基于DSP和FPGA的大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)

2 DSP的軟件設(shè)計(jì)

2.1 加減速區(qū)的分析及計(jì)算

在待機(jī)階段，DSP將從計(jì)算機(jī)取得原始數(shù)據(jù)。在加工階段，DSP將對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并合理分配加、減速區(qū)域。圖2為加、減速區(qū)示意圖。加減速區(qū)是用多段幅值較小的速度變化代替一次較大的速度變化。對(duì)于大尺寸或高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，電機(jī)的加、減速過(guò)程必不可少。由原理可知，兩圖所圍面積大小相等，即工作頭移動(dòng)距離相等。

在以往的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法的設(shè)計(jì)中，大多采用簡(jiǎn)單的二次曲線進(jìn)行速度擬合。此種擬合方式雖然簡(jiǎn)單，但在大型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上并不能夠充分考慮到機(jī)械部件間的靜摩擦力和旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素，其運(yùn)行效果并不理想。

本系統(tǒng)在加、減速區(qū)的計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)將速度和加速時(shí)間的關(guān)系與“S”形曲線進(jìn)行擬合來(lái)得到加速區(qū)速度，通過(guò)將速度和減速時(shí)間的關(guān)系與反“S”形曲線進(jìn)行擬合得到減速區(qū)速度。圖3為加、減速區(qū)速度-時(shí)間擬合曲線，曲線的斜率代表工作頭移動(dòng)的加速度。從圖3可見(jiàn)，加、減速區(qū)所使用的擬合曲線并不相同，減速區(qū)曲線更為“陡峭”。這是由于減速過(guò)程中受機(jī)械系統(tǒng)摩擦力等因素的影響，電機(jī)負(fù)荷較小，可以承受更快的減速過(guò)程。使用“S”形曲線進(jìn)行擬合的優(yōu)點(diǎn)主要有：

(1)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到行進(jìn)狀態(tài)的過(guò)程中，由于各機(jī)械部件之間存在靜摩擦力，可使電機(jī)較為平緩地啟動(dòng)，避免了撞擊或丟步現(xiàn)象的發(fā)生。

(2)電機(jī)進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行階段時(shí)，可以使用較大的加速度進(jìn)行速度提升。但是，隨著速度的增加，電機(jī)的剩余功率將不斷減小，此時(shí)應(yīng)不斷減緩加速進(jìn)程。

(3)電機(jī)從行進(jìn)狀態(tài)過(guò)渡到靜止?fàn)顟B(tài)的減速過(guò)程中，此種擬合方法可以使電機(jī)平穩(wěn)過(guò)渡，避免發(fā)生撞擊。

2.2 復(fù)雜圖形的分析

在一幅復(fù)雜圖形中往往存在很多不連續(xù)、不規(guī)則的矢量，如果每條矢量的末尾都減速到零，勢(shì)必會(huì)影響加工速度。所以，在分析此類圖形時(shí)要連帶分析當(dāng)前矢量的前、后圖形情況，計(jì)算出各矢量的夾角以確定加工此矢量的初始速度及終止速度。表1為工作頭進(jìn)行不同角度轉(zhuǎn)彎時(shí)的極限速度。