DSP+FPGA在高速高精运动控制器中的应用

1、DSP+FPGA在高速高精运动控制 器中的应用作者:日期:个人收集整理勿做商业用途作者：武汉理工大学智能信息系统研究所朱显新黄涛邓启辉卢珞先来源：今日电子DSP+FPG在高速高精运动控制器中的应用摘要：数字信号处理器具有高效的数值运算能力，并能提供良好的开发环境，而可编程逻辑器件具有高度灵活的可配置性。本文描述了通过采用 TMS320C32浮点DSP和可编程逻辑器件（FPGA） 的组合运用来构成高速高精运动控制器，该系统通过B样条插值算法对运动曲线进行平滑处理以及运用离散 PID算法对运动过程加以控制.关键词：运动控制；DSP； FPG代B样条插值；PID运动控制卡已经在数控机床、工业机器人、医用设备、绘图仪、IC电路制造设备、IC封装等领域得到了广泛运用，取得了良好的效果。目前运动控制卡大部分采用 8051系列的8位单片机，虽 然节省了开发周期但缺乏灵活性，难以胜任高要求运作环境，而且运算能力有限。-DSP的数据运算处理功能强大，即使在很复杂的控制中，采样周期也可以取得很小，控制效果更接近于连续系统.把DSP与 PC的各自优势结合将是高性能数控系统的发展趋势。本运动控制器采用TI公司

2、的高性能浮点 DSP作为主控芯片，通过ISA接口与PC协调并进行数据交换，以PC计算机作为基本平台，以DSP高速运动控制卡作细插补、伺服控制的核心，对直线电机的运动进行控制，取得了良好的实际应用效果。1高速高精运动控制卡的主要硬件构成-本运动控制系统的任务是控制直线电机的运动，要求4轴输入和4轴输岀，采用光栅尺对输入计数，16位并行高速 DA输岀，运动定位精度要求达到10nm,响应时间100ns。-高速直线电机是本系统的控制对象，它具有加速快（a10g），运动速度高（v300mm/s）的特点。要求控制系统有足够短的响应时间（100ns）和足够高的定位精度（10nm级）,因而系统的核心CPU的处理能力及运算能力必须满足高速要求；此外,直线电机运动定位的核心是高精度的反馈控制装置。直线电机的反馈控制装置是光栅尺和高精度脉冲计数器，光栅尺发出与运动距离成线性关系的脉冲数，脉冲计数器的计数值表示直线电机当前的运动位置。经计算，计数长度为28位的计数器才能满足定位的精度要求，同时计数频率很高。一般的通用计数器参数无法达 到，所以设计一个特殊计数器是必要的。为了方便设置目标点的运动参数，使运动控制

3、卡具有比较好的人机交互功能，系统必须具有与PC机通信的功能。综合考虑上述要求，系统的设计采用 DSP+FPGA勺形式，由DSP主控芯片作为中央处理模 块，FPGA作为反馈计数模块且负责板上的部分逻辑译码工作，PC通信接口模块采用双口RAM输岀模块用D/A转换器实现，如图1所示。1。1 DSP模块基于DSP的运动控制系统一般采用TI公司的TMS320C24X系列芯片，但 24x系列是16 位定点处理器，运算能力有限。不能满足本系统规划的高速高精要求，为此，我们选用了 TI公司的TMS320C32 DSP作为主控芯片.-TMS320C3X系列芯片是美国TI公司推岀的第一代浮点DSP芯片，具有丰富的指令集、很高的运算速度、较大的寻址空间和较高的性价比，在各领域得到了广泛的应用。TMS320C32是 TMS320系列浮点数字信号处理器的新产品，在TMS320C30和TMS320C3啲基础上进行了简化和改进。在结构上的改进主要包括可变宽度的存储器接口、更快速的指令周期时间、可设置优先级的双通道DMA处理器、灵活的引导程序装入方式、可重新定位的中断向量表以及可选的边缘/电平触发中断方式等。对TMS

