基于DSP和FPGA的运动控制技术的研究

摘 要：在当前的运动控制器当中，核心通常是中央逻辑单元，信号敏感元件选择使用传感器，通过电机等动力装置和执行单元，对目标对象进行控制。在开放式的数控系统当中，其发挥着十分重要的作用。数控系统中对各个轴电机的运动控制是最重要的，控制装置发出指令，运动控制器接收并执行该指令，对数控设备进行控制。采用基于DSP和FPGA运动控制技术，能够有效的提高速度调节、控制精度等性能指标，从而提高控制效果。

关键词：DSP；FPGA；运动控制技术；研究

0 前言

在一个国家当中，工业的基础是制造业，制造业的技术支柱是制造技术，而一个国家工业发达程度的衡量标准，就是制造业发展水平的高低。随着科技的不断发展，我国传统的制造业正在经历着十分重要的变革，生产系统结构、产品结构等都发生了很大的变化，各种各样的运动控制系统纷纷被应用在工业生产当中，极大的提高了生产效率。在实际应用中，基于DSP和FPGA的运动控制技术发挥了极大的作用。对此，应当加强对这方面技术的研究力度，使其能够不断的完善和成熟，从而发挥出更大的效果。

1 基于DSP和FPGA的运动控制技术的设计目标

在运动控制技术的应用当中，数字式的控制方式主要是在开闭环控制电机的时候进行应用。其中，以直线光栅尺或旋转编码器中的Z相零位脉冲信号和A/B两相正交脉冲信号作为位置反馈信号。运动系统当中，运动控制技术为主控单元，需要接收主机的运动指令块或运动指令，同时反馈I/O状态、位置、运行状态的信息给主机。然后对接收到的指令加以执行，对四轴电机进行PID调节、插补、速度、位置等运动控制。最后，在运动过程当中，还需要对相关于运动的通用和外部I/O信号进行并行处理[1]。

2 基于DSP和FPGA的运动控制技术的总体结构

在运动控制技术中，主要的功能芯片为DSP和FPGA。其中，DSP周围进行了SRAM和Flash的扩展，进行数据和程序的存储。一个CS片选信号能够支持两个SRAM和Flash，构成高低双字32位数据总线，从而使Memory和DSP的访问速度提升。在FPGA中，进行了EPROM的配置，实现对下载程序的存储。PCI总线控制器用来连接PCI接口芯片和DSP局部总线，其中含有双口共享的128KB存储器，实现数据在PCI系统总线和DSP局部总线中的交换。另外，在其中还配备了一个EPROM对数据进行存储。

在该技术的应用当中，采用了低电压、低能耗的DSP和FPGA器件，内核电压为1.8V，I/O信号电压为3.3V，因此需要一个能够对两种电压进行同时输出的电压调整器。在使用当中，为了提高干扰抵抗效果，应当分别处理不同的输入输出信号[2]。例如，对于回零、减速、限位等低频的外部机械输入信号，可以通过普通光耦来隔离。对于输出的方向信号、脉冲信号、输入的编码器信号等，可以利用高速光耦来隔离。同时，差分输出光耦输出的方向和脉冲，从而实现传输距离的提升。

3 地址空间的分配

在DSP当中，地址总线由24根，数据总线由32根，其中两根最高位的地址线可以将DSP地址空间分为四页。对于每一页的选通信号，对各个功能区的寻址空间都有不同的分配。其中，在FPGA当中实现了译码电路，每个轴都相当于专用控制电路，能够对运动控制器进行单独控制。定时器实际上是一个32位的计数器，能够技术系统时钟。思路模拟通道具有完全相同的功能，能够对模拟输出信号进行单独控制。

4 主要芯片型号的选择

对DSP进行利用，能够高速处理实时信号。从性能角度来看，可根据动态和精度的范围对通用DSP进行划分，分别为浮点和定点的DSP。在实际应用中，DSP需对插补算法进行处理，对运算精度要求较高，同时需要数据的实时传输[3]。同时，对开发难易度、开发成本等因素进行考量，最终选取的DSP型号为TMS320VC33。该型号具有很多方面的特点，例如支持JTAG芯片扫描仿真、兼容PCI总线和3.3VI/O电压、24根地址线和32根数据线、片内为1.1MB的SRAM、高性能浮点处理等。

对于FPGA来说，综合考量开发成本、设计功能、供电电压、器件资源等因素，选择了XC2S300E型号。其中基于Virtex—E平台的流线型结构和工艺技术等都更为先进。相比于其它的FPGA，提供了更多的功能块、I/O口、门等。其中的功能块主要包括分散RAM和块RAM、四个延时锁定环DLL、19中可选I/O标准等。由于在FPGA中应用了CMOS SRAM技术，因此需要上电再配置单元电路逻辑。在设计当中，应当配置EPROM给FPGA，用于对下载的程序进行存储。

5 结论

基于DSP和FPGA的运动控制技术在当前工业生产制造领域当中，具有十分重要的位置，对于社会经济的发展和进步都有着至关重要的影响。对此，应当首先明确运动控制技术的目标和总体结构，对地址空间进行科学、合理的分配，最后根据实际需求，选择最为合适的芯片型号，从而使基于DSP和FPGA的运动控制技术能够发挥出最为理想的效果。

参考文献：

[1]郑晓峰，方凯，黄迎华.一种基于DSP和FPGA的多轴运动控制卡的设计[J].自动化与仪器仪表，2013（04）：18-20.

[2]吴红军，皮佑国.基于DSP和FPGA的运动控制器的设计与实现[J]. 组合机床与自动化加工技术，2011（02）：75-77+82.

[3]尚雅层，雷兵丰，来跃深.基于DSP和FPGA的开放式数控系统运动控制的设计与仿真[J].西安工业大学学报，2012（02）：130-134.