1、作者： 武漢理工大學智能信息系統(tǒng)研究所 朱顯新 黃濤 鄧啟輝 盧珞先 來源：今日電子  DSP+FPGA在高速高精運動控制器中的應用 摘 要 ：數(shù)字信號處理器具有高效的數(shù)值運算能力,并能提供良好的開發(fā)環(huán)境，而可編程邏輯器件具有高度靈活的可配置性。本文描述了通過采用TMS320C32浮點DSP和可編程邏輯器件（FPGA）的組合運用來構成高速高精運動控制器， 該系統(tǒng)通過B樣條插值算法對運動曲線進行平滑處理以及運用離散PID算法對運動過程加以控制。關鍵詞 ：運動控制； DSP； FPGA； B樣條插值； PID 運動控制卡已經(jīng)在數(shù)控機床、工業(yè)機器人、醫(yī)用設備、繪圖儀、IC電路制造設備、IC

2、封裝等領域得到了廣泛運用，取得了良好的效果。目前運動控制卡大部分采用8051系列的8位單片機，雖然節(jié)省了開發(fā)周期但缺乏靈活性，難以勝任高要求運作環(huán)境，而且運算能力有限。 - DSP的數(shù)據(jù)運算處理功能強大，即使在很復雜的控制中，采樣周期也可以取得很小，控制效果更接近于連續(xù)系統(tǒng)。把DSP與PC的各自優(yōu)勢結合將是高性能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本運動控制器采用TI公司的高性能浮點DSP作為主控芯片，通過ISA接口與PC協(xié)調(diào)并進行數(shù)據(jù)交換，以PC計算機作為基本平臺，以DSP高速運動控制卡作細插補、伺服控制的核心，對直線電機的運動進行控制，取得了良好的實際應用效果。 1 高速高精運動控制卡的主要硬件構成 -

3、本運動控制系統(tǒng)的任務是控制直線電機的運動，要求4軸輸入和4軸輸出，采用光柵尺對輸入計數(shù)，16位并行高速DA輸出，運動定位精度要求達到10nm，響應時間<100ns。 - 高速直線電機是本系統(tǒng)的控制對象，它具有加速快(a>10g)，運動速度高(v>300mm/s)的特點。要求控制系統(tǒng)有足夠短的響應時間(<100ns)和足夠高的定位精度(10nm級)，因而系統(tǒng)的核心CPU的處理能力及運算能力必須滿足高速要求；此外，直線電機運動定位的核心是高精度的反饋控制裝置。直線電機的反饋控制裝置是光柵尺和高精度脈沖計數(shù)器，光柵尺發(fā)出與運動距離成線性關系的脈沖數(shù)，脈沖計數(shù)器的計數(shù)值表示直線

4、電機當前的運動位置。經(jīng)計算，計數(shù)長度為28位的計數(shù)器才能滿足定位的精度要求，同時計數(shù)頻率很高。一般的通用計數(shù)器參數(shù)無法達到，所以設計一個特殊計數(shù)器是必要的。為了方便設置目標點的運動參數(shù)，使運動控制卡具有比較好的人機交互功能，系統(tǒng)必須具有與PC機通信的功能。 - 綜合考慮上述要求，系統(tǒng)的設計采用DSP+FPGA的形式，由DSP主控芯片作為中央處理模塊，F(xiàn)PGA作為反饋計數(shù)模塊且負責板上的部分邏輯譯碼工作，PC通信接口模塊采用雙口RAM，輸出模塊用D/A轉換器實現(xiàn),如圖1所示。 1.1 DSP模塊 - 基于DSP的運動控制系統(tǒng)一般采用TI公司的TMS320C24x系列芯片，但24x系列是16位定點

5、處理器，運算能力有限。不能滿足本系統(tǒng)規(guī)劃的高速高精要求，為此，我們選用了TI公司的TMS320C32 DSP作為主控芯片。 - TMS320C3X系列芯片是美國TI公司推出的第一代浮點DSP芯片，具有豐富的指令集、很高的運算速度、較大的尋址空間和較高的性價比，在各領域得到了廣泛的應用。TMS320C32是TMS320系列浮點數(shù)字信號處理器的新產(chǎn)品，在TMS320C30和TMS320C31的基礎上進行了簡化和改進。在結構上的改進主要包括可變寬度的存儲器接口、更快速的指令周期時間、可設置優(yōu)先級的雙通道DMA處理器、靈活的引導程序裝入方式、可重新定位的中斷向量表以及可選的邊緣/電平觸發(fā)中斷方式等。

