DSPFPGA在高速高精运动控制器中的应用
6页1、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+FPGA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; FPGA; 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公司的高性能浮点DSP作为主控芯片,通过ISA接口与PC协
2、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轴输出,采用光栅尺对输入计数,16位并行高速DA输出,运动定位精度要求达到10nm,响应时间10g),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
3、的形式,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,输出模块用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公司推出的第一代浮点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TMS320C31的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TMS320C32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
4、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,AR0AR7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主要由输入输出单元IOE、掩埋阵列EAB、逻辑阵列LAB及内部连线组成。EAB是在输入和输出端口加有寄存器的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
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