4、320C32的开发可以用汇编语言 ，也可以用C语言.使用汇编语言的优点在于运行速 度快、可以充分利用芯片的硬件特性，但开发速度较慢，程序的可读性差；而 C语言的优势在于编程容易、调试快速、可读性好，可以大大缩短开发周期，但C语言对于其片内的没有映射地址的特殊功能寄存器不能操作，如IF和IE，AR0- AR7等。1。2 FPGA模块- 该部分主要功能为一个4通道的针对光栅尺的脉冲计数器，此外，还承担部分地址译码的工作。但由于脉冲计数频率高，计数量大，所以必须选择高容量、高性能的可编程逻辑器件。-ALTERA FLEX （ Flexible Logic Element Matrix） 10K 系列 FPGA 规模从一万门到十万门，可提供 7205392个触发器及 614424576位RAM提供30ns、40ns及50ns等几个速率等 级，可适应18105MHz的信号处理速率.ALTERA FLEX10K系列FPGA主要由输入输岀单元 IOE、掩 埋阵列EAB逻辑阵列LAB及内部连线组成。EAB是在输入和输岀端口加有寄存器的RAM块，其容量可灵活变化。所以，EAB不仅可以用于存储器，还可以事

5、先写入查表值来用它构成如乘法器、 纠错逻辑等电路。当用于RAM时，EAB可配制成多种形式的字宽和容量。-LAB主要用于逻辑电路设计，一个LAB包括8个逻辑单元LE,每一个LAB提供4个控制信号 及其反相信号，其中两个可用于时钟信号。每一个LE包括组合逻辑及一个可编程触发器。触发器可被配成D，T，JK, RS等各种形式。IOE提供全局的时钟及清零信号输入端口，还提供具有 可编程性的各种输入输岀端口，如低噪声端口、高速端口等FLEX10K系列芯片是 ALTERA公司新近推岀的 PLD产品。与ALTERA公司先前推岀的 MAX7000 系列EPLD相比，FLEX10K（以下简称10K）系列具有更加丰富的内部资源（最多可达10万门），更加充裕的可配置的I/O管脚（最多达406条）。再加上其低廉的价格，使得10K系列芯片受到越来越多用户的欢迎。-基于以上原因，我们在本方案中采用ALTERA FLEX10K1Q并且考虑到以后设计的连续性我们可以无需更改硬件电路，就可以更换性能更高的、相同尺寸、相同管脚配置的ALTERAFLEX10K2C。1.3 PC通信接口模块该模块选用16位的ISA总线与PC相

6、连，CY7C133双口 RAM用作数据缓冲。ISA总线的使用十分灵活、方便，而且I/O操作比较简单。虽然ISA总线的引脚多但并 不是都要用到的，关键是几个固定引脚的应用，例如：l/0 CH RDY、l/OR、l/OW、ALE、数据线和地址线，结合起来实现通信。74LS6E8X07-在本系统中，双口 RAM的PC端地址线并没有直接采用ISA过来的地址线，而是由FPGA内部地址计数器给定。这是因为，ISA总线上大部分地址都已经被PC系统分配好，直接把 2K的双口 RAM数据空间映射到ISA总线上并不现实；而且控制系统与PC交换的数据基本上是一系列加工点的坐标参数，采用顺序访问对性能没有影响。因此采用地址计数器方式的顺序访问，完全能 够达到设计的要求。-具体做法是:ISA地址线的A2A9接到地址比较器 74LS688，与设定好的地址作比较,74LS688的片选信号由ISA的IOR和IOW的“与”提供（IOR和IOW在 ISA总线访问端口时低有效），A0，A1接到FPGA用于选择FPGA内部4个功能不同的寄存器。ISA的ALE用于触发FPGA 内部逻辑功能，锁存 ISA总线过来的信号，如图2所

