FPGA实现更高程度多项式加速概况.doc

FPGA实现更高程度多项式加速概况 在挺举伺服电机峰值减少摘要 挺举限制加速度轮廓生成是像计算机数值控制（CNC）机械工业自动化和机器人技术应用的主要问题。自动化机械动力学应尽可能顺利地与合适的控制器可能在轨迹精度，保证质量，同时减小机械应力的光滑。在商用的数控和机器人控制器操作，小的不连续性的动态生成，由于位置的控制器分析器通常是在一个梯形速度剖面为基础。这些不连续的位置可以参考上产生不良的高次谐波这可以激发作出相应的机械结构，伺服电机的固有频率。以前的作品有较高的开发与多项式的轨迹剖面挺举有限，但缺乏一种或计算机联机操作和低成本的硬件执行效率两者。目前的工作显示了一个成本低，计算效率高，上线的高次多项式为基础的有限的挺举为数控机床和机器人技术应用力度，提高加工过程波形发生器的硬件实现。本文的新颖之处在于一个乘数免费递归多项式算法计算效率高的评价从侧面生成和数字结构低成本现场可编程门阵列（FPGA）的执行情况。两个实验装置编写了以测试配置文件生成多项式：与伺服电机在空载和为驱动伺服电机轴数控铣床第二个第一次。从实验结果表明，这是程度较高的多项式型材，比标准梯形速度曲线通过减少在超过一个数量级挺举而精确的峰值保持相同的，上线操作是保证了系统的动态。 简介如今，计算机数字控制（CNC）机器和机器人技术被广泛分布在工业自动化应用，提高最终产品质量，减少生产时间，增加短时间和长期的利润，尽管需要较高的初始投资。为了保证产品质量之间和生产成本，自动化机械平整度降低机械应力。 在商用的数控和机器人控制器操作，小的不连续性的动态生成由于发电机控制器位置配置文件通常是在一个梯形速度剖面为基础。在轨道动力学上产生的不连续性可以参考的位置，这可以激发作出相应的伺服电机的机械结构和不良的自然频率的高频谐波。这种高次谐波也可以执行器饱和，因此，降低轨道位置精度影响的有效轮廓的过程。直线和圆弧插补技术已被提出，以尽量减少不连续，但这些技术都有限的效率时，加工过程的几何形状复杂，生产率下降的数控机床，不提供所需的机器人动力学平稳。措施的参数的不连续性和动态平滑是混蛋，这是众所周知的加速度变化率定义。在挺举水平较高的加速度，可以在共振刺激而突然的机械系统控制的改变，因此，有必要提供充分光滑的位置分布，以减少挺举水平，尽量减少和避免不连续系统的共振。硬件和软件数字信号处理(DSP)技术提议在工业控制器中开发反射减少的算法。 通过使反射减到最小，授予二个直接好处： 机械重音和在准许增加的速度的动力学和磨平者运动的振动减少，当减少时错误。 在后果，整体表现，当反射是有限的时，可以改进。据Erkorkmaz和Altintas1，梯形剖面生成速度在加速动力学行为的收益率差挺举高频谐波。他们还发现，高次多项式为基础给出一个平滑的动态配置文件，使所产生的轨更容易追踪的伺服控制器的带宽有限。高次多项式配置文件难以生成，由于计算量要求的硬件资源和处理时间，这严重损害的在线控制器在实践中实施。直接多项式算法要求高的评价计算的努力，在处理器系统深受多项式度增加制成。目前的工作显示了一个成本低，计算效率高，上线的高次多项式的有限挺举的数控机床及机器人技术应用力度，提高加工过程波形发生器硬件实现。本文的新颖之处在于一个乘数免费递归多项式算法计算效率评价廓任何处理单元（数字信号处理器，微处理器等）和优化现场可编程门其结构适合特殊用途的数字，发展阵列（FPGA）的可重构性，由于其允许系统单晶片（SOC）的方法，而其结构的自由，从设计师的角度来看，提高了伺服回路常规和高速加工更新时间与高分辨率并行加工的结构。挺举降低是相当大的程度较高的平滑度的整体轮廓设计中取得动态多项式（即有限挺举多项式专页，让平稳加速，速度和位置配置文件）。