基于DSP与FPGA的运动控制器的软硬件设计方案分析

运动控制技术是数控机床的关键技术，其技术水平的高低将直接影响一个国家装备制造业的发展水平。目前，多轴伺服控制器越来越多地运用在运动控制系统中，具有较高的集成度和灵活性，可实时完成运动控制过程中复杂的逻辑处理和控制算法，能实现多轴高速高精度的伺服控制。本文选用DSP与FPGA作为运动控制器的核心部件，设计了通用型运动控制器。其中DSP用于运动轨迹规划、速度控制及位置控制等功能；FPGA完成运动控制器的精插补功能，用于精确计算步进电机或伺服驱动元件的控制脉冲，同时接收并处理脉冲型位置反馈信号。本文对该运动控制器的总体结构、硬件设计和软件设计进行了描述。
　　1 系统总体设计
　　运动控制器的总体性能指标为：作为一个单独的运动控制器使用，控制信号采用数字量方式输出，能控制四轴的伺服电机；最高脉冲输出频率为4MP/s，能处理的编码器反馈信号最高频率为4MP/s；能接收和处理4路编码器反馈信号；可以处理原点信号、正负方向信号、到位信号以及急停信号等数字量输入信号；提供16路数字量输出信号和16路数字量输入信号接口。运动控制器采用DSP与FPGA芯片作为主控芯片，主要包括DSP模块、FPGA模块、FPGA外围电路模块和数字量输入输出接口模块。
　　采用基于DSP与FPGA的运动控制器，能够实时完成复杂的轨迹运算，而且利用DSP的高速数字信号处理功能和FPGA功耗低、主频高的优点，能充分显示该运动控制器的优点。采用DSP与FPGA相结合的运动控制器可以方便地对系统的控制策略进行修改，对控制参数进行修正，并可使设备具有良好的可靠性、可维修性，而且还降低了成本。系统还可以采用更多的智能控制策略，结构灵活，有较强的通用性，适合于模块化设计，能够提高算法效率，且易于维护和扩展。总体设计方案原理框图如图1所示。
　　
　　2 系统硬件设计
　　2.1 DSP模块
　　本控制器采用TI公司的TMS320F2812为主控芯片，它是32位的控制专用DSP，内含FLASH，主频高达150 MHz，具有数字信号处理、事件管理和嵌入式控制功能，适用于大批量数据处理的场合。
　　选用TI公司生产的TPS767D318芯片来实现TMS320F2812的电源设计，将5 V电源分别转换为3.3 V和1.8 V。SRAM是DSP常用的外围存储器，它具有接口简单、读写速度快等优点，所以选择大小为64 KB的随机存储器CY7C1021作为存储器扩展芯片。DSP F2812与CY7C1021接口电路如图2所示。