基于FPGA 的LED 生產(chǎn)設(shè)備Molding 機(jī)運(yùn)動控制器設(shè)計(jì)*

張耀驄，陳 安，胡躍明

(華南理工大學(xué) 精密電子制造裝備教育部工程研究中心，廣州 510640)

0 引言

FPGA 即現(xiàn)場可編程邏輯門陣列，是一種采用硬件描述語言(VHDL 或Verilog HDL)進(jìn)行任意邏輯電路設(shè)計(jì)的器件，加上其豐富的用戶自定義IO 接口，使其應(yīng)用極具靈活性。

隨著“國家半導(dǎo)體照明工程”啟動以及“LED 產(chǎn)業(yè)十二五規(guī)劃”出臺，我國LED 照明產(chǎn)業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展空間，其中的LED 封裝技術(shù)也得到了快速發(fā)展與進(jìn)步。

LED 生產(chǎn)設(shè)備注膠molding 機(jī)負(fù)責(zé)LED 封裝過程中的注膠塑封成型過程，molding 機(jī)均勻注膠的精度與速度直接影響到LED 的發(fā)光質(zhì)量及生產(chǎn)效率［1］。

Molding 機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)是一個(gè)雙軸運(yùn)動平臺，受控于雙軸運(yùn)動控制器，為保證注膠均勻，要求能夠雙軸聯(lián)動。目前大多數(shù)雙軸運(yùn)動控制器采用ARM/DSP+CPLD/FPGA 架構(gòu)，這種架構(gòu)不但開發(fā)成本較高，且開發(fā)及維護(hù)難度較大、周期長。本文提出基于單片F(xiàn)PGA 的molding 機(jī)雙軸運(yùn)動控制器，使系統(tǒng)進(jìn)一步集約化，能夠減少開發(fā)、生產(chǎn)、維護(hù)的成本。本設(shè)計(jì)采用Xilinx 公司近期推出的spartan-6 系列，其內(nèi)置的DSP48A1 Slice 可以把持實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動控制算法設(shè)計(jì)，并保持系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

控制策略采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法［2］、非對稱S曲線加減速規(guī)劃算法、多段預(yù)讀軌跡速度規(guī)劃算法。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)框圖如圖1 示。主控芯片采用Xilinx Spartan-6 系列FPGA，采用硬件(IP 核)實(shí)現(xiàn)底層的運(yùn)動控制算法，再嵌入Xilinx 提供的MicroBlaze 軟核實(shí)現(xiàn)頂層的算法及進(jìn)行流程控制，各算法IP 核的并行處理及通過調(diào)用內(nèi)置的DSP48A1 Slice 處理較復(fù)雜的數(shù)字運(yùn)算，可以保持系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)高精度的插補(bǔ)運(yùn)算。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

1.1 MicroBlaze 軟核模塊

在MicroBlaze 軟核模塊內(nèi)，主要實(shí)現(xiàn)速度規(guī)劃算法，對上位機(jī)下傳的軌跡函數(shù)進(jìn)行粗插補(bǔ)擬合及加減速規(guī)劃，并將擬合后的微線段及其加減速規(guī)劃參數(shù)順序放到緩存中，供后續(xù)的精插補(bǔ)模塊及伺服控制模塊讀取。

此外，軟核還負(fù)流程控制，執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)各模塊的協(xié)調(diào)配合任務(wù)，如外部SDRAM 數(shù)據(jù)讀寫與傳遞等。

1.2 其他功能模塊

精插補(bǔ)模塊與伺服控制模塊分別順序讀取MicroBlaze 軟核粗插補(bǔ)后的微線段參數(shù)與加減速規(guī)劃參數(shù)。精插補(bǔ)模塊通過接收伺服電機(jī)返回的位置脈沖信號，每隔一個(gè)精插補(bǔ)周期實(shí)時(shí)采樣一次雙軸當(dāng)前位置信息，參與到精插補(bǔ)過程中，可消除累積誤差。

伺服控制模塊分別從MicroBlaze 軟核與精插補(bǔ)模塊獲得速度規(guī)劃參數(shù)與精插補(bǔ)后的軌跡參數(shù)，再把補(bǔ)償修正后的兩軸的進(jìn)給量同時(shí)輸出到伺服機(jī)構(gòu)執(zhí)行，確保精度。

2 運(yùn)動控制算法分析

為提高雙軸聯(lián)動軌跡精度，采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法進(jìn)行軌跡規(guī)劃，再以非對稱S 曲線加減速規(guī)劃算法與多段預(yù)讀軌跡規(guī)劃算法進(jìn)行加減速速度規(guī)劃，可減少機(jī)床振動，提高加工效率。

2.1 非對稱S 曲線加減速規(guī)劃

完整的S 曲線包含7 個(gè)階段，如圖2 示，依次為:加加速階段、勻加速階段、減加速階段、勻速階段、加減速階段、勻減速階段，減減速階段［4］，一般設(shè)初始速度與末速均為0，有T1=T2=T3=T5=T6=T7，整個(gè)S 曲線呈左右對稱，其始末速度均為0，加工過程頻繁起動制動，不但效率降低，且會對機(jī)床造成很大沖擊。