2. 背景 几个研究线已经被遵循提高混球限制动力学数控和机器人控制器。报道中的算法处理较高程度的多项式剖面发生器中软件和硬件;然而,他们所有的人使用直接多项式评价不高计算效率,因为这项技术需要浮点操作,以达到适合精度,除了计算密集型,妥协性在线实现。个人电脑(PC)的基础软件实施评价,尽管直接多项式精度达到要求的限制,缺乏由于在线计算密集的算法。另一方面,对于一个通用目的的微处理器或DSP系统、高资源硬件部分是必须的,为了实现在线运行,同时维持误差有界,通常需要昂贵的浮点单元或复杂的多种精密操作,使得算法不适应多项式的5个或以上学位的人。Erkorkmaz和Altintas 1开发了一种有限的挺举轨迹生成算法，突出了传统的梯形姿态多项式方法的优点。用五度多多项式生成与它的实施，这成为一个TMS的工作涉及市售C32 DSP板，承认计算资源的解决方案的需求。叶2提出了一个三阶线性挺举数控机床上的限制，以提高伺服电机的位置轮廓滤波器的设计。这种方法筛选相关的不连续性平滑原梯形轮廓，但缺乏必要的过滤精度由于副作用。执行是完成成ADSP21060商用DSP的运算量是其中的三个循环缓冲区援助放松。 Gasparetto和Zanotto 3提出的关于二次连续第五次多项式样条挺举专为流畅的机器人轨迹规划新方法。这项工作突出了挺举的限制为机器人的结构随着共振频率的增加错误避免伤害减免相关，没有执行，只给出仿真结果显示。另一个机器人技术的发展是由杨等人提出。 4，其中位置配置文件选择作为一个自适应所述优先位置控制器。为轨迹规划的主要目标是顺利的位移。所开发的算法，根据Simulink和Matlab软件仿真。许等人。 5提出了在个人一代的发展，涉及到加工过程的时间用于模具和模具。在加工过程中的错误报告作为加速和减速型材功能在软件中实现。程等。 6提出了一个NURBS插补，并指出，作为一个位置参考高速硬件单元波形发生器是强制性的，以实现在线数控代码生成器。这种发展是实现与PC和一个TMS320C32的DSP的共同努力。此前多项式基的NURBS路径规划算法是由张和绿道文献7，并在C + +的PC机在那里成为明显，上线的机器人轨迹的实施，这种方法被泄露，由于计算量，提高编程采样周期。 Marchenko等。 8他的工作是为有一个恒定的进给速度自适应控制的数控机床的NURBS插补算法。该算法程序在Visual C + +和400兆赫奔腾II为基础的一个三角洲头PMAC的商业控制器板PC执行。为了实现该算法，采样周期4103秒，这是典型的四倍1103秒时间较高的伺服回路控制。塞尔韦拉和特里维廉10开发了一种优化演变轨迹生成的NURBS在其在个人电脑的执行需要14.62秒，以执行插补结构。麦克法兰和克罗夫特10提出取得顺利，挺举有界的轨迹上线法，它们的使用方法，本文所述的五阶多项式之间的连接提供双向点顺利轨迹。该算法在Matlab实现。所有的引工程索赔在计算量改善的禁用网上申请或增加的资源需求。另一方面，特殊用途的FPGA硬件信号处理单元的数控应用实施，成为国家的最先进的方法，即低成本，高计算能力SOC和要求。全度妍和金11开发了一种基于FPGA的加速和减速梯形工业机器人的应用程序配置文件生成器，但不是最佳的数字结构，虽然轮廓生成多项式在工作中提到，我们没有给出具体实施的作者估计，因为该指数将增加硬件资源与多项式程度上直接多项式算法的评价。 Jimeno等。在一个基于FPGA的刀具路径计算工作12适用于鞋楦数控车床，这项工作提出了具体的工具表面的几何形状和它的数字化虚拟位移的执行情况。本研究着重于计算效率和精度，以及由FPGA应用中取得的速度。陈和林13开发了一种基于FPGA的超声波伺服马达驱动器，突出了速度性能效率，与其它技术相比，随着设备的灵活性和非实时系统的线性执行能力。 