基于FPGA和DSP技术的PWM机床电力拖动系统的实现

　　1 引言

　　在现代机床生产中，一般采用多电机拖动，主轴和各进给系统分别由各自的电机来拖动，不仅简化了机床的机械传动机构，还可以使各拖动系统选择合适速度进行加工，从而提高加工精度。由于机床加工范围较广，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求机床执行部件具有不同的运动速度，因此机床的主运动和进给运动应能进行调速，传统的方法有有极和无级调速之分，有级调速通常不能满足加工精度和要求。机床的进给拖动是加工精度的关键，而无级调速能在一定范围内调速满足机床拖动系统的要求。本文基于pwm技术，利用单片fpga组成控制系统，使电路复杂、可靠性差。本文介绍了一种用fpga和dsp技术实现的三相 pwm发生器，它具有三相脉冲中心对称、pwm周期和死区时间可编程等特点，且性能优异、灵活性和可靠性高等特点。为快速、高精度高性能的机床电力拖动系统的研究提出了新的思路。

　　2 硬件电路结构特点及组成

　　本系统采用dsp和fpga作为pwm的逆变控制核心。fpga的积木史结构决定其具有很快的速度，不象单片机那样需要一条一条指令循环运行,而有点类似于模拟器件,输入变化后,输出几乎立即响应(大约几个ns)。同时，在全数字交流变频调速系统中,由于a/d等外围采样器件速度慢、电流和速度的数字控制的开销等原因,系统的控制周期较长,常常达到几百μs,乃至几ms。一般情况下, pwm调制周期t就是系统的工作周期。而采用了dsp和fpga后,我们就可以减小pwm调制周期,从而改善系统的性能。

　　2.1 dsp的结构特点

　　dsp是一种具有特殊结构的微处理器。dsp芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的dsp指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。据数字信号处理的要求，dsp芯片一般具有如下的些主要特点:(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法; (2)程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，可以同时访问指令和数据;(3)片内具有快速ram，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;(5)快速的中断处理和硬件i/o支持;(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;(8)可以并行执行多个操作;(9)支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

　　2.2 fpga 的结构特点

　　fpga的结构是由基于半定制门阵列的设计思想而得到的。从本质上讲，fpga是一种比半定制还方便的asic(application specific integrated circuit专用集成电路)设计技术。fpga的结构主要分为三部分:可编程逻辑块、可编程i/o模块、可编程内部连线。可编程逻辑块和可编程互连资源的构造主要有两种类型:即查找表类型和多路开关型。查找表型fpga的可编程逻辑单元是由功能为查找表的sram(static random access memory静态随机存取存储器)构成函数发生器，由它来控制执行fpga应用函数的逻辑。sdram的输出为逻辑函数的值，由此输出状态控制传输门或多路开关信号的通断，实现与其它功能块的可编程连接。多路开关型可编程逻辑块的基本构成是一个多路开关的配置。利用多路开关的特性，在多路开关的每个输入接到固定电平或输入信号时，可实现不同的逻辑功能。大量的多路开关和逻辑门连接起来，可以构成实现大量函数的逻辑块。fpga由其配置机制的不同分为两类: 可再配置型和一次性编程型。近几年来，fpga因其具有集成度高、处理速度快以及执行效率高等优点，在数字系统的设计中得到了广泛应用。