DSP和FPGA在大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)中的運(yùn)用(精)

1、DSP和FPGA在大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)中的運(yùn)用DSP和FPGA在大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)中的運(yùn)用激光切割和雕刻以其精度高、視覺(jué)效果好等特性，被廣泛運(yùn)用于廣告業(yè)和航模制造業(yè)。在大尺寸激光加工系 統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，加工速度與加工精度是首先要解決的問(wèn)題。解決速度問(wèn)題的 一般方法是在電機(jī)每次運(yùn)動(dòng)前、后設(shè)置加、減速區(qū)，但這會(huì)使加工數(shù)據(jù)總量成 倍增加。除此之外，龐大的數(shù)據(jù)計(jì)算量也需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的高性能處理器來(lái)實(shí) 現(xiàn)。FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）在并行信號(hào)處理方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。本DSP和FPGA在大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)中的運(yùn)用激光切割和雕刻以其精度高、視覺(jué)效果好等特性，被廣泛運(yùn)用于廣告業(yè)和航模 制造業(yè)。在大尺寸

2、激光加工系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，加工速度與加工精度是首先要 解決的問(wèn)題。解決速度問(wèn)題的一般方法是在電機(jī)每次運(yùn)動(dòng)前、后設(shè)置加、減速 區(qū)，但這會(huì)使加工數(shù)據(jù)總量成倍增加。除此之外，龐大的數(shù)據(jù)計(jì)算量也需要一 個(gè)專(zhuān)門(mén)的高性能處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）在并行信號(hào)處理方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)采用FPGA乍為加工數(shù)據(jù)的執(zhí)行器件。這種解決方案突出的特點(diǎn)是讓運(yùn)動(dòng)控制的處理 部分以獨(dú)立的、硬件性方式展開(kāi)，增加系統(tǒng)的性能和可靠性，從而有效地解決 了用單純的MCI或DSP系統(tǒng)處理的帶寬限制，以及用戶(hù)系統(tǒng)軟件和運(yùn)動(dòng)控制軟 件混雜性的問(wèn)題。當(dāng)今國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)類(lèi)似的FPGA產(chǎn)品，這些產(chǎn)品大多使用FPGA完

3、 成從原始數(shù)據(jù)處理到執(zhí)行的全部工作。此種結(jié)構(gòu)雖然可以簡(jiǎn)化FPGA外部的電路設(shè)計(jì)，但是由于FPGA故復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算的能力有限，不能對(duì)復(fù)雜圖形尤其是不規(guī) 則圖形做出全面的分析，導(dǎo)致加工速度無(wú)法進(jìn)一步提升。除此之外，這些產(chǎn)品 大多采用寫(xiě)入一條數(shù)據(jù)、執(zhí)行一條數(shù)據(jù)的工作方式，造成了執(zhí)行相鄰兩條數(shù)據(jù) 間的加工停頓，破壞了加工的流暢性，在加工復(fù)雜圖形時(shí)還會(huì)明顯地影響加工 速度。本系統(tǒng)使用數(shù)字信號(hào)處理器DSP完成復(fù)雜的圖形分析計(jì)算，這樣既可以對(duì)復(fù)雜 圖形做出全面的分析又不會(huì)喪失系統(tǒng)性能。除此之外，本系統(tǒng)還在FPGA內(nèi)部采用了雙存儲(chǔ)器交替加工的結(jié)構(gòu)，從根本上消除了相鄰數(shù)據(jù)間的加工停頓。1系統(tǒng)設(shè)計(jì) 激光加工系統(tǒng)主要

4、是以切割、 雕刻等工藝完成對(duì)金屬、 非金屬的加工。 切割是 指系統(tǒng)在控制工作頭做矢量運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，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(tǒng)控制激光頭在一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行往復(fù)掃描，以類(lèi)似打印機(jī) 的方式在被加工物體上刻出深淺不一的圖案。本系統(tǒng)采用由計(jì)算機(jī)獲得圖形并 傳輸至下位機(jī)，由下位機(jī)保存圖形并脫機(jī)加工的結(jié)構(gòu)。圖1為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。在 數(shù)據(jù)傳輸階段，加工數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)或 并口，以圖名、圖號(hào)為標(biāo)志傳入DSP( TMS320VC33，DSP將數(shù)據(jù)按協(xié)議解析后 存入FLASH(K9F1G08U0)存儲(chǔ)器。在脫機(jī)加工階段，DSP將數(shù)據(jù)從FLASH存儲(chǔ) 器重新讀出并進(jìn)行處理、計(jì)算，并將最

