何小宇
中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 湖南長沙 410000
基于DSP和FPGA的運(yùn)動控制技術(shù)的研究
何小宇
中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 湖南長沙 410000
隨著工業(yè)的發(fā)展,制造技術(shù)也不斷的完善,逐漸的向著集成化、智能化以及綜合化的方向發(fā)展,在開放式數(shù)控系統(tǒng)中,運(yùn)動控制器是一個十分重要的裝置,通過運(yùn)動控制器的運(yùn)行,對各個軸電機(jī)的運(yùn)動進(jìn)行控制,從而實現(xiàn)數(shù)控加工,提升定位控制的精度,增強(qiáng)速度調(diào)節(jié)的性能。在本文中,首先闡述了運(yùn)動控制中應(yīng)用DSP和FPGA的意義,并分析了基于DSP和FPGA的運(yùn)動控制技術(shù)方案。
DSP;FPGA;運(yùn)動控制技術(shù)
在工業(yè)發(fā)展的過程中,制造業(yè)起著基礎(chǔ)性的作用,制造業(yè)的發(fā)展依賴于制造技術(shù),傳統(tǒng)的制造業(yè)中,代表性的為傳統(tǒng)機(jī)電工業(yè),不過在制造業(yè)發(fā)展的過程中,傳統(tǒng)機(jī)電工業(yè)也發(fā)生了巨大的變化,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了深刻的變革,在變化的過程中,應(yīng)用了先進(jìn)的制造技術(shù),這其中就包含數(shù)控技術(shù),在對數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制時,應(yīng)用了DSP以及FPGA。
(一)DSP應(yīng)用的意義
DSP是指實時數(shù)字信號處理技術(shù),數(shù)字信號處理器是其核心和標(biāo)志,在對數(shù)字信號進(jìn)行處理時,精度高、靈活性強(qiáng)、可靠性高[1]。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展,數(shù)控系統(tǒng)所面臨的要求越來越高,不僅要具備非常好的運(yùn)行速度,同時還需要具備非常高的精度,運(yùn)動控制的主要目的就是保證高精度以及高速度。在DSP中,對組總線的哈佛結(jié)構(gòu)是其所特有的,由此一來,在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時,指令和速度同時進(jìn)行,從而顯著的提升了處理的速度,將DSP技術(shù)應(yīng)用到運(yùn)動控制中之后,可以顯著的提升控制的效果,滿足數(shù)控系統(tǒng)的控制要求,在運(yùn)動控制技術(shù)未來的發(fā)展中,DSP技術(shù)將成為必然的應(yīng)用趨勢。
(二)FPGA應(yīng)用的意義
FPGA是指現(xiàn)場可編程邏輯門列陣,是一種可編程的ASIC,當(dāng)需要進(jìn)行RAM、EPROM編程的增加時,可以選擇外加,也可以選擇內(nèi)置,F(xiàn)PGA具備比較好的實時性,除了增加編程之外,器件功能的改變、現(xiàn)場編程、在線配置等都可以實現(xiàn)實時性,在進(jìn)行科學(xué)實驗或者是小批量生產(chǎn)時,F(xiàn)PGA是最為適合的選擇[2]。在運(yùn)動控制發(fā)展的過程中,電路規(guī)模不斷地擴(kuò)大,這使得電路設(shè)計師的設(shè)計難度增加,為了很好地進(jìn)行設(shè)計,就需要進(jìn)行科學(xué)的硬件仿真,而硬件仿真則可以通過FPGA來實現(xiàn),應(yīng)用FPGA之后,電路設(shè)計師在進(jìn)行設(shè)計時,其邏輯和性能指標(biāo)的測試具備非常強(qiáng)的直觀性,提升了設(shè)計的科學(xué)性,增強(qiáng)了運(yùn)動控制的效果。
(一)設(shè)計目標(biāo)