6、- 對TMS320C32的開發(fā)可以用匯編語言，也可以用C語言。使用匯編語言的優(yōu)點在于運行速度快、可以充分利用芯片的硬件特性，但開發(fā)速度較慢，程序的可讀性差；而C語言的優(yōu)勢在于編程容易、調(diào)試快速、可讀性好，可以大大縮短開發(fā)周期，但C語言對于其片內(nèi)的沒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模塊 - 該部分主要功能為一個4通道的針對光柵尺的脈沖計數(shù)器，此外，還承擔部分地址譯碼的工作。但由于脈沖計數(shù)頻率高，計數(shù)量大，所以必須選擇高容量、高性能的可編程邏輯器件。 - ALTERA FLEX(Flexible Logic Element Matrix)10K

7、系列FPGA，規(guī)模從一萬門到十萬門,可提供7205392個觸發(fā)器及614424576位RAM,提供30ns、40ns及50ns等幾個速率等級，可適應18105MHz的信號處理速率。ALTERA FLEX10K系列FPGA主要由輸入輸出單元IOE、掩埋陣列EAB、邏輯陣列LAB及內(nèi)部連線組成。EAB是在輸入和輸出端口加有寄存器的RAM塊,其容量可靈活變化。所以,EAB不僅可以用于存儲器,還可以事先寫入查表值來用它構成如乘法器、糾錯邏輯等電路。當用于RAM時,EAB可配制成多種形式的字寬和容量。 - LAB主要用于邏輯電路設計,一個LAB包括8個邏輯單元LE,每一個LAB提供4個控制信號及其反相信

8、號,其中兩個可用于時鐘信號。每一個LE包括組合邏輯及一個可編程觸發(fā)器。觸發(fā)器可被配成D,T,JK,RS等各種形式。IOE提供全局的時鐘及清零信號輸入端口,還提供具有可編程性的各種輸入輸出端口，如低噪聲端口、高速端口等。 - FLEX10K系列芯片是ALTERA公司新近推出的PLD產(chǎn)品。與ALTERA公司先前推出的MAX7000系列EPLD相比，F(xiàn)LEX10K(以下簡稱10K)系列具有更加豐富的內(nèi)部資源(最多可達10萬門)，更加充裕的可配置的I/O管腳(最多達406條)。再加上其低廉的價格，使得10K系列芯片受到越來越多用戶的歡迎。 - 基于以上原因，我們在本方案中采用ALTERA FLEX10

9、K10，并且考慮到以后設計的連續(xù)性，我們可以無需更改硬件電路，就可以更換性能更高的、相同尺寸、相同管腳配置的ALTERA FLEX10K20。1.3 PC通信接口模塊 - 該模塊選用16位的ISA總線與PC相連，CY7C133雙口RAM用作數(shù)據(jù)緩沖。 - ISA總線的使用十分靈活、方便，而且I/O操作比較簡單。雖然ISA總線的引腳多但并不是都要用到的，關鍵是幾個固定引腳的應用，例如：I/O CH RDY、I/OR、I/OW、ALE、數(shù)據(jù)線和地址線，結合起來實現(xiàn)通信。  - 在本系統(tǒng)中，雙口RAM的 PC端地址線并沒有直接采用ISA過來的地址線，而是由FPGA內(nèi)部地址計數(shù)器給定。這是因

10、為，ISA總線上大部分地址都已經(jīng)被PC系統(tǒng)分配好，直接把2K的雙口RAM數(shù)據(jù)空間映射到ISA總線上并不現(xiàn)實；而且控制系統(tǒng)與PC交換的數(shù)據(jù)基本上是一系列加工點的坐標參數(shù)，采用順序訪問對性能沒有影響。因此采用地址計數(shù)器方式的順序訪問，完全能夠達到設計的要求。 - 具體做法是：ISA地址線的A2A9接到地址比較器74LS688，與設定好的地址作比較，74LS688的片選信號由ISA的IOR和IOW的“與”提供（IOR和IOW在ISA總線訪問端口時低有效），A0，A1接到FPGA，用于選擇FPGA內(nèi)部4個功能不同的寄存器。ISA的ALE用于觸發(fā)FPGA 內(nèi)部邏輯功能，鎖存ISA總線過來的信號，如圖2所