Girau和布马扎14提出了嵌入式架构，以解决机器人导航问题，计算基于FPGA的调和势沿轨迹。他们的建筑提出允许非常大的精度和计算机的分辨率。软件上的微处理器的计算机上的调和函数的计算，奔腾4，实施2吉赫需要10010每次迭代6秒，而在FPGA结构约193109所需的第这些作品是对工业机器人和数控和其低成本，灵活性和速度的优势FPGA应用的几个例子。以前提到作品的使用配置文件生成多项式参考一些方法，并在某些情况下是作为硬件实现好，那里的主要发现的问题是：计算量，执行时间的限制和硬件要求，没有低成本的计算，提出有效的解决方案。有两个主要目标，本文论述：一个乘数免费多项式计算效率评价方法及其结构发展数字要实现到FPGA，同时须考虑低成本的网上运作是专代强制性的。挺举限制可以达到更高程度的多项式，而在位置控制精度得到保证，经实验证明。 3。硬件多项式为基础的波形发生器 建议的配置文件生成器是基于一个multiplierfree多项式算法，重构的评估通过使用一个参数化离散时间连续多项式一体化进程。该算法可以很容易地实现到FPGA，需要作为加法器和寄存器加上简单的逻辑结构。硬件要求增加与线性多项式的次数计算时间，而不是牺牲。多积累是通过精密的数字结构，以保证所需的基准精度。为了测试的波形发生器的性能和显示的FPGA实现通用性，一些互补数字结构的设计开发和集成。硬件描述语言VHDL（超高速集成电路硬件描述语言）是用来作为FPGA实现设计平台。3.1. 多项评估的参数化算法 多项式的参数化是提取有限数量的最小数字是必要重建从算法的被测量的多项式的数学过程。 让星期(k)是在k的n度分离多项式，这些多项式的广泛已知的参数化算法是系数参数化(1)并且调零参数化(2)，其中ai是典型系数，并且zi是多项零，是C小组常数。 两种参数化算法是等效的并且要求(n+1)描绘多项式的参量 从计算的角度，都需要乘法和加法的算法来评估一个特定的值K的其他参数的多项式算法的评价，更好地从计算的角度适合，如等距评价点，这是一个离散时间polynomialbased专页，其中的运作情况要计算基于递归算法可用增加只。递归的方法在理论上可以检查参考。 15，它是概述下一步。让W(K) 是一种n度离散多项式围绕k为 K的样品进行评估离散多项式。在WK(k)的离散差异Dj是由Eq定义的。 （3）必须指出，第（n+1）次和更高程度的差异是零。从Eq.(3)可以被推论原始的多项式W(K)的重建的递归算法如Eq.(4)所述。为了递归地重建WK(k)从Eq。 (4)起初指向k=0， n区别的价值必须知道在k=-1，当是唯一的数据的参量需要参数化乘算器自由算法，是这些参量区别：(- 1)， y、D1WK (- 1)和 (- 1)。 从引用文献1,3-13，可以看出，这些作品所采取的做法是直接计算的多项式。多项式的直接评价，在其最好的实现，需要n至少在64位浮点精度的数值计算值每1乘法和加法运算，因此，计算量是可以在线申请损害。另一方面，递归计算是基于离散的分化和整合，这就意味着一个乘数免费的做法。然而，有一个递归算法，这是缺点错误是累积性的，作为一个指定的配置文件，钾，增加在增加需要更高分辨率，以保持该错误界，样本数增加。直接计算的优点是，在每个错误是绝对的样品，但需要在浮点数字表示乘法;另一方面，递归计算乘数是免费的，需要固定点加法运算只，这是简单而快速执行，但为了保持误差范围内，该决议必须延长到96位或注册定点的数字表示。从数字系统实施意见来看，这是更好地执行与错误的边界技术非常高分辨率定点补充，而不是实现高解析度的浮点乘法和加法。特高解析度固定点的递归算法增加额外的费用补偿执行时间性能和资源节约，比时间损失和一