5、終的加工數(shù)據(jù)輸入FPGA(EP1C6T144C8內(nèi)部的加工模塊， 控制FPGA俞出加工信號(hào)。 在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的整 個(gè)過(guò)程中，DSP還要通過(guò)建于FPGA部的通訊模塊和單片機(jī)交換數(shù)據(jù)，獲取有 關(guān)人機(jī)界面和諸如限位 開(kāi)關(guān)、激光器散熱水泵等保護(hù)器件的工作狀態(tài)。加工信號(hào)預(yù)處理電路主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換器和 光電隔離器組成。它負(fù)責(zé)將FPGA俞出 的加工信號(hào)進(jìn)行處理后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和激光器。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。

6、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，

7、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

8、尾 都減速到零，勢(shì)必會(huì)影響加工速度。所以，在分析此類(lèi)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。3 FPGA的內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì) 從DSP的角度看，F(xiàn)PGA加工模塊類(lèi)似于一個(gè)存儲(chǔ)器，DSP只需將計(jì)算結(jié)果寫(xiě)入 此存儲(chǔ)器中，以后的工作將全部由FPGA來(lái)完成。在FPGA加工模塊中主要采用 了不同類(lèi)別數(shù)據(jù)并行讀取和雙存儲(chǔ)器組交替工作的技術(shù)。3.1數(shù)據(jù)并行讀取傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器受限于處理器的單任務(wù)特性，通常采用單片大容量存儲(chǔ)單 元，這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)需要耗費(fèi)多個(gè)讀取周期才能得到一組完整的數(shù)據(jù)。而FPGA勺并行工作特

9、性可以突破這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)形式，將不同類(lèi)別數(shù)據(jù)存放于獨(dú) 立的存儲(chǔ)單元中。只要在定義數(shù)據(jù)時(shí)將地址對(duì)齊就可以在一個(gè)讀取周期中獲得 全部數(shù)據(jù)。運(yùn)用這種方式可以在讀數(shù)時(shí)間最小化的同時(shí)簡(jiǎn)化編程，也可以使整 體程序的結(jié)構(gòu)更加明了。3.2雙存儲(chǔ)器交替工作市場(chǎng)上已有的同類(lèi)FPGA產(chǎn)品大多采用寫(xiě)入1條數(shù)據(jù)、執(zhí)行1條數(shù)據(jù)的工作方 式，這將在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)產(chǎn)生停頓。本系統(tǒng)雖然采用了存儲(chǔ)器作為加工數(shù)據(jù)的緩 存，但僅僅依靠這種方式仍然不能解決問(wèn)題，在DSP寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)依然會(huì)造成加 工停頓。圖4為雙存儲(chǔ)器組結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)系統(tǒng)在執(zhí)行其中一組存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)時(shí)，DSP可將計(jì)算結(jié)果寫(xiě)入另一組存儲(chǔ)器。由于DSP的運(yùn)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于加工速度，

10、所 以雙存儲(chǔ)器架構(gòu)可以保證加工不被間斷。圖5為FPGA加工程序流程圖?？梢?jiàn)，在地址對(duì)齊的前提下更換存儲(chǔ)器組需要改 變存儲(chǔ)器組選擇信號(hào)并將地址 計(jì)數(shù)器清零。此時(shí)，F(xiàn)PGA還將用中斷的形式通知DSP使得DSP可以填充新的數(shù)據(jù)。4實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)中使用幅面為1.2mX1m的二維工作臺(tái)，X、丫軸步進(jìn)電機(jī)采用雷塞公司的57HS22并配以M860驅(qū)動(dòng)器。57HS22的步距角為1.8度， 額定電流為4A,保持 轉(zhuǎn)矩為2.2N.m，定位轉(zhuǎn)矩為700g.cm,電機(jī)接法采用并聯(lián)形式以突出高速性 能。電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)減速后由齒形帶帶動(dòng)工作頭做直線運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一 周使工作頭移動(dòng)24mm在實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)PLT文件、DXF文件以及BMP文件作了大量測(cè)試，其中PLT文 件和DXF文件用于切割測(cè)試，BMP文件用于雕刻測(cè)試。圖形文件由PC機(jī)軟件傳送至本系統(tǒng)，隨后脫機(jī)加工，在切割模式下，長(zhǎng)矢量的 加工速度可以平穩(wěn)超過(guò)20000mmmin，在雕刻模式下加工速度可以超過(guò)30000mm/