CN101763071A - 一种独立式多轴运动控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独立式多轴运动控制器，由主控板、通信板、接口板和电源板组成，安装在一个带散热孔、AC220V电源和输入输出连接端子的屏蔽盒内，所述主控板包括DSC处理器、DSC外部总线、FPGA芯片、外部SRAM以及其它接口电路；所述通信板包括千兆以太网物理芯片、脉冲变压器、LCD显示模块以及通用可编程I/O端子；所述接口板包括光电编码器输入接口端子、模拟输入端子、模拟控制输出端子、脉冲控制输出以及光电隔离I/O端子。本发明在单片FPGA上集成了RSIC处理器和与DSC及主控机的运动控制高速接口，控制器本体与主控机完全分离，通过千兆以太网实现了对目标设备的高速、高精度、全闭环位置控制。

Description

一种独立式多轴运动控制器

技术领域

本发明涉及一种独立式多轴运动控制器，属于智能控制器领域。

背景技术

运动控制器是通过对以电机驱动的目标装置或设备进行协调控制，使其按照预期的作业轨迹进行运动的控制装置。它是电子、机械制造业的核心技术装备。从与主控计算机数据通信方式来分，目前运动控制器主要分为两类：一是基于计算机标准并行总线(如PCI、ISA总线)的运动控制器，二是基于计算机标准串行总线(如USB、RS-232、Ethernet等)的运动控制器。前者通常做成控制卡，通过″金手指″与主控计算机主板扩展槽物理连接，并与主控机共电源。后者通常做成独立控制器，通过″串行通信电缆″与主控计算机连接，由于它在结构上与主控机完全脱离，所以又称独立式运动控制器。实践表明，基于并行总线的运动控制器存在以下不足：(1)运动控制卡不能脱离主控计算机主板，易受电磁辐射干扰；(2)运动控制卡与主机共电源，易产生电源耦合，特别是影响模拟控制(DAC)输出的控制精度；(3)运动控制卡通过″金手指″与主控计算机并行总线作机械接触连接，易产生接触不良，使控制系统不稳定；(4)运动控制器(或主控计算机)与伺服驱动器之间需要相对较长的电缆连接，易受环境影响。

发明内容

本发明针对上述缺点，提供一种高速高可靠性的独立式多轴运动控制器。

本发明可以通过采取以下技术方案予以实现：

一种独立式多轴运动控制器，由主控板、通信板、接口板和电源板组成，安装在一个带散热孔、AC220V电源和输入输出连接端子的屏蔽盒内。其中主控板由DSC处理器、DSC外部总线、FPGA芯片、外部SRAM以及其它接口电路构成。通信板由千兆以太网物理芯片、脉冲变压器、LCD显示模块以及通用可编程IO端子等构成。接口板由光电编码器输入接口端子、模拟输入端子、模拟控制输出端子、脉冲控制输出以及光电隔离输入/输出端子等构成。所述FPGA芯片包括RSIC微处理器、10/100/1000Mbps以太网MAC接口模块、控制脉冲输出接口模块、光电编码器输入接口模块、高速位置捕捉模块、数字I/O接口模块、双向FIFO内存和LCD接口。控制脉冲输出接口模块、光电编码器输入接口模块和数字I/O接口模块的一端分别通过DSC外部总线与DSC处理器相连，另一端通过接口板的连接端子与目标设备的相应接口相连；以太网MAC接口模块的一端与RSIC微处理器相连，另一端通过通信板上的千兆以太网物理芯片及网络变压器和RJ45与远程计算机相连。在通信板上集成一个LCD显示屏，该显示屏通过通信板上的连接器接入DSC外部总线。

本发明还可以包括外部SRAM，所述外部SRAM通过DSC外部总线与DSC处理器相连，用于传输和保存数据。

本发明还包括所述通信板上远程主控计算机客户端应用程序采用G-代码和GALIL宏指令；应用程序通过编译器生成数据文件，并通过TELNET协议下载到DSC运行。

本发明所述FPGA芯片上生成有3个TELNET服务器，其中1个用于控制器信息的传送；1个用于实时指令的传送；1个用于程序指令的传送。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：本发明采用SOC(System on Chip)技术，在单片FPGA上集成了运动控制器的高速接口，再通过DSC处理器对各高速接口进行控制，实现对目标设备(通常是数控系统、机器人系统)的高速、高精度、全闭环位置控制，同时，增设以太网接口，能实现远程控制。本发明应用FPGA，SOC和DSC技术，实现了一种高性能独立式运动控制器，可广泛应用于高速精密数控机床、工业机器人、三坐标测量机、高速贴片机、激光雕刻、等离子切割、PCB钻铣床等其他需要高速、高精度的位置控制的各种场合。

附图说明

图1是本发明的高性能独立式多轴运动控制器的结构框图。

图2是本发明的运动控制器系统软体结构。

图3是本发明的以太网数据通信指令系统示意图。

图4是本发明的DSC运动控制指令系统流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细描述。

如图1所示，本发明控制器由DSC处理器、DSC外部总线和FPGA芯片构成，所述FPGA芯片包括RSIC微处理器、10/100/1000Mbps以太网MAC接口模块、带方向控制脉冲输出接口模块、具有高速位置锁存功能的光电编码器输入接口模块、数字输入/输出接口模块、双向FIFO内存和LCD接