11、示。 - 當訪問地址清零寄存器時，地址計數(shù)值清零；當訪問地址增加寄存器時，地址計數(shù)值增加“1”。如此類推，訪問不同的寄存器就對地址計數(shù)值完成不同的操作，把地址計數(shù)值直接作為地址送給雙口RAM，就可以實現(xiàn)ISA總線訪問雙口RAM了。 1.4 輸出模塊 - 輸出模塊采用模擬輸出，經(jīng)外部放大驅動電機的方案。D/A轉換芯片選擇DAC7744。 - DAC7744是高性能的4通道16位高速D/A，主要特點如下： 輸出通道：獨立4 路 輸出信號范圍：05V；010V；±5V；±10V 輸出阻抗：2 D/A轉換器件：DAC7744 D/A轉換分辨率：16位 D/A轉換碼制：二進制原碼（單

12、極性） 二進制偏移碼（雙極性） D/A轉換時間：1s D/A轉換綜合誤差：0.02% FSR 電壓輸出方式負載能力：5mA/路 1.5 存儲模塊 - 存儲模塊用于存儲系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)，主要由SRAM(2片CY7C1021)和FLASH（AM29F400B）組成。外圍存儲電路如圖3所示。 2 軟件設計 - 該運動控制卡應用時插在工控機的ISA槽上，與上位機配合工作。首先在上位NC機輸入加工曲線，由上位機做粗插補，然后把數(shù)據(jù)通過ISA接口傳遞給控制卡。控制卡對接收到的數(shù)據(jù)再做細插補采用三次B樣條插值,然后發(fā)送給DA，驅動電機運動。DSP通過FPGA進行脈沖計數(shù)，讀出直線電機光柵尺的反饋信息，然后采用

13、離散PID控制算法調(diào)整，以便于電機運動控制的最優(yōu)化。 - 運動控制算法的核心是先用B樣條插值法把目標點進一步細化，使運動曲線更平滑，然后在運動過程中采用PID算法進行調(diào)整，最終達到高速高精的設計要求，圖3給出了系統(tǒng)軟件流程圖。 2.1 B樣條插值 - 目前許多先進的CAD/CAM系統(tǒng)都采用了B樣條曲線。其特點是，可用統(tǒng)一的數(shù)學形式精確表示分析曲線（如直線，圓錐曲線等）和自由曲線（如均勻B樣條曲線等），因而便于用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理、存儲，程序量可以大大減少；非均勻B樣條曲線定義中的權因子使外形設計更加靈活方便，設計人員通過調(diào)整具有直觀幾何意義的點、線、面元素即可達到預期的效果。 - 本系統(tǒng)采用三次

14、B樣條曲線作為精插補算法，該算法應用在控制卡中可以得到比較滿意的效果。計算過程中只需要相鄰4個點的位置數(shù)據(jù),(x0,y0)，(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，就可以構造出平滑的曲線。 - 公式以坐標分量形式表示為： (0t1) 2.2 PID控制- 在控制領域中，PID控制算法是一種常用的算法，PID是比例、積分、微分的縮寫。PID的合理的參數(shù)估計、比較，可以通過MATLAB的傳遞函數(shù)模型仿真來得到。 - 由于該系統(tǒng)是數(shù)字系統(tǒng)，采用的都是數(shù)字量，所以必須把PID算法離散化才能使用。又由于系統(tǒng)的存儲空間有限，算法的存儲空間開銷不能太大，所以采用了離散化的增量式PID算法。該算法在運算過程中只需要保留最近3次的誤差數(shù)據(jù)，就能夠推導出下一次的輸出量，節(jié)省了大量的數(shù)據(jù)空間，提高了運算速度，有很強實用價值。 公式如下： - ( k )，( k-1 )分別是k和k-1時刻的輸出量，在系統(tǒng)中體現(xiàn)為DA的輸出量。 - e( k )，e( k-1 )，e( k-2 )分別是k，k-1，k-2 時刻的偏差值，在系統(tǒng)中體現(xiàn)為該時刻實際位置與目標位置的偏差。 - T，Td，Ti，Kp是PID公式的常量，不同的數(shù)值代表著PID系統(tǒng)的微分、積分