CN100377019C - 嵌入式多轴运动控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式多轴运动控制器，RAM扩展和ROM扩展与DSP控制器相连，共同完成数据存储和数据处理，TCP/IP接口用于DSP控制器与上位机之间的连接，进行数据链路层的协议处理；D/A转换卡接收DSP控制器的控制数据后进行数模转换，然后由输出驱动模块进行隔离与放大输出以驱动伺服控制单元；倍频计数器对接收的位置反馈信号进行整形、倍频和计数，再输入给由DSP控制器。本发明由支持浮点运算DSP(DigitalSignalProcessing)构成的嵌入式系统实现系统的高速高精运动控制，由DA通道和高速倍频计数器反馈实现高速高精控制，并通过通用TCP/IP接口实现系统的开放式控制与信息共享。

Description

嵌入式多轴运动控制器

技术领域

本发明属于自动化技术和先进制造技术领域，具体涉及一种嵌入式多轴运动控制器。

背景技术

目前开放式数控系统的体系结构主要有两种：(1)CNC+PC主板：把一块PC主板插入传统的CNC机器中，PC板主要运行实时操作系统，CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制，其中有代表性的产品主要是Fanuc公司的CNC系列产品；(2)PC+运动控制板：把运动控制板插入PC机的标准插槽中作实时控制用，而PC机主要作非实时控制。其中主要有PMAC公司、国防科大、凌华公司的相关产品。这两类产品的特点仍然离不开与PC机的总线连接方式，其主要优点在于数据传送速度快，一体化程度高，并行计算技术成熟。其主要缺点在于不适合复杂的分布式控制系统，可控节点数有限，控制节点成本较高，对现场PC系统的抗干扰要求高。

现场总线(FieldBus)是工厂底层设备之间的通信网络，是计算机数字通信技术在自动化领域的应用，为车间底层设备信息及生产过程信息集成提供了通信技术平台。SERCOS总线是一种数字驱动设备与运动控制器间的开放化网络接口，由德国机床协会和德国电力电子协会于1987年联合推出，传输速率达16Mbit/s，可直接进行运动轴伺服信息的传输。

目前的数控系统各节点之间的连接主要基于Sercos总线或Profibus现场总线系统。该连接方式的主要优点在于适合现场连接，有冲突和优先权处理机制，抗干扰能力较强。其主要缺点在于数据传送速率低，接口通用性差，需专用网络与管理软件，传送距离有限，网络建设与运行成本高。

运动控制的反馈主要来自光栅尺与编码器。输出控制有直接的PWM输出以及模拟量和脉冲控制。前者适合直接驱动电机，主要解决的是驱动方法与驱动能力问题；后两者主要是对伺服驱动器提供控制信号。由于运动控制器主要应该解决系统的高速高精运动控制问题，因此反馈的测量速度以及输出的控制精度是主要需考虑的问题。目前大多数系统的模拟量控制精度为12位，反馈计数精度为0.1-1uM时，计数速度＜2MHz。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能克服上述缺陷的嵌入式多轴运动控制器，它易于实现分布式的高性能控制，适合复杂的分布式控制系统，可控节点数不受系统插槽限制，控制节点成本低；其接口数据传送速率高，接口通用性好，不需专用网络与管理软件，网络建设与运行成本低，有利于与制造平台和通用管理信息系统实现集成；可实现高速、高精度运动控制算法。

本发明的嵌入式多轴运动控制器，包括DSP控制器、倍频计数器、D/A转换卡和输出驱动模块，其特征在于：它还包括RAM扩展、ROM扩展和TCP/IP接口；RAM扩展和ROM扩展与DSP控制器相连，共同完成数据存储和数据处理；TCP/IP接口用于DSP控制器与上位机之间的连接，进行数据链路层的协议处理；D/A转换卡接收DSP控制器的控制数据后进行数模转换，然后由输出驱动模块进行隔离与放大输出以驱动伺服控制单元；倍频计数器对接收的位置反馈信号进行整形、倍频和计数，再输入给DSP控制器。

本发明由支持浮点运算DSP(Digital Signal Processing)构成的嵌入式系统实现系统的高速高精运动控制，由DA通道和高速倍频计数器反馈实现高速高精控制，并通过通用TCP/IP接口实现系统的开放式控制与信息共享。本发明与现有技术比较具有以下特点：

(1)不同于通常的IPC+DSP总线硬连接结构，系统采用网络接口+DSP软连接结构，易于实现分布式的高性能控制，适合复杂的分布式控制系统，可控节点数不受系统插槽限制，控制节点成本低，现场PC系统不再是必须的配置。

