DSP+FPGA在高速高精运动控制器中有哪些应用？

1755 FPGA 控制器

问答对人有帮助，内容完整，我也想知道答案 0 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。 0
2019-9-30 06:13:18　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × jerry1978 该类别下有 6 个回答。邀请回答唯安an 该类别下有 5 个回答。邀请回答 liese 该类别下有 4 个回答。邀请回答 h1654155957.9852 该类别下有 4 个回答。邀请回答 LY90186 该类别下有 4 个回答。邀请回答 hjh22678 该类别下有 4 个回答。邀请回答 vnwueurw 该类别下有 4 个回答。邀请回答 vtwterwer 该类别下有 4 个回答。邀请回答 ChristineGu 该类别下有 4 个回答。邀请回答 diaoshayu 该类别下有 4 个回答。邀请回答 bei232 该类别下有 4 个回答。邀请回答 nyvvhxcs 该类别下有 4 个回答。邀请回答周小舟1 该类别下有 4 个回答。邀请回答 jfuwre 该类别下有 3 个回答。邀请回答 fen556 该类别下有 3 个回答。邀请回答 04860860686 该类别下有 3 个回答。邀请回答 60user93 该类别下有 3 个回答。邀请回答 60user75 该类别下有 3 个回答。邀请回答 nvski 该类别下有 3 个回答。邀请回答 hu_wfllll1 该类别下有 3 个回答。邀请回答举报李淑兰相关推荐 • 基于DSP+FPGA的高速高精运动控制器应用 1717 • 基于DSP+FPGA的高速高精运动控制器应用设计 2369 • 如何利用DSP与FPGA设计运动控制器？ 2653 • 运动控制器是如何进行设计的？ 2333 • 基于DSP/FPGA及以太网控制器的运动控制器该怎么设计？ 3278 • 基于DSP/FPGA的以太网控制器的运动控制器该怎么设计？ 1705 • 请问怎样去设计一种运动控制器？ 962 • 基于DSP+FPGA的控制系统方案设计介绍 2619 • 什么是新一代DSP+FPGA高速数字信号处理方案？ 2679 • 运动控制器有哪些分类？ 6746 2个回答

答案对人有帮助，有参考价值 0 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，采用光栅尺对输入记数，16位并行高速DA输出，运动定位精度要求达到10nm，响应时间<100ns。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(<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、较大的录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。 1.2 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(Flexibl Logic Element Matrix)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。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ALTERA FLEX10K10，并且考虑到以后设计的连续性，我们可以无须更改硬件电路，就可以更换性能更高的、相同尺寸、相同管脚配置的ALTERA FLEX 10K20。 1.3 PC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。因为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/O CH RDY、I/OR、I/OW、ALE、数据线和地址线，结合起来就实现通信。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：≤1uS D/A转换综合误差：≤0.02﹪ FSR 电压输出方式负载能力：5mA/每路 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。外围存储电路如图3所示：

2019-9-30 14:59:28 评论举报陈小鸥

答案对人有帮助，有参考价值 0 2. 软件设计该运动控制卡应用时插在工控机的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。 2.1 B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,就可以构造出平滑的曲线。公式以坐标分量形式表示为： 2.2 PID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。公式如下： 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。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。参考文献： [1]TMS320C3x User's Guide, Texas Instruments, 2001 [2]TMS320C3x General-Purpose Applications, Texas Instruments, 2001 [3]孙家广. 计算机图形学. 清华大学出版社 [4]解旭辉. 超精机床数控系统与伺服控制技术研究[Ｄ]. 长沙:国防科技大学 1997 [5]来晓岚, 赵佳明, 卢焕章. DSP+FPGA实时信号处理系统, 电子技术应用 2002年7期 [6]胡育文, 陈宏, 顾毅康. 基于DSP的电机控制器设计中的几个问题. 中国自动化学会 1999 年10期 [7]潘日红, 潘日晶. 周期B样条曲线的快速递推升阶方法. 福建师范大学学报(自然科学版) 2001年04期 [8]刘金琨. 先进PID控制及其MATLAB仿真. 电子工业出版社 2003

2019-9-30 14:59:31 评论举报李丽波