7、示。-当访问地址清零寄存器时，地址计数值清零；当访问地址增加寄存器时，地址计数值增加“ 1”。如此类推，访问不同的寄存器就对地址计数值完成不同的操作，把地址计数值直接作为 地址送给双口 RAM就可以实现ISA总线访问双口 RAM了。1。4输出模块-输岀模块采用模拟输岀，经外部放大驱动电机的方案。D/A转换芯片选择 DAC7744DAC7744是高性能的4通道16位高速D/A，主要特点如下：输岀通道：独立 4路 输岀信号范围：05V; 010V; 士 5V; 士 10V输岀阻抗：W 2Q D/A转换器件：DAC7744 D/A 转换分辨率：16位 D/A转换码制：二进制原码（单极性）二进制偏移码（双极性） D/A转换时间：W 1 11 s D/A 转换综合误差：W 0。 02% FSR电压输岀方式负载能力：5mA/路1。5存储模块-存储模块用于存储系统程序和数据，主要由 组成。外围存储电路如图3所示。SRAM(2片 CY7C1021)和 FLASH (AM29F400B)2软件设计 该运动控制卡应用时插在工控机的ISA槽上，与上位机配合工作。首先在上位NC机输入加工曲线，由上位机做粗插补

8、， 然后把数据通过ISA接口传递给控制卡。 控制卡对接收到的数据再 做细插补一一采用三次 B样条插值，然后发送给 DA驱动电机运动。DSP通过FPGA进行脉冲计数， 读岀直线电机光栅尺的反馈信息，然后采用离散 PID控制算法调整，以便于电机运动控制的最优化。-运动控制算法的核心是先用B样条插值法把目标点进一步细化，使运动曲线更平滑，然后在运动过程中采用 PID算法进行调整，最终达到高速高精的设计要求，图3给岀了系统软件流程图。2.1 B样条插值-目前许多先进的CAD/CAM系统都采用了 B样条曲线。其特点是，可用统一的数学形式精确 表示分析曲线（如直线，圆锥曲线等）和自由曲线（如均匀B样条曲线等），因而便于用统一的数据库管理、存储，程序量可以大大减少；非均匀B样条曲线定义中的权因子使外形设计更加灵 活方便，设计人员通过调整具有直观几何意义的点、线、面元素即可达到预期的效果。-本系统采用三次 B样条曲线作为精插补算法，该算法应用在控制卡中可以得到比较满意的效果。计算过程中只需要相邻4个点的位置数据,（x0，yO）， （ x1，y1 ）,（x2，y2）,（ x3,y3），就可以构造出平滑的

9、曲线。公式以坐标分量形式表示为：2。2 PID控制-在控制领域中,PID控制算法是一种常用的算法，PID是比例、积分、微分的缩写。PID的合理的参数估计、比较，可以通过MATLAB勺传递函数模型仿真来得到。- 由于该系统是数字系统，采用的都是数字量，所以必须把PID算法离散化才能使用.又由于系统的存储空间有限，算法的存储空间开销不能太大，所以采用了离散化的增量式PID算法。该算法在运算过程中只需要保留最近3次的误差数据,就能够推导岀下一次的输岀量，节省了大量的数据空间，提高了运算速度，有很强实用价值公式如下：-卩（k ）,卩（k-1 ）分别是k和k 1时刻的输岀量，在系统中体现为DA的输岀量。e（ k ）， e （ k-1 ），e （ k 2 ）分别是k，k-1 ， k 2时刻的偏差值，在系统中体现为 该时刻实际位置与目标位置的偏差。-T , Td, Ti,Kp是PID公式的常量，不同的数值代表着PID系统的微分、积分、比例调节作用的强度和效果#.3小结-在开放式数控系统中应用基于DSP+FPGA勺运动控制卡，DSP承担了 CNC系统中实时性要求较高的模块功能。利用 DSP高速运算能力和实时信号处理能力，采用先进的Bspli ne插补算法,使该DSP运动控制卡具有高速、高精度的性能，结合FPGA芯片的先进技术，使该

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