激光微加工系統及基于DSP+FPGA的控制單元設計

2.2 下位機硬件系統

下位機硬件系統是以DSP和FPGA為核心的控制單元。為了減少通信的數據量，上位機軟件平臺僅僅完成對圖形的簡單解析，大量的數據處理工作由DSP 來完成，通過對圖形數據和加工參數的接收處理，生成X/Y方向的速度、方向、加工時間(對應直線段的長度)和激光的參數。FPGA用來實現對運動平臺的控制。圖3為硬件系統的原理框圖。

DSP采用TI公司的TMS320VC5501定點型處理器。該芯片主頻最高為300 MHz，存儲空間為16 KB，支持SDRAM的接口和低內核電壓，內部集成2個乘法器，每個乘法器在單周期可執行17位的乘法運算，滿足微加工系統對數據處理方面的要求。DSP 實現的主要工作：與上位機通信；對圖形數據進行存儲與讀取；對圖形數據進行計算處理，生成符合FPGA工作的加工數據格式；把加工數據存儲到FPGA加工數據區。

SDRAM用來存儲上位機發送來的動態圖形數據。當開始加工時，DSP從SDRAM中讀取圖形數據，按照步進電機的控制算法，對每一條直線段進行處理。同時通過RS232串口改變激光的工作模式、能量和脈沖重復率等參數，并控制激光器的出光。FLASH存儲器用來存放DSP程序，每次上電后，程序自動由FLASH加載到DSP內存。CPLD作為DSP的橋路來連接其他器件。

FPGA采用Altera公司的Cyclone系列器件EP1C6T144。EP1C6系列FPGA擁有5 980個邏輯單元和20個M4K RAM塊，總計92 160 bit的內置RAM。利用FPGA的高速同步處理特點，實現對多維運動的控制。使用Verilog HDL語言，在Quartus Ⅱ環境下編寫完成。在一片FPGA芯片上實現了多軸完全相同但彼此相互獨立的操作模塊，又集成了多軸聯動的處理機制。根據DSP計算出來的單條直線段的 X/Y速度，輸出對應頻率的方波信號控制步進電機的運動。加工時間作為定時器參數控制所加工直線段的長度，在定時到達后，無延遲地切換到下條直線段的執行。為了避免等待數據造成的加工停頓，FPGA加工模塊采用了雙存儲器交替加工的結構，即在FPGA內部有2個完整的存儲單元，每個存儲單元包括4個存儲區：X軸的速度、Y軸的速度、直線段加工時間和激光器的參數。每個存儲區最多可以保存128條加工數據。當FPGA執行其中一個存儲單元的加工數據時，DSP可以計算并把加工數據寫入另一存儲單元，如圖4所示。

為了防止從步進電機驅動器引入干擾信號到FPGA，在FPGA輸出到電機驅動器的每路信號上都采用了光電隔離器。此外，為了提高系統精度，有很多輔助設置應用于系統中，這些信號都接入到FPGA，由FPGA進行監控。如采用輔助氣體提高加工效果，通過限位開關進行運動保護等。

2.3 數據算法及誤差處理

加工圖形包括了直線、圓、圓弧和其他曲線。按照加工精度要求，在上位機軟件中把圓等曲線分解為一系列首尾相連的矢量，即全部按照直線段進行加工。在直線的加工過程中，根據步進電機的特性，靜止狀態時有靜摩擦。為了克服靜阻力，使電機平穩運轉，在對電機的控制上，必須有加減速區的設置，實現“S”型的步進電機控制曲線(如圖5所示)，從而避免了因為起速或減速過快造成的振動，使步進電機產生丟步的現象。加工時電機將按給定的速度逐級變化，V1是步進電機能平穩啟動的速度，V是設置的圖形加工速度。可見，加減速區就是用多段幅值較小的速度變化替代一次較大的速度變化。對速度的細分可以采用列表的方式，DSP在進行輸出處理時，將根據直線段的長短和要求的加工速度，計算得出加減速區的級數。系統采用FPGA定時的方式對加工的長度進行控制，故本系統采用固定每級的加工時間TC來進行加減速區的處理。

按照上面的算法和處理原理進行了整個系統的設計，但是加工效果并不好，有些地方圖形不閉合。通過分析加工算法發現，加工誤差主要來源于累積誤差和 FPGA誤差。

為了提高精度，DSP內部按照浮點數據格式運算，但是送給FPGA的數據卻是整型數據，所以在從浮點轉整型數據的過程中，小數位被丟失。當矢量個數很多時，舍棄的小數位數據進行大量累積，使加工效果變差。作為一個現場可編程邏輯芯片，FPGA因為其高速同步的特點，被用于對電機的控制，但其也有自身的缺陷。在排除了其他誤差的可能性后，對FPGA的性能進行了標定，發現隨著速度的提高，FPGA的輸出會產生錯誤。根據高精度計數器的標定，當電機控制信號速度變大后，會有不同程度的脈沖個數丟失。

在經過對上面兩個誤差的修正后，選用硅（100）進行了部分微加工的實驗。通過光學顯微鏡對結果進行觀測可知，系統實現了較好的微加工效果。在空氣環境下，采用20 kHz的激光頻率，獲得激光輸出能量為150 μJ，在2 mm/s的運動速度下加工出微六邊形，如圖6所示。

為了滿足微加工的需要，設計了納秒脈沖激光微加工系統，尤其是實現了具有圖形解析和高速數據處理功能的控制單元，解決了現有設備的關鍵問題，使加工系統在操作性和精度上都有很大提升，為下一步工作的展開奠定了良好的基礎。