DSP和FPGA在大尺寸激光数控加工系统中的运用(精)

1、DSP和FPGA在大尺寸激光数控加工系统中的运用DSP和FPGA在大尺寸激光数控加工系统中的运用激光切割和雕刻以其精度高、视觉效果好等特性，被广泛运用于广告业和航模制造业。在大尺寸激光加工系 统的开发过程中，加工速度与加工精度是首先要解决的问题。解决速度问题的 一般方法是在电机每次运动前、后设置加、减速区，但这会使加工数据总量成 倍增加。除此之外，庞大的数据计算量也需要一个专门的高性能处理器来实 现。FPGA现场可编程门阵列）在并行信号处理方面具有极大的优势。本DSP和FPGA在大尺寸激光数控加工系统中的运用激光切割和雕刻以其精度高、视觉效果好等特性，被广泛运用于广告业和航模 制造业。在大尺寸

2、激光加工系统的开发过程中，加工速度与加工精度是首先要 解决的问题。解决速度问题的一般方法是在电机每次运动前、后设置加、减速 区，但这会使加工数据总量成倍增加。除此之外，庞大的数据计算量也需要一 个专门的高性能处理器来实现。FPGA现场可编程门阵列）在并行信号处理方面具有极大的优势。本系统采用FPGA乍为加工数据的执行器件。这种解决方案突出的特点是让运动控制的处理 部分以独立的、硬件性方式展开，增加系统的性能和可靠性，从而有效地解决 了用单纯的MCI或DSP系统处理的带宽限制，以及用户系统软件和运动控制软 件混杂性的问题。当今国内外市场上已经陆续出现类似的FPGA产品，这些产品大多使用FPGA完

3、 成从原始数据处理到执行的全部工作。此种结构虽然可以简化FPGA外部的电路设计，但是由于FPGA故复杂数学计算的能力有限，不能对复杂图形尤其是不规 则图形做出全面的分析，导致加工速度无法进一步提升。除此之外，这些产品 大多采用写入一条数据、执行一条数据的工作方式，造成了执行相邻两条数据 间的加工停顿，破坏了加工的流畅性，在加工复杂图形时还会明显地影响加工 速度。本系统使用数字信号处理器DSP完成复杂的图形分析计算，这样既可以对复杂 图形做出全面的分析又不会丧失系统性能。除此之外，本系统还在FPGA内部采用了双存储器交替加工的结构，从根本上消除了相邻数据间的加工停顿。1系统设计 激光加工系统主要

4、是以切割、 雕刻等工艺完成对金属、 非金属的加工。 切割是 指系统在控制工作头做矢量运动的同时，配合激光在被加工物体上切割出不同 的线条；雕刻是指系统控制激光头在一定区域内进行往复扫描，以类似打印机 的方式在被加工物体上刻出深浅不一的图案。本系统采用由计算机获得图形并 传输至下位机，由下位机保存图形并脱机加工的结构。图1为系统的结构示意图。在 数据传输阶段，加工数据由计算机通过以太网或 并口，以图名、图号为标志传入DSP( TMS320VC33，DSP将数据按协议解析后 存入FLASH(K9F1G08U0)存储器。在脱机加工阶段，DSP将数据从FLASH存储 器重新读出并进行处理、计算，并将最

5、终的加工数据输入FPGA(EP1C6T144C8内部的加工模块， 控制FPGA俞出加工信号。 在系统运转的整 个过程中，DSP还要通过建于FPGA部的通讯模块和单片机交换数据，获取有 关人机界面和诸如限位 开关、激光器散热水泵等保护器件的工作状态。加工信号预处理电路主要由数模转换器和 光电隔离器组成。它负责将FPGA俞出 的加工信号进行处理后驱动步进电机和激光器。2 DSP的软件设计2.1加减速区的分析及计算在待机阶段，DSP将从计算机取得原始数据。在加工阶段，DSP将对这些数据进行分析并合理分配加、减速区域。图2为加、减速区示意图。加减速区是用多 段幅值较小的速度变化代替一次较大的速度变化。