(2)不同于传统节点连接主要基于Sercos总线或Profibus现场总线系统，而采用基于TCP/IP协议的Internet/Intranet网络接口，该接口数据传送速率高，接口通用性好，不需专用网络与管理软件，理论上传送距离没有限制，网络建设与运行成本低，有利于与制造平台和通用管理信息系统实现集成。

现有的运动控制卡在大多数情况下与伺服控制系统共同完成系统控制，而本发明提供的运动控制器更着重于多轴协调及高速、高精度复杂运动控制算法的实现。为了实现更好的技术效果，本发明可采用32bit的浮点运算DSP，采用了16位并行D/A输出控制与10MHz、28bit的位置反馈，以更有效地配合32bit浮点运算DSP实现高速、高精度运动控制算法。

附图说明

图1为嵌入式多轴运动控制器的结构示意图；

图2为倍频计数器的功能结构图；

图3为本发明的一种具体实施方式的结构示意图；

图4为TCP/IP接口的一种具体实施方式的结构示意图；

图5为嵌入式多轴运动控制器的总体控制示意图；

图6为本发明的控制流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括DSP控制器1、RAM扩展2、ROM扩展3、TCP/IP接口4、D/A转换卡5、倍频计数器6和输出驱动模块7。

DSP控制器1完成网络协议层协议处理，上位计算机命令的解释与执行，反馈数据的计算，并根据控制要求、反馈数据完成插植计算和位置闭环控制。

ROM扩展3存储DSP运行程序和固定的控制参数。

RAM扩展2存储网络通讯数据、反馈数据、动态控制参数与各种计算结果。

TCP/IP接口4完成数据链路层的协议处理，数据帧的接受与发送，数据校验与缓冲。

D/A转换卡5完成控制数据的数模转换，然后由输出驱动模块7进行隔离与放大输出以驱动伺服控制单元。

倍频计数器6完成位置测量信号的倍频、计数，运动方向的判别，以及各部件之间的地址译码与数据缓冲。倍频计数器6的功能如图2所示，它包括信号四倍频处理、计数与方向信号处理和地址与数据接口处理三个并行的工作模块。为提高高频计数的可靠性，消除相应的冒险竞争并实现与DSP的同步操作，采用DSP输出的同步时钟信号作为时序逻辑设计的触发信号。

本发明控制器由倍频计数器6对接收的位置反馈信号进行整形、倍频和计数，再输入给由DSP控制器1、RAM扩展2及ROM扩展3构成核心运算系统，TCP/IP接口4实现通用以太网接口，D/A转换卡5和输出驱动模块8实现控制输出。

图3、图4列举了本发明的一种具体实施方式，下面加以具体说明。

为了满足高精度、高动态控制算法的运算要求，加上本发明并不用于对驱动部件的直接控制，因此不再采用国内普遍使用的TMS320C240，而采用可进行浮点运算的32bitDSP控制器。本实施例采用TI公司的TMS320C3X系列32bit浮点DSP芯片，由于嵌入式系统需要支持程序引导，在该系列中TMS320C32较为合适。TI公司(Texas Instruments)的DSP/BIOS软插件和DSP/BIOS RTA(Real-Time Analysis，实时分析)软插件是创建DSP嵌入式软件外结构的好的选择。尤其是对高端的DSP，其信号分析与实时管理功能大大能提高设计效率和系统的可维护性。基于嵌入式平台的DSP系统提供了更好的实时控制功能和信息共享接口，有利于提高系统的稳定性及构建开放式的数控系统。ROM扩展3选用FLASHAM29F400，RAM扩展选用CY7c109。FLASHAM29F400用来存储控制程序、上电后FLASHAM29F400中的程序装入快速RAM存储器CY7c109中开始运行。

本发明采用TCP/IP接口，使其具有开放式信息接口。由于本发明支持通用的TCP/IP协议，支持该协议的控制器既可以独立使用，也可以通过Intranet构建分布式数控系统，并可通过Intranet/Internet直接构成开放式制造平台，使控制系统不再受传送距离与硬件成本的限制，不需要构建专用网络，专用本地PC也不再是必须的配置。对于嵌入式系统其核心协议驱动采用RTL8019已可满足要求，初始化参数采用93LC46芯片实现8019的上电初始化。高层的ARP协议、IP协议、UDP协议和TCP协议由DSP程序完成。译码电路完成8019与DSP的接口功能，晶振提供8019所需的工作时钟信号。

为满足高速高精运动控制的要求，D/A转换卡5采用16bit、100K四通道D/A输出，所有I/O采用高速光电隔离以提高系统的抗干扰能力。本实施例采用四通道的DAC7744，四个通道的切换由DSP输出的地址线实现，并通过16bit数据线实现数据传送。DAC7744的输出经过放大驱动伺服运动控制器。DC/DC模块提供DAC7744工作电压和基准电压。

