DSP+FPGA在高速高精運(yùn)動(dòng)控制器中的應(yīng)用

　　1.5 存儲(chǔ)模塊 

　　存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)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(chǔ)電路如圖3所示。 

       2 軟件設(shè)計(jì) 

　　該運(yùn)動(dòng)控制卡應(yīng)用時(shí)插在工控機(jī)的ISA槽上，與上位機(jī)配合工作。首先在上位NC機(jī)輸入加工曲線，由上位機(jī)做粗插補(bǔ)，然后把數(shù)據(jù)通過ISA接口傳遞給控制卡?？刂瓶▽邮盏降臄?shù)據(jù)再做細(xì)插補(bǔ)——采用三次B樣條插值,然后發(fā)送給DA，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。DSP通過FPGA進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，讀出直線電機(jī)光柵尺的反饋信息，然后采用離散PID控制算法調(diào)整，以便于電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的最優(yōu)化。 

　　運(yùn)動(dòng)控制算法的核心是先用B樣條插值法把目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)一步細(xì)化，使運(yùn)動(dòng)曲線更平滑，然后在運(yùn)動(dòng)過程中采用PID算法進(jìn)行調(diào)整，最終達(dá)到高速高精的設(shè)計(jì)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(jìn)的CAD/CAM系統(tǒng)都采用了B樣條曲線。其特點(diǎn)是，可用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)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(chǔ)，程序量可以大大減少；非均勻B樣條曲線定義中的權(quán)因子使外形設(shè)計(jì)更加靈活方便，設(shè)計(jì)人員通過調(diào)整具有直觀幾何意義的點(diǎn)、線、面元素即可達(dá)到預(yù)期的效果。 

　　本系統(tǒng)采用三次B樣條曲線作為精插補(bǔ)算法，該算法應(yīng)用在控制卡中可以得到比較滿意的效果。計(jì)算過程中只需要相鄰4個(gè)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù),(x0,y0)，(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，就可以構(gòu)造出平滑的曲線。 

　　公式以坐標(biāo)分量形式表示為： 

                 

　　2.2 PID控制

　　在控制領(lǐng)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(jì)、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(chǔ)空間有限，算法的存儲(chǔ)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(yùn)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(dǎo)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(yùn)算速度，有很強(qiáng)實(shí)用價(jià)值。 

　　公式如下： 
          


　　μ( k )，μ( k-1 )分別是k和k-1時(shí)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(shí)刻的偏差值，在系統(tǒng)中體現(xiàn)為該時(shí)刻實(shí)際位置與目標(biāo)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(diào)節(jié)作用的強(qiáng)度和效果。

　　3 小結(jié) 

　　在開放式數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用基于DSP+FPGA的運(yùn)動(dòng)控制卡，DSP承擔(dān)了CNC系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性要求較高的模塊功能。利用DSP高速運(yùn)算能力和實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力，采用先進(jìn)的Bs  
pline插補(bǔ)算法，使該DSP運(yùn)動(dòng)控制卡具有高速、高精度的性能，結(jié)合FPGA芯片的先進(jìn)技術(shù)，使該運(yùn)動(dòng)控制卡的集成性、可靠性大大提高。本運(yùn)動(dòng)控制卡目前是基于ISA總線設(shè)計(jì)的，今后將考慮把該系統(tǒng)移植到PCI總線上，將能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的處理速度能力，適應(yīng)更高要求。 

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