6、对于大尺寸或高速运动平台 来说，电机的加、减速过程必不可少。由原理可知，两图所围面积大小相等， 即工作头移动距离相等。在以往的步进电机驱动算法的设计中，大多采用简单的二次曲线进行速度拟 合。此种拟合方式虽然简单，但在大型运动平台上并不能够充分考虑到机械部 件间的静摩擦力和旋转部件的转动惯量等因素，其运行效果并不理想。本系统在加、减速区的计算过程中，通过将速度和加速时间的关系与“S形曲线进行拟合来得到加速区速度，通过将速度和减速时间的关系与反“S形曲线进行拟合得到减速区速度。图3为加、减速区速度-时间拟合曲线，曲线的斜率 代表工作头移动的加速度。从图3可见，加、减速区所使用的拟合曲线并不相 同，

7、减速区曲线更为“陡峭”。这是由于减速过程中受机械系统摩擦力等因素 的影响，电机负荷较小，可以承受更快的减速过程。使用“S形曲线进行拟合的优点主要有：(1)电机从静止状态过渡到行进状态的过程中，由于各机械部件之间存在静摩擦 力，可使电机较为平缓地启动，避免了撞击或丢步现象的发生。(2)电机进入平稳运行阶段时，可以使用较大的加速度进行速度提升。但是，随 着速度的增加，电机的剩余 功率将不断减小，此时应不断减缓加速进程。(3)电机从行进状态过渡到静止状态的减速过程中，此种拟合方法可以使电机平 稳过渡，避免发生撞击。2.2复杂图形的分析在一幅复杂图形中往往存在很多不连续、不规则的矢量，如果每条矢量的末

8、尾 都减速到零，势必会影响加工速度。所以，在分析此类图形时要连带分析当前 矢量的前、后图形情况，计算出各矢量的夹角以确定加工此矢量的初始速度及 终止速度。表1为工作头进行不同角度转弯时的极限速度。3 FPGA的内部逻辑设计 从DSP的角度看，FPGA加工模块类似于一个存储器，DSP只需将计算结果写入 此存储器中，以后的工作将全部由FPGA来完成。在FPGA加工模块中主要采用 了不同类别数据并行读取和双存储器组交替工作的技术。3.1数据并行读取传统的数据存储器受限于处理器的单任务特性，通常采用单片大容量存储单 元，这种结构使得系统需要耗费多个读取周期才能得到一组完整的数据。而FPGA勺并行工作特

9、性可以突破这种传统的设计形式，将不同类别数据存放于独 立的存储单元中。只要在定义数据时将地址对齐就可以在一个读取周期中获得 全部数据。运用这种方式可以在读数时间最小化的同时简化编程，也可以使整 体程序的结构更加明了。3.2双存储器交替工作市场上已有的同类FPGA产品大多采用写入1条数据、执行1条数据的工作方 式，这将在数据传输时产生停顿。本系统虽然采用了存储器作为加工数据的缓 存，但仅仅依靠这种方式仍然不能解决问题，在DSP写入数据时依然会造成加 工停顿。图4为双存储器组结构示意图，当系统在执行其中一组存储器中的数据时，DSP可将计算结果写入另一组存储器。由于DSP的运算速度远远高于加工速度，

10、所 以双存储器架构可以保证加工不被间断。图5为FPGA加工程序流程图。可见，在地址对齐的前提下更换存储器组需要改 变存储器组选择信号并将地址 计数器清零。此时，FPGA还将用中断的形式通知DSP使得DSP可以填充新的数据。4实验结论实验中使用幅面为1.2mX1m的二维工作台，X、丫轴步进电机采用雷塞公司的57HS22并配以M860驱动器。57HS22的步距角为1.8度， 额定电流为4A,保持 转矩为2.2N.m，定位转矩为700g.cm,电机接法采用并联形式以突出高速性 能。电机转子的转动经减速后由齿形带带动工作头做直线运动，转子每旋转一 周使工作头移动24mm在实验中分别对PLT文件、DXF文件以及BMP文件作了大量测试，其中PLT文 件和DXF文件用于切割测试，BMP文件用于雕刻测试。图形文件由PC机软件传送至本系统，随后脱机加工，在切割模式下，长矢量的 加工速度可以平稳超过20000mmmin，在雕刻模式下加工速度可以超过30000mm/