基于DSP和FPGA的运动控制技术的研究

何小宇

[摘要]随着工业的发展，制造技术也不断的完善，逐渐的向着集成化、智能化以及综合化的方向发展，在开放式数控系统中，运动控制器是一个十分重要的装置，通过运动控制器的运行，对各个轴电机的运动进行控制，从而实现数控加工，提升定位控制的精度，增强速度调节的性能。在本文中，首先阐述了运动控制中应用DSP和FPGA的意义，并分析了基于DSP和FPGA的运动控制技术方案。

[关键词]DSP；FPGA；运动控制技术

前言

在工业发展的过程中，制造业起着基础性的作用，制造业的发展依赖于制造技术，传统的制造业中，代表性的为传统机电工业，不过在制造业发展的过程中，传统机电工业也发生了巨大的变化，产品结构和生产系统结构都发生了深刻的变革，在变化的过程中，应用了先进的制造技术，这其中就包含数控技术，在对数控技术进行控制时，应用了DSP以及FPGA。

一、DSP和FPGA在运动控制中应用的意义

（一）DSP应用的意义

DSP是指实时数字信号处理技术，数字信号处理器是其核心和标志，在对数字信号进行处理时，精度高、灵活性强、可靠性高[1]。随着现代制造技术的发展，数控系统所面临的要求越来越高，不仅要具备非常好的运行速度，同时还需要具备非常高的精度，运动控制的主要目的就是保证高精度以及高速度。在DSP中，对组总线的哈佛结构是其所特有的，由此一来，在进行数据处理时，指令和速度同时进行，从而显著的提升了处理的速度，将DSP技术应用到运动控制中之后，可以显著的提升控制的效果，满足数控系统的控制要求，在运动控制技术未来的发展中，DSP技术将成为必然的应用趋势。

（二）FPGA应用的意义

FPGA是指现场可编程逻辑门列阵，是一种可编程的ASIC，当需要进行RAM、EPROM编程的增加时，可以选择外加，也可以选择内置，FPGA具备比较好的实时性，除了增加编程之外，器件功能的改变、现场编程、在线配置等都可以实现实时性，在进行科学实验或者是小批量生产时，FPGA是最为适合的选择[2]。在运动控制发展的过程中，电路规模不断地扩大，这使得电路设计师的设计难度增加，为了很好地进行设计，就需要进行科学的硬件仿真，而硬件仿真则可以通过FPGA来实现，应用FPGA之后，电路设计师在进行设计时，其逻辑和性能指标的测试具备非常强的直观性，提升了设计的科学性，增强了运动控制的效果。

二、基于DSP和FPGA的运动控制技术方案

（一）设计目标

在运动控制技术中，通过DSP和FPGA技术的应用，设计出完善的运动控制卡，对数控系统进行有效地控制。在进行运动控制卡设计时，主要的控制方式是对开环或半闭环进行控制。在整个运动系统中，主控单元为运动控制卡，需要实现三大功能，一是将主机发出的运动指令进行全面的接收，同时，将运行的状态反馈给主机；二是在接收到相应的指令之后，展开运动控制工作，控制的对象为4轴电机；三是在运动的过程中，与其有关联的信号主要两种，一种为外部I/O信号，另一种为通用I/O信号，在对着两种信号进行处理时，采用并行处理的办法。

（二）总体结构

运动控制卡是在DSP和FPGA的基础上来进行设计的，而DSP和FPGA以芯片的方式应用到运动控制卡中[3]。为了实现程序和数据的存储，Flash和SRAM设置在DSP的周围，数量为多个，在每两个Flash和SRAM之间，片选信号CS是共用的，这样一来，在进行读写时，数据总线为高低双字32位，显著的提升了访问的速度。在对下载的程序进行存储时，通过在FPGA处配置EPROM来实现。在进行DSP和FPGA器件选择时，要保证能耗比较低，同时电压也要比较低。

（三）板卡地址空间的分配

在DSP中，数据总线的数量为32根，地址总线的数量为24根，在最高位置处，地址总线有2根，据此，将DSP地址空间划分为四页。在进行译码电路的实现时，使用了FPGA，在其内部来实现，对于每个轴来说，与单独用于运动控制功能的专用控制电路是比较相似的，选择的定时器为32位计数器，在进行计数时，实现对系统时钟来进行。在进行模拟通道时，总共有四路，每路所具备的功能都是一致的，在对模拟输出信号进行控制，单独一路就可以实现。

（四）板卡芯片型号的选择

运动控制板卡中的芯片为DSP和FPGA，在进行DSP型号选择时，需要考虑多个方面的因素，比如信号处理的实时性、信号处理的速度、高运算精度、开发成本等，最终确定选择的DSP为TMS320VC33型号；而在选择FPGA型号时，综合考虑的因素包含器件资源、供电电压等，最终选择了XC2S300E型号。

结论

运动控制技术上现代制造业发展中应用的主要技术，通过运动控制技术，有效的实现数控系统的控制，提升工业生产的效率，促进制造业的发展。随着运动控制技术的发展，应用了DSP和FPGA，在DSP和FPGA的基础上设计了比较完善的运动控制板卡，从而有效的提升了控制的结果。当前的DSP和FPGA应用的还不完善，还需要加大研究的力度。

参考文献

[1]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.

[2]石江华，魏世民，李金泉等.基于DSP与FPGA的四轴运动控制器设计与研究[J].现代电子技术，2011，（21）：202-204+207.

[3]马汉波，颜钢锋.基于DSP和FPGA的多轴运动控制系统设计[J].电子技术应用，2013，（03）：34-36.