DSP+FPGA在高速高精運動控制器中的應用

　　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，然后采用離散PID控制算法調整，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： 

                 

　　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： 
          


　　μ( k )，μ( 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、比例調節(jié)作用的強度和效果。

　　3 小結 

　　在開放式數(shù)控系統(tǒng)中應用基于DSP+FPGA的運動控制卡，DSP承擔了CNC系統(tǒng)中實時性要求較高的模塊功能。利用DSP高速運算能力和實時信號處理能力，采用先進的Bs  
pline插補算法，使該DSP運動控制卡具有高速、高精度的性能，結合FPGA芯片的先進技術，使該運動控制卡的集成性、可靠性大大提高。本運動控制卡目前是基于ISA總線設計的，今后將考慮把該系統(tǒng)移植到PCI總線上，將能進一步提高系統(tǒng)的處理速度能力，適應更高要求。 

　　參考文獻 

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