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DSP和FPGA在大尺寸激光数控加工系统中的运用简析
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2017-11-04
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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。本系统采用FPGA作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MCU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做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（K9F1G08U0A）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，并将最终的加工数据输入FPGA（EP1C6T144C8）内部的加工模块，控制FPGA输出加工信号。在系统运转的整个过程中，DSP还要通过建于FPGA内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输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。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，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。
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作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MCU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做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（K9F1G08U0A）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，并将最终的加工数据输入FPGA（EP1C6T144C8）内部的加工模块，控制FPGA输出加工信号。在系统运转的整个过程中，DSP还要通过建于FPGA内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输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。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，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。
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