基于DSP和FPGA的運動控制技術的研究

何小宇

中南大學信息科學與工程學院 湖南長沙 410000

基于DSP和FPGA的運動控制技術的研究

何小宇

中南大學信息科學與工程學院 湖南長沙 410000

隨著工業的發展，制造技術也不斷的完善，逐漸的向著集成化、智能化以及綜合化的方向發展，在開放式數控系統中，運動控制器是一個十分重要的裝置，通過運動控制器的運行，對各個軸電機的運動進行控制，從而實現數控加工，提升定位控制的精度，增強速度調節的性能。在本文中，首先闡述了運動控制中應用DSP和FPGA的意義，并分析了基于DSP和FPGA的運動控制技術方案。

DSP；FPGA；運動控制技術

前言

在工業發展的過程中，制造業起著基礎性的作用，制造業的發展依賴于制造技術，傳統的制造業中，代表性的為傳統機電工業，不過在制造業發展的過程中，傳統機電工業也發生了巨大的變化，產品結構和生產系統結構都發生了深刻的變革，在變化的過程中，應用了先進的制造技術，這其中就包含數控技術，在對數控技術進行控制時，應用了DSP以及FPGA。

一、DSP和FPGA在運動控制中應用的意義

（一）DSP應用的意義

DSP是指實時數字信號處理技術，數字信號處理器是其核心和標志，在對數字信號進行處理時，精度高、靈活性強、可靠性高[1]。隨著現代制造技術的發展，數控系統所面臨的要求越來越高，不僅要具備非常好的運行速度，同時還需要具備非常高的精度，運動控制的主要目的就是保證高精度以及高速度。在DSP中，對組總線的哈佛結構是其所特有的，由此一來，在進行數據處理時，指令和速度同時進行，從而顯著的提升了處理的速度，將DSP技術應用到運動控制中之后，可以顯著的提升控制的效果，滿足數控系統的控制要求，在運動控制技術未來的發展中，DSP技術將成為必然的應用趨勢。

（二）FPGA應用的意義

FPGA是指現場可編程邏輯門列陣，是一種可編程的ASIC，當需要進行RAM、EPROM編程的增加時，可以選擇外加，也可以選擇內置，FPGA具備比較好的實時性，除了增加編程之外，器件功能的改變、現場編程、在線配置等都可以實現實時性，在進行科學實驗或者是小批量生產時，FPGA是最為適合的選擇[2]。在運動控制發展的過程中，電路規模不斷地擴大，這使得電路設計師的設計難度增加，為了很好地進行設計，就需要進行科學的硬件仿真，而硬件仿真則可以通過FPGA來實現，應用FPGA之后，電路設計師在進行設計時，其邏輯和性能指標的測試具備非常強的直觀性，提升了設計的科學性，增強了運動控制的效果。

二、基于DSP和FPGA的運動控制技術方案

（一）設計目標

在運動控制技術中，通過DSP和FPGA技術的應用，設計出完善的運動控制卡，對數控系統進行有效地控制。在進行運動控制卡設計時，主要的控制方式是對開環或半閉環進行控制。在整個運動系統中，主控單元為運動控制卡，需要實現三大功能，一是將主機發出的運動指令進行全面的接收，同時，將運行的狀態反饋給主機；二是在接收到相應的指令之后，展開運動控制工作，控制的對象為4軸電機；三是在運動的過程中，與其有關聯的信號主要兩種，一種為外部I/O信號，另一種為通用I/O信號，在對著兩種信號進行處理時，采用并行處理的辦法。

（二）總體結構

運動控制卡是在DSP和FPGA的基礎上來進行設計的，而DSP和FPGA以芯片的方式應用到運動控制卡中[3]。為了實現程序和數據的存儲，Flash和SRAM設置在DSP的周圍，數量為多個，在每兩個Flash和SRAM之間，片選信號CS是共用的，這樣一來，在進行讀寫時，數據總線為高低雙字32位，顯著的提升了訪問的速度。在對下載的程序進行存儲時，通過在FPGA處配置EPROM來實現。在進行DSP和FPGA器件選擇時，要保證能耗比較低，同時電壓也要比較低。

（三）板卡地址空間的分配

在DSP中，數據總線的數量為32根，地址總線的數量為24根，在最高位置處，地址總線有2根，據此，將DSP地址空間劃分為四頁。在進行譯碼電路的實現時，使用了FPGA，在其內部來實現，對于每個軸來說，與單獨用于運動控制功能的專用控制電路是比較相似的，選擇的定時器為32位計數器，在進行計數時，實現對系統時鐘來進行。在進行模擬通道時，總共有四路，每路所具備的功能都是一致的，在對模擬輸出信號進行控制，單獨一路就可以實現。

（四）板卡芯片型號的選擇

運動控制板卡中的芯片為DSP和FPGA，在進行DSP型號選擇時，需要考慮多個方面的因素，比如信號處理的實時性、信號處理的速度、高運算精度、開發成本等，最終確定選擇的DSP為TMS320VC33型號；而在選擇FPGA型號時，綜合考慮的因素包含器件資源、供電電壓等，最終選擇了XC2S300E型號。

結論

運動控制技術上現代制造業發展中應用的主要技術，通過運動控制技術，有效的實現數控系統的控制，提升工業生產的效率，促進制造業的發展。隨著運動控制技術的發展，應用了DSP和FPGA，在DSP和FPGA的基礎上設計了比較完善的運動控制板卡，從而有效的提升了控制的結果。當前的DSP和FPGA應用的還不完善，還需要加大研究的力度。

[1]吳紅軍,皮佑國.基于DSP和FPGA的運動控制器的設計與實現[J].組合機床與自動化加工技術,2011,(02):75-77+82.

[2]石江華，魏世民,李金泉等.基于DSP與FPGA的四軸運動控制器設計與研究[J].現代電子技術,2011,(21):202-204+207.

[3]馬漢波,顏鋼鋒.基于DSP和FPGA的多軸運動控制系統設計[J].電子技術應用，2013,(03):34-36.