基于DSP和FPGA的激光數控加工系統的設計

康凱

基于DSP和FPGA的激光數控加工系統的設計

康凱

（中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所 河南洛陽 471000）

本文設計了以DSP、FPGA和單片機為核心的數控系統。通過對以DSP和FPGA為核心的加工控制部分的軟、硬件進行優化，該系統達到了設計目標并取得了令人滿意的加工效果，采用現場可編程門陣列（FPGA）作為加工數據的執行器件，較好的解決了MCU或DSP系統處理的帶寬限制，用戶系統軟件及運動控制軟件混雜性的問題。

DSP；FPGA；激光；數控加工

本系統使用數字信號處理器DSP完成復雜的圖形分析計算，這樣既可以對復雜圖形做出全面的分析又不會喪失系統性能，還在FPGA內部采用了雙存儲器交替加工的結構，從根本上消除了相鄰數據間的加工停頓。

1 系統設計

激光加工系統主要是以切割、雕刻等工藝完成對金屬、非金屬的加工。切割是指系統在控制工作頭做矢量運動的同時，配合激光在被加工物體上切割出不同的線條；雕刻是指系統控制激光頭在一定區域內進行往復掃描，以類似打印機的方式在被加工物體上刻出深淺不一的圖案。本系統采用由計算機獲得圖形并傳輸至下位機，由下位機保存圖形并脫機加工的結構。在數據傳輸階段，加工數據由計算機通過以太網或并口，以圖名、圖號為標志傳入DSP（TMS320VC33），DSP將數據按協議解析后存入HK9F1G08U0A存儲器。在脫機加工階段，DSP將數據從FLASH存儲器重新讀出并進行處理、計算，并將最終的加工數據輸入EP1C6T144C8內部的加工模塊，控制FPGA輸出加工信號。在系統運轉的整個過程中，DSP還要通過建于FPGA內部的通訊模塊和單片機交換數據，獲取有關人機界面和諸如限位開關、激光器散熱水泵等保護器件的工作狀態。加工信號預處理電路主要由數模轉換器和光電隔離器組成。它負責將FPGA輸出的加工信號進行處理后驅動步進電機和激光器。

2 DSP的軟件設計

在待機階段，DSP將從計算機取得原始數據。在加工階段，DSP將對這些數據進行分析并合理分配加、減速區域。加減速區是用多段幅值較小的速度變化代替一次較大的速度變化。對于大尺寸或高速運動平臺來說，電機的加、減速過程必不可少。在以往的步進電機驅動算法的設計中，大多采用簡單的二次曲線進行速度擬合。此種擬合方式雖然簡單，但在大型運動平臺上并不能夠充分考慮到機械部件間的靜摩擦力和旋轉部件的轉動慣量等因素，其運行效果并不理想。在加、減速區的計算過程中，通過將速度和加速時間的關系與曲線進行擬合來得到加速區速度，通過將速度和減速時間的關系與反形曲線進行擬合得到減速區速度。加、減速區所使用的擬合曲線并不相同，減速區曲線斜率更大。這是由于減速過程中受機械系統摩擦力等因素的影響，電機負荷較小，可以承受更快的減速過程。使用曲線進行擬合的優點主要有，電機從靜止狀態過渡到行進狀態的過程中，由于各機械部件之間存在靜摩擦力，可使電機較為平緩地啟動，避免了撞擊或丟步現象的發生。電機進入平穩運行階段時，可以使用較大的加速度進行速度提升。隨著速度的增加，電機的剩余功率將不斷減小，此時應不斷減緩加速進程。電機從行進狀態過渡到靜止狀態的減速過程中，此種擬合方法可以使電機平穩過渡，避免發生撞擊。

3 FPGA的內部邏輯設計

從DSP的角度看，FPGA加工模塊類似于一個存儲器，DSP只需將計算結果寫入此存儲器中，以后的工作將全部由FPGA來完成。在FPGA加工模塊中主要采用了不同類別數據并行讀取和雙存儲器組交替工作的技術。傳統的數據存儲器受限于處理器的單任務特性，通常采用單片大容量存儲單元，這種結構使得系統需要耗費多個讀取周期才能得到一組完整的數據。而FPGA的并行工作特性可以突破這種傳統的設計形式，將不同類別數據存放于獨立的存儲單元中。只要在定義數據時將地址對齊就可以在一個讀取周期中獲得全部數據。運用這種方式可以在讀數時間最小化的同時簡化編程，也可以使整體程序的結構更加明了。市場上已有的同類FPGA產品大多采用寫入一條數據、執行一條數據的工作方式，這將在數據傳輸時產生停頓。采用了存儲器作為加工數據的緩存，但僅僅依靠這種方式仍然不能解決問題，在DSP寫入數據時依然會造成加工停頓。當系統在執行其中一組存儲器中的數據時，DSP可將計算結果寫入另一組存儲器。由于DSP的運算速度遠遠高于加工速度，所以雙存儲器架構可以保證加工不被間斷，見圖（FPGA加工程序流程圖）。在地址對齊的前提下更換存儲器組需要改變存儲器組選擇信號并將地址計數器清零。FPGA還將用中斷的形式通知DSP，使得DSP可以填充新的數據。

圖1 FPGA加工程序流程圖

4 實驗

實驗中使用幅面為1.2m×1m的二維工作臺，X、Y軸步進電機采用雷塞公司的57HS22并配以M860驅動器。57HS22的步距角為1.8度，額定電流為4A，保持轉矩為2.2N·m，定位轉矩為700g·cm，電機接法采用并聯形式以突出高速性能。電機轉子的轉動經減速后由齒形帶帶動工作頭做直線運動，轉子每旋轉一周使工作頭移動24mm。在實驗中分別對PLT文件、DXF文件以及BMP文件作了大量測試，其中PLT文件和DXF文件用于切割測試，BMP文件用于雕刻測試。圖形文件由PC機軟件傳送至本系統，隨后脫機加工，在切割模式下，長矢量的加工速度可以平穩超過20000mm/min，在雕刻模式下加工速度可以超過30000mm/min。在對一幅含有超過13萬條矢量的復雜圖形連續加工5次后，無肉眼可分辨的位置偏差。由于本系統采用了DSP進行圖形分析，使得系統對復雜圖形的處理能力得到了很大的提高。FPGA內部雙存儲器交替工作的結構也從根本上解決了數據傳輸過程中加工停頓的問題。實驗表明，本系統擁有加工速度快、圖形處理能力強、使用簡便可靠等優點。

[1]張師偉，傅 星，楊恒宗，邱維寶，鄔 勇，胡小唐.基于DSP、FPGA和單片機的大尺寸激光數控加工系統的軟硬件設計[J].電子測量技術，2007（6）.

[2]蔡兵.基于DSP和FPGA的激光加工控制系統研究[M].華中科技大學，2006，11.

TN249

A

1004-7344（2016）33-0272-01

2016-10-26

康凱（1980-），男，河南鄭州人，工程師，大學本科，研究方向為嵌入式軟硬件、自動化控制系統。