圖2 對稱S 曲線加減速規(guī)劃

本文提出非對稱S 曲線加減速規(guī)劃算法，即在連續(xù)軌跡加工中每一段微線段的起始速度vs和終止速度ve是不一定相等的，其速度曲線如圖3 所示，加速段的加加速過程時(shí)間、勻加速過程時(shí)間、減加速時(shí)間分別為T1、T2、T3，勻速時(shí)間為T4、減速段的加加速過程時(shí)間、勻加速過程時(shí)間、減加速時(shí)間分別為T5、T6、T7，由加速段與減速段的對稱性可知T1=T3，T5=T7。

非對稱S 曲線加減速規(guī)劃受給定速度和微線段的長度約束，七段過程不一定全都出現(xiàn)，基本可以分為4 種運(yùn)行情況，以加速度曲線作分析，如圖4 所示。

圖3 非對稱S 曲線加減速規(guī)劃速度圖

圖4 非對稱S 曲線速度規(guī)劃加速度示意圖

(1)微線段的長度過小且給定速度過小，因而加速度無法到達(dá)最大值，且沒有勻速過程。

(2)給定速度過小，微線段的長度較大，因而加速度無法到達(dá)最大值，但含有勻速過程。

(3)給定速度已經(jīng)足夠大，但微線段的長度不夠大，加速度能達(dá)到最大值，但沒有勻速過程。

(4)完整的七段S 曲線加減過程。

S 曲線加減速規(guī)劃就是根據(jù)機(jī)器的加加速度，加速度，加工速度和粗插補(bǔ)微線段的長度大小，確定各段微線段對應(yīng)上述哪一種運(yùn)行情況，并確定各過程運(yùn)行的時(shí)間。本文提出起以初速度為vs、末速度ve、加速時(shí)間Ta、減速時(shí)間Td、指令速度V 和微線段長度L 為初始條件的非對稱S 曲線加減速規(guī)劃算法。

令機(jī)器最大加速度為Am，最大加加速度為Jm，當(dāng)要達(dá)到最大加速度Am，則最小的加速時(shí)間(或減速時(shí)間)為Ts=。具體規(guī)劃過程如下:

(1)通過對比給定加速時(shí)間Ta與Ts的大小，分為以下3 種情況。

②當(dāng)Ts＜Ta≤時(shí)，取T1=T3=，T2=Ta－Ts;對于減速段有T5=T7=，T6=Td－Ts。

③當(dāng)Ta＞時(shí)，取T1=T3=，T2=Ta－Ts;對于減速段有T5=T7=，T6=Td－Ts。

(2)根據(jù)(1)中的結(jié)果確定在各段微線段能夠達(dá)到的最大速度vm，令vl=min(vs，ve)，則有vm=vl+(T1+T2)Am，比較指令速度V 和vm的大小確定加速時(shí)間約束下能達(dá)到的最大運(yùn)行速度。

(3)根據(jù)微線段長度大小確定勻速時(shí)間的大小，由上步中確定的最小位移sm和微線段長度L 的關(guān)系確定是否含有勻速段。

當(dāng)L≤sm，則不含勻速段，即勻速時(shí)間為，T4=0。

在確定S 曲線加減速規(guī)劃各階段運(yùn)行時(shí)間后，由S 曲線的幾何對稱性和圖形面積積分法，可以得出運(yùn)行的加加速度大小為:

據(jù)上式求出運(yùn)行的加加速度可以避免因時(shí)間分割離散化造成的給定路徑不是插補(bǔ)線段整數(shù)倍的問題，俗稱“尾巴”問題。

2.2 多段預(yù)讀軌跡速度規(guī)劃

多段預(yù)讀S 曲線加減速規(guī)劃就是判斷轉(zhuǎn)接點(diǎn)之間的距離大小是否滿足兩轉(zhuǎn)接點(diǎn)的速度按S 曲線加減速規(guī)律進(jìn)行速度變化形成的位移量。

設(shè)li為第i 段微線段長度，Δv 為轉(zhuǎn)接點(diǎn)間速度變化量、sse為兩轉(zhuǎn)接點(diǎn)速度按S 曲線加減速變化形成的距離，以最大加加速度Jm和最大加速度am規(guī)律運(yùn)行時(shí)加速度曲線從三角形向梯形變化的臨界面積為vlim，根據(jù)S 曲線加減速規(guī)律易得:

當(dāng)Δv≤vlim時(shí)沒有勻加速過程，此時(shí)有:

當(dāng)Δv ＞vlim時(shí)，在轉(zhuǎn)接點(diǎn)間加減速時(shí)含有勻加速過程，此時(shí)有:

多段預(yù)讀軌跡速度規(guī)劃過程如下:

(1)當(dāng)vi≤vi+1且li＜sse時(shí)，從第i 個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)到第i+1 個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)之間必須加速，且須要減小vi+1的值使li=sse成立，然后繼續(xù)執(zhí)行第i+1 個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)到第i+2個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)間的規(guī)劃。

