发表于：2009/3/27 19:12:13
#0楼
dsp+fpga[/b]在高速高精运动控制器中的应用[/b]
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
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电机
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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
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电机
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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。
高速直线电机是本系统的控制对象，它具有加速快（a>10g），运动速度高（v>300mm/s）的特点。要求控制系统有足够短的响应时间（）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。
1.1dsp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tms320c32dsp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。
1.2fpga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。
alteraflex（flexiblelogicelementmatrix）10k系列fpga，规模从一万门到十万门,可提供720～5392个触发器及6144～24576位ram,提供30ns、40ns及50ns等几个速率等级，可适应18～105mhz的信号处理速率。alteraflex10k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出端口，如低噪声端口、高速端口等。
flex10k系列芯片是altera公司新近推出的pld产品。与altera公司先前推出的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alteraflex10k10，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alteraflex10k20。
1.3pc通信接口模块
该模块选用16位的isa总线与pc相连，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：i/ochrdy、i/or、i/ow、ale、数据线和地址线，结合起来实现通信。
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a2～a9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。
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
输出模块采用模拟输出，经外部放大驱动电机的方案。d/a转换芯片选择dac7744。
dac7744是高性能的4通道16位高速d/a，主要特点如下：
●输出通道：独立4路
●输出信号范围：0～5v；0～10v；±5v；±10v●输出阻抗：≤2ω
●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：≤1μs
●d/a转换综合误差：≤0.02%fsr
●电压输出方式负载能力：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sram（2片cy7c1021）和flash（am29f400b）组成。外围存储电路。
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2、软件设计
该运动控制卡应用时插在
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工控机
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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，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——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，读出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。
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2.1b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,y0），（x1,y1），（x2,y2），（x3,y3），就可以构造出平滑的曲线。
2.2pid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的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，就能够推导出下一次的输出量，节省了大量的数据空间，提高了运算速度，有很强实用价值。
μ（k），μ（k-1）分别是k和k-1时刻的输出量，在系统中体现为da的输出量。
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的运动控制卡，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bspline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，使该运动控制卡的集成性、可靠性大大提高。本运动控制卡目前是基于isa总线设计的，今后将考虑把该系统移植到pci总线上，将能进一步提高系统的处理速度能力，适应更高要求。
ge系列点位运动控制器是固高科技自主研发的经济型点位运动控制器，包括ge-x00-pv、ge-x00-pg等几种型号。它主要应用在高速高精度点位运动领域，具有良好的位置速度规划曲线，可实现高速运行和快速准确定位。在pcb钻铣床、表贴机、邦定机等点位控制设备上得到了广泛应用。
技术特点
采用高性能dsp和fpga 技术。
每块卡可控制1~8个伺服/步进轴，同时进行1~8轴点位运动控制 。
模拟量输出模式下，可编程伺服采样周期，最小可调整为200微秒，最大可调整为2毫秒（默认伺服周期为400微秒）；若任何一个轴为脉冲输出模式，伺服周期固定为400微秒。
运动方式：单轴点位运动、速度控制。
可编程梯形曲线规划和s曲线规划，在线刷新运动控制参数。
所有计算参数和轨迹规划参数均为32位。
可编程禁止或使能驱动报警信号和限位信号监测。
限位触发时自动急停触发轴的运动，驱动报警触发时关闭轴伺服使能。
可设置跟随误差极限、控制输出极限等，保证控制安全可靠。
pid（比例-积分-微分）数字滤波器，带速度和加速度前馈，带积分限值、偏差补偿和低通滤波器。
可编程设置home信号的触发沿，硬件捕获home信号和编码器index信号，实现高精度机器原点位置锁存,具有良好的重复定位精度。
网络接口（以太网、profibus-dp、rs232、rs422/485）(选件)。
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