基于DSP與FPGA的運動控制器的軟硬件設(shè)計方案分析

運動控制技術(shù)是數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)水平的高低將直接影響一個國家裝備制造業(yè)的發(fā)展水平。目前，多軸伺服控制器越來越多地運用在運動控制系統(tǒng)中，具有較高的集成度和靈活性，可實時完成運動控制過程中復(fù)雜的邏輯處理和控制算法，能實現(xiàn)多軸高速高精度的伺服控制。本文選用DSP與FPGA作為運動控制器的核心部件，設(shè)計了通用型運動控制器。其中DSP用于運動軌跡規(guī)劃、速度控制及位置控制等功能；FPGA完成運動控制器的精插補功能，用于精確計算步進電機或伺服驅(qū)動元件的控制脈沖，同時接收并處理脈沖型位置反饋信號。本文對該運動控制器的總體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計進行了描述。
　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計
　　運動控制器的總體性能指標為：作為一個單獨的運動控制器使用，控制信號采用數(shù)字量方式輸出，能控制四軸的伺服電機；最高脈沖輸出頻率為4MP/s，能處理的編碼器反饋信號最高頻率為4MP/s；能接收和處理4路編碼器反饋信號；可以處理原點信號、正負方向信號、到位信號以及急停信號等數(shù)字量輸入信號；提供16路數(shù)字量輸出信號和16路數(shù)字量輸入信號接口。運動控制器采用DSP與FPGA芯片作為主控芯片，主要包括DSP模塊、FPGA模塊、FPGA外圍電路模塊和數(shù)字量輸入輸出接口模塊。
　　采用基于DSP與FPGA的運動控制器，能夠?qū)崟r完成復(fù)雜的軌跡運算，而且利用DSP的高速數(shù)字信號處理功能和FPGA功耗低、主頻高的優(yōu)點，能充分顯示該運動控制器的優(yōu)點。采用DSP與FPGA相結(jié)合的運動控制器可以方便地對系統(tǒng)的控制策略進行修改，對控制參數(shù)進行修正，并可使設(shè)備具有良好的可靠性、可維修性，而且還降低了成本。系統(tǒng)還可以采用更多的智能控制策略，結(jié)構(gòu)靈活，有較強的通用性，適合于模塊化設(shè)計，能夠提高算法效率，且易于維護和擴展?？傮w設(shè)計方案原理框圖如圖1所示。
　　
　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　2.1 DSP模塊
　　本控制器采用TI公司的TMS320F2812為主控芯片，它是32位的控制專用DSP，內(nèi)含F(xiàn)LASH，主頻高達150 MHz，具有數(shù)字信號處理、事件管理和嵌入式控制功能，適用于大批量數(shù)據(jù)處理的場合。
　　選用TI公司生產(chǎn)的TPS767D318芯片來實現(xiàn)TMS320F2812的電源設(shè)計，將5 V電源分別轉(zhuǎn)換為3.3 V和1.8 V。SRAM是DSP常用的外圍存儲器，它具有接口簡單、讀寫速度快等優(yōu)點，所以選擇大小為64 KB的隨機存儲器CY7C1021作為存儲器擴展芯片。DSP F2812與CY7C1021接口電路如圖2所示。