(2)當(dāng)vi＞vi+1且li＜sse時(shí)，從第i 個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)到第i+1 個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)之間必須減速，且須要減小vi的值使li=sse成立;并且當(dāng)vi減小后，需要重新判斷第i－1轉(zhuǎn)接點(diǎn)到第i 個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)，若vi－1＞vi，且li＜sse則需要減小vi－1，并回歸到前一個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)再判斷，直到前面的轉(zhuǎn)接點(diǎn)修正完畢。若在第i－1 個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)有vi－1≤vi，則直接減小vi就可以，不用往回遞歸判斷。

(3)當(dāng)vi≤vi+1且li≥sse或者vi≥vi+1且li≥sse，則不用修改第i 個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)和第i +1 個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)的速度，繼續(xù)執(zhí)行第i+1 和i+2 轉(zhuǎn)接點(diǎn)間的規(guī)劃。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 控制性能驗(yàn)證

搭建Molding 機(jī)的運(yùn)動核心部分:X-Y 運(yùn)動控制平臺，在PC 機(jī)上用Matlab 搭建數(shù)據(jù)平臺，數(shù)據(jù)平臺中設(shè)置加工軌跡等相關(guān)信息，再將設(shè)置信息傳送到運(yùn)動控制器中。運(yùn)行過程中控制器將采集到的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到Matlab 數(shù)據(jù)平臺中，再利用Matlab自帶工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性能分析，如軌跡精度、速度規(guī)劃效果等。設(shè)定的加工軌跡如圖5 所示。指令進(jìn)給速度V=62.5mm/s，加工允許誤差e =0.01mm，兩軸最大加速度Ax=Ay=2000m/s2。

圖5 設(shè)定的加工軌跡

對軌跡單段加工過程速度曲線如圖6 所示，采用非對稱S 曲線速度規(guī)劃算法加工過程的速度曲線如圖7 所示。X、Y 軸的加工誤差如圖8、圖9 所示。

對比圖6、圖7，采用由上述各圖可以看出非對稱S 曲線速度規(guī)劃算法可明顯提高微線段轉(zhuǎn)接點(diǎn)間的速度，起到了提高加工效率與減少振動的效果，且X、Y 軸的加工誤差均小于允許誤差e=0.01mm。

圖6 單段加工速度曲線

圖7 非對稱S 曲線規(guī)劃加工速度曲線

圖8 X 軸加工誤差(單位10 －3mm)

圖9 Y 軸加工誤差(單位10 －3mm)

3.2 方案成本分析

將本設(shè)計(jì)方案與作者所在團(tuán)隊(duì)之前采用DSP +FPGA 架構(gòu)方案進(jìn)行對比分析，結(jié)果如下。

器件成本方面，市面上滿足本設(shè)計(jì)基本要求的DSP 芯片價(jià)格不低于100 元，F(xiàn)PGA 價(jià)格不低于50元，而本方案所采用的滿足基本要求的spartan6 系列器件價(jià)格一般在80 到100 元之間。另外，主控制芯片減少了，其外圍輔助電路元件也相對減少，可進(jìn)一步縮減成本，也可縮小控制板尺寸，本方案的控制板尺寸只有8cm* 6cm，如圖10 所示，進(jìn)而可節(jié)省安裝成本。綜合起來，本方案在器件成本方面相對DSP+FPGA 架構(gòu)方案節(jié)省了至少30%。

圖10 本設(shè)計(jì)方案控制板外觀

人力成本方面，采用DSP +FPGA 架構(gòu)方案，通常需要DSP 開發(fā)人員與FPGA 開發(fā)人員分別在各自的開發(fā)環(huán)境協(xié)同開發(fā)與維護(hù)，必然增加溝通成本與開發(fā)周期。本設(shè)計(jì)方案采用單片F(xiàn)PGA，只需要FPGA 開發(fā)人員在單一開發(fā)環(huán)境便可進(jìn)行開發(fā)與維護(hù)，提高了效率與靈活性，節(jié)省了人力成本。

LED 照明產(chǎn)業(yè)正處于朝陽期，不斷涌現(xiàn)的新型照明LED 對過程生產(chǎn)設(shè)備不斷提出新的工藝要求，molding 機(jī)也不例外。本設(shè)計(jì)方案使molding 機(jī)控運(yùn)動制器的開發(fā)維護(hù)周期縮短，靈活性提高，成本降低，使其能夠及時(shí)適應(yīng)LED 照明產(chǎn)業(yè)的新需求。

4 結(jié)束語

本文提出基于FPGA 的LED 生產(chǎn)設(shè)備Molding 機(jī)雙軸聯(lián)動運(yùn)動控制器，在單片F(xiàn)PGA 上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法、非對稱S 曲線加減速規(guī)劃算法、多段預(yù)讀軌跡規(guī)劃算法，不僅減少了開發(fā)、生產(chǎn)及維護(hù)成本，在性能方面也能達(dá)到高效平穩(wěn)地運(yùn)行，且精度滿足要求。

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