、强信号输出执行模块和模拟输出执行模块，最后由弱信号输出执行模块、强信号输出执行模块、模拟输出执行模块输出给机床执行机构。
3.根据权利要求1所述的基于DSP/FPGA动态可配置的机床智能控制器，其特征在于：本智能控制器用于控制机床节能，其中央处理嵌入式***模块由嵌入式中央处理器、存储器、LAN接口、无线通讯接口和USB接口组成，LAN接口、无线通讯接口和USB接口通过有线/无线通信方式与外部服务器***和/或其它智能装备进行通信，用于接收外部输入指令，并传递给嵌入式中央处理器，由嵌入式中央处理器与DSP/FPGA信息处理模块通过高速通信接口连接，动态交换数据信息和指令。
4.一种基于DSP/FPGA动态可配置的机床智能控制方法，其特征在于：智能控制过程为：
1）由中央处理嵌入式***模块根据机床智能控制需求制作并加载策略文件给DSP/FPGA信息处理模块；
2）由DSP/FPGA信息处理模块解析策略文件中所包含的输入输出接口重构配置信息、算法模块配置信息和算法图配置信息，并根据解析出的上述信息重构配置输入输出硬件单元和DSP算法硬件单元；
3）连接上述重构配置的输入输出硬件单元和DSP算法硬件单元，并根据算法图配置信息生成智能控制算法图；
4）采集机床状态信息，获取当前机床运行状态，根据机床当前运行状态和历史信息，并结合所述智能控制算法图，得出智能控制指令；
5）将该智能控制指令通过重构配置的输出硬件单元传输给输出执行模块，由输出执行模块输出控制指令给机床执行机构进行执行。
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