在運(yùn)動控制技術(shù)中,通過DSP和FPGA技術(shù)的應(yīng)用,設(shè)計出完善的運(yùn)動控制卡,對數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行有效地控制。在進(jìn)行運(yùn)動控制卡設(shè)計時,主要的控制方式是對開環(huán)或半閉環(huán)進(jìn)行控制。在整個運(yùn)動系統(tǒng)中,主控單元為運(yùn)動控制卡,需要實現(xiàn)三大功能,一是將主機(jī)發(fā)出的運(yùn)動指令進(jìn)行全面的接收,同時,將運(yùn)行的狀態(tài)反饋給主機(jī);二是在接收到相應(yīng)的指令之后,展開運(yùn)動控制工作,控制的對象為4軸電機(jī);三是在運(yùn)動的過程中,與其有關(guān)聯(lián)的信號主要兩種,一種為外部I/O信號,另一種為通用I/O信號,在對著兩種信號進(jìn)行處理時,采用并行處理的辦法。
(二)總體結(jié)構(gòu)
運(yùn)動控制卡是在DSP和FPGA的基礎(chǔ)上來進(jìn)行設(shè)計的,而DSP和FPGA以芯片的方式應(yīng)用到運(yùn)動控制卡中[3]。為了實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的存儲,F(xiàn)lash和SRAM設(shè)置在DSP的周圍,數(shù)量為多個,在每兩個Flash和SRAM之間,片選信號CS是共用的,這樣一來,在進(jìn)行讀寫時,數(shù)據(jù)總線為高低雙字32位,顯著的提升了訪問的速度。在對下載的程序進(jìn)行存儲時,通過在FPGA處配置EPROM來實現(xiàn)。在進(jìn)行DSP和FPGA器件選擇時,要保證能耗比較低,同時電壓也要比較低。
(三)板卡地址空間的分配
在DSP中,數(shù)據(jù)總線的數(shù)量為32根,地址總線的數(shù)量為24根,在最高位置處,地址總線有2根,據(jù)此,將DSP地址空間劃分為四頁。在進(jìn)行譯碼電路的實現(xiàn)時,使用了FPGA,在其內(nèi)部來實現(xiàn),對于每個軸來說,與單獨(dú)用于運(yùn)動控制功能的專用控制電路是比較相似的,選擇的定時器為32位計數(shù)器,在進(jìn)行計數(shù)時,實現(xiàn)對系統(tǒng)時鐘來進(jìn)行。在進(jìn)行模擬通道時,總共有四路,每路所具備的功能都是一致的,在對模擬輸出信號進(jìn)行控制,單獨(dú)一路就可以實現(xiàn)。
(四)板卡芯片型號的選擇
運(yùn)動控制板卡中的芯片為DSP和FPGA,在進(jìn)行DSP型號選擇時,需要考慮多個方面的因素,比如信號處理的實時性、信號處理的速度、高運(yùn)算精度、開發(fā)成本等,最終確定選擇的DSP為TMS320VC33型號;而在選擇FPGA型號時,綜合考慮的因素包含器件資源、供電電壓等,最終選擇了XC2S300E型號。
運(yùn)動控制技術(shù)上現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展中應(yīng)用的主要技術(shù),通過運(yùn)動控制技術(shù),有效的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的控制,提升工業(yè)生產(chǎn)的效率,促進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展。隨著運(yùn)動控制技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用了DSP和FPGA,在DSP和FPGA的基礎(chǔ)上設(shè)計了比較完善的運(yùn)動控制板卡,從而有效的提升了控制的結(jié)果。當(dāng)前的DSP和FPGA應(yīng)用的還不完善,還需要加大研究的力度。
[1]吳紅軍,皮佑國.基于DSP和FPGA的運(yùn)動控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2011,(02):75-77+82.
[2]石江華,魏世民,李金泉等.基于DSP與FPGA的四軸運(yùn)動控制器設(shè)計與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,(21):202-204+207.
[3]馬漢波,顏鋼鋒.基于DSP和FPGA的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,(03):34-36.