基于DSP和FPGA的大尺寸激光数控加工系统

2DSP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。

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。