为了实现高速、高精度位置反馈，倍频计数器6采用Altera公司的FLEX10K10构成四路、10M以上的28bit位置反馈计数通道FPGA(FieldProgrammable Gate·Array)，计数精度10nm时，计数速度可达300m/分，计数长度可达1m。FPGA还能实现转向判断和零复位功能。光栅尺反馈信号经过倍频处理后进入FPGA构成的计数器，FPGA可实现28位10MHz以上的计数、正反转判断以及与TMS320C32的数据接口。

本发明的控制总体结构如图5。主要由TCP/IP协议转换与命令解释模块实现与上位机的通信、运算与控制模块实现控制算法的运算、反馈信号处理模块实现光栅尺反馈计数、控制信号处理模块实现伺服驱动。

TI所提供的DSP/BIOS和DSP/BIOS RTA软插件是属于CCStudio(Code Composer Studio，谱码工作室)开发环境中的一部分。DSP/BIOS是一组小型实时操作系统的目标嵌入模块，用在应用程序实时执行时，从应用程序中捕获事件和统计信息，并通过标准物理链路(如JTAG)上载到主机。系统上电后有配置程序实现从FLASH载入主程序到快速RAM中运行，系统程序完成启动栽入后，主循环有三个方面的任务：

(1)先检查上位机有无控制命令和控制数据下传，如果有则进行数据的协议处理和上位机命令解释并设置相应工作状态。

(2检查是否有定时器设置的反馈请求，如果有，从FPGA中取相应的反馈计数，并根据控制要求计算相关的位置参数。

(3检查是否有控制请求，如果有，按照上位机给出的控制要求进行控制算法的运算并判断控制是否达到要求，如果没有则输出本次控制数据进行控制；如果已达到控制要求，设置转换状态，准备下一次控制循环。

上述控制器的工作过程如下：

以太网控制芯片(RTL8019)主要完成数据链路层的协议处理，当DSP(TDS320C32)要向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程DMA(存贮器直接传送)通道送到RTL8019中的发送缓存区，然后发出传送命令。RTL8019在完成了上一帧的发送后，再完成此帧的发送。RTL8019接收到的数据通过微处理器比较、循环冗余校验后，存到接收缓冲区，收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。DSP接受到RTL8019的数据后，完成网络地址解析和简单网络协议转换，并最终得到上层服务器的控制命令与数据。

DSP得到服务器通过以太网发送来的控制命令和数据后，经过插补运算得到每一步的控制参数和控制目标值，同时通过FPGA(FLEX10K10)构成的计数器得到当前的位置反馈信号和速度值，然后按照选定的控制方法通过D/A(DAC7744)转换送出控制信号，完成每一步的闭环控制。

FPGA的反馈信号由光栅尺输入的A、B相信号(每轴)通过逻辑门形成A、B相四倍频信号和运动方向信号，然后通过28位加减计数器记录当前位置，当DSP需要位置反馈信号时，由DSP输出反馈请求信号和所需的加工轴，FPGA向DSP返回当前位置计数值。

本发明的程序流程图如图5所示。

其中，网络协议处理模块可分为网络接口层设计(包括网卡初始化、发送控制和接收控制三部分)、Internet层设计(主要为ARP与IP协议设计)、传输层设计(UDP和TCP协议设计)和应用层设计(命令解释)。实现地址解析协议ARP向局域网广播ARP请求，接收ARP应答，并响应ARP请求。为提高ARP协议的效率，减少网络中广播包的数量，对协议做了优化。要求协议建立ARP表对地址进行缓存及ARP表的动态更新，即地址老化。IP协议关键是实现一个效率高且通用的IP校验程序。为适应高速控制数据传输，采用UDP效率高，系统开销小，其可靠性采用自行设计的校验方法以提高效率。

Claims (2)

1.一种嵌入式多轴运动控制器，包括DSP控制器、倍频计数器、D/A转换卡和输出驱动模块，其特征在于：它还包括RAM扩展(2)、ROM扩展(3)和TCP/IP接口(4)；RAM扩展(2)和ROM扩展(3)与DSP控制器(1)相连，共同完成数据存储和数据处理，TCP/IP接口(4)用于DSP控制器(1)与上位机之间的连接，进行数据链路层的协议处理；D/A转换卡(5)接收DSP控制器(1)的控制数据后进行数模转换，然后由输出驱动模块(7)进行隔离与放大输出以驱动伺服控制单元；倍频计数器(6)对接收的位置反馈信号进行整形、倍频和计数，再输入给DSP控制器(1)。

2.根据权利要求1所述的嵌入式多轴运动控制器，其特征在于：DSP控制器(1)为可浮点运算的32bitDSP；D/A转换卡(5)为16bit、100K四通道D/A输出；倍频计数器(6)具有四路、10M以上的28bit位置反馈计数通道。

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