何小宇

中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410000

基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制器是一個(gè)十分重要的裝置，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)行，對(duì)各個(gè)軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，從而實(shí)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(dòng)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(dòng)控制技術(shù)方案。

DSP；FPGA；運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

前言

在工業(yè)發(fā)展的過(guò)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(lài)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(guò)在制造業(yè)發(fā)展的過(guò)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(guò)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(duì)數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)用了DSP以及FPGA。

一、DSP和FPGA在運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用的意義

（一）DSP應(yīng)用的意義

DSP是指實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，數(shù)字信號(hào)處理器是其核心和標(biāo)志，在對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，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(lái)越高，不僅要具備非常好的運(yùn)行速度，同時(shí)還需要具備非常高的精度，運(yùn)動(dòng)控制的主要目的就是保證高精度以及高速度。在DSP中，對(duì)組總線(xiàn)的哈佛結(jié)構(gòu)是其所特有的，由此一來(lái)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，指令和速度同時(shí)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(dòng)控制中之后，可以顯著的提升控制的效果，滿(mǎn)足數(shù)控系統(tǒng)的控制要求，在運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)未來(lái)的發(fā)展中，DSP技術(shù)將成為必然的應(yīng)用趨勢(shì)。

（二）FPGA應(yīng)用的意義

FPGA是指現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)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(shí)，可以選擇外加，也可以選擇內(nèi)置，F(xiàn)PGA具備比較好的實(shí)時(shí)性，除了增加編程之外，器件功能的改變、現(xiàn)場(chǎng)編程、在線(xiàn)配置等都可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性，在進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)或者是小批量生產(chǎn)時(shí)，F(xiàn)PGA是最為適合的選擇[2]。在運(yùn)動(dòng)控制發(fā)展的過(guò)程中，電路規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，這使得電路設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)難度增加，為了很好地進(jìn)行設(shè)計(jì)，就需要進(jìn)行科學(xué)的硬件仿真，而硬件仿真則可以通過(guò)FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用FPGA之后，電路設(shè)計(jì)師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其邏輯和性能指標(biāo)的測(cè)試具備非常強(qiáng)的直觀性，提升了設(shè)計(jì)的科學(xué)性，增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)控制的效果。

二、基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)方案

（一）設(shè)計(jì)目標(biāo)

在運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)中，通過(guò)DSP和FPGA技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出完善的運(yùn)動(dòng)控制卡，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行有效地控制。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)時(shí)，主要的控制方式是對(duì)開(kāi)環(huán)或半閉環(huán)進(jìn)行控制。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，主控單元為運(yùn)動(dòng)控制卡，需要實(shí)現(xiàn)三大功能，一是將主機(jī)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行全面的接收，同時(shí)，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(kāi)運(yùn)動(dòng)控制工作，控制的對(duì)象為4軸電機(jī)；三是在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，與其有關(guān)聯(lián)的信號(hào)主要兩種，一種為外部I/O信號(hào)，另一種為通用I/O信號(hào)，在對(duì)著兩種信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，采用并行處理的辦法。

（二）總體結(jié)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)控制卡是在DSP和FPGA的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而DSP和FPGA以芯片的方式應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)控制卡中[3]。為了實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，F(xiàn)lash和SRAM設(shè)置在DSP的周?chē)?，?shù)量為多個(gè)，在每?jī)蓚€(gè)Flash和SRAM之間，片選信號(hào)CS是共用的，這樣一來(lái)，在進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，數(shù)據(jù)總線(xiàn)為高低雙字32位，顯著的提升了訪問(wèn)的速度。在對(duì)下載的程序進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)，通過(guò)在FPGA處配置EPROM來(lái)實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行DSP和FPGA器件選擇時(shí)，要保證能耗比較低，同時(shí)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(xiàn)的數(shù)量為32根，地址總線(xiàn)的數(shù)量為24根，在最高位置處，地址總線(xiàn)有2根，據(jù)此，將DSP地址空間劃分為四頁(yè)。在進(jìn)行譯碼電路的實(shí)現(xiàn)時(shí)，使用了FPGA，在其內(nèi)部來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于每個(gè)軸來(lái)說(shuō)，與單獨(dú)用于運(yùn)動(dòng)控制功能的專(zhuān)用控制電路是比較相似的，選擇的定時(shí)器為32位計(jì)數(shù)器，在進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行。在進(jìn)行模擬通道時(shí)，總共有四路，每路所具備的功能都是一致的，在對(duì)模擬輸出信號(hào)進(jìn)行控制，單獨(dú)一路就可以實(shí)現(xiàn)。

（四）板卡芯片型號(hào)的選擇

運(yùn)動(dòng)控制板卡中的芯片為DSP和FPGA，在進(jìn)行DSP型號(hào)選擇時(shí)，需要考慮多個(gè)方面的因素，比如信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性、信號(hào)處理的速度、高運(yùn)算精度、開(kāi)發(fā)成本等，最終確定選擇的DSP為T(mén)MS320VC33型號(hào)；而在選擇FPGA型號(hào)時(shí)，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(hào)。

結(jié)論

運(yùn)動(dòng)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(guò)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，有效的實(shí)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(dòng)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(jì)了比較完善的運(yùn)動(dòng)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(guó).基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)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(dòng)控制器設(shè)計(jì)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(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013,(03):34-36.