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基于嵌入式数控系统平台运动控制算法的实现与优化导师
课题背景 ARM+DSP-新一代的解决方案 DSP具有强大的数据处理能力和较高的运行速度 ARM处理器具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高等特点,同时又兼有开发资源丰富、界面友好等优点 课题背景 运动控制算法演变 加减速控制方法是运动控制算法的核心之一。 ①直线加减速 ②指数加减速 ③S形曲线加减速 - ①和②虽然计算量小,编程简单,但是在加减速阶段存在加速度突变的现象,导致机床可能产生剧烈振动 - 数字卷积技术推导而来的基于滑动滤波的速度规划算法能够很好防止加速度突变,平滑拐角速度,而且具有数字卷积特征,能够充分利用DSP硬件乘法器 课题背景 ■ 因此,探讨在ARM+DSP数控系统平台架构下,将基于滑动滤波的速度规划运动控制算法和卷积算法实现优化作为实例,从而建立一套运动控制算法在嵌入式数控系统平台优化流程模型,并对实验优化结果分析比对 涉及到DSP核心的算法设计优化流程以及IQmath浮点库原理与应用 总结了一套基于DSP的运动控制算法的设计和优化流程模型,为进一步设计开发优化嵌入式运动控制器有一定的借鉴意义。 研究进展 ②DSP指令集、基础库、硬件存储布局 -指令集 包括汇编指令集和内联函数指令集 -基础库 包括DSPLIB数学库和IQmath浮点库 -硬件存储布局 包括CMD配置文件,关键寄存器的位置读写方式,GPIO等配置方式 研究进展 IQmath原理 ①IQmath提供了30种Q格式 QK的相应格式为小数点加在第K位的右侧,定点数的大小按如下计算: 例如: 我们选择Q15定点数格式,则对应的32位有符号定点数的格式如下: 其中S为符号位,I为整数部分,F为小数部分。 研究进展 ② IQmath库的使用 使用IQmath浮点库必须将程序中的浮点数据全部转化为Q格式,IQmath库支持C/C++语言开发。涉及数据运算都要采用IQmath库函数,这些函数由汇编语言改写,运算速度极高 1格式转换函数 IQ() ,IQN(),IQtoF(),IQtoIQN()等。 2算术运算函数IQmpy(),IQdiv()等。 3三角运算函数IQsin(),IQcos(),IQatan2()等。 研究进展 ■ 在中断机制基础上分割运动控制类任务,建立结构独立,任务分离的软件架构 (1)针对嵌入式数控系统平台ARM+DSP异构双核特点,将底层SSB-III的总线控制卡与DSP核心间建立中断机制. 研究进展 (2)在中断机制建立之后,结合DSP/BIOS实时操作系统特点划分运动控制类任务在DSP和ARM核心上,构成结构独立,任务分离的软件架构 研究进展 研究进展 ■ 优化C代码方法 编译器选项优化 减小代码相关性,多使用const关键字 多使用内联函数,少使用函数调用 软件流水线的优化方法 IQmath库改写 实验方案 ■ 系统平台特性 影响实时系统性能的一个重要指标就是中断延迟时间 (1) 任务集中分配于ARM核心,最大延迟时间为4.08us (2)任务分割在ARM+DSP核心,最大延迟时间为5.7us (3)任务集中ARM核心,系统负载90%以上,任务分割后系统负载30%左右 未来规划 基于滑动滤波的速度规划算法能够很好的避免加速度突变带来的机床抖动,而滑动滤波可能经过再次优化转化为S型曲线加减速,这个是下个探究的方向 下一步工作准备对滑动滤波算法进行研究探索,形成新的速度规划算法,预计在12月份完成。然后继续学习相关知识,努力寻求解决上述存在的问题的解决方法 致谢 感谢于东、胡毅老师及高精数控实验室各位老师和师兄对我课题的悉心指导和大力支持 感谢研究生部各位老师的长时间以来给予我生活学习上的照顾 感谢各位评委老师在百忙之中来指导我的开题工作 * * * * * * * * 中国科学院沈阳计算技术研究所 基于嵌入式数控系统平台运动控制算法的实现与优化 导师:于东 研究员 答辩人:贾小波 --硕士研究生中期论文答辩 中国科学院沈阳计算技术研究所 内容 课题背景 研究进展 实验方案 未来规划 研究成果 中国科学院沈阳计算技术研究所 课题背景 国内基于ARM平台的数控系统 - 北京凯恩帝 ① K1000 - 广州数控的产品 ① GSK928TE ② GSK980TB2 - 国外著名数控系统厂商 ① FANUC?Series?0i-Model 中国科学院沈阳计算技术研究所 课题背景 数控系统所具有的运动控制算法性能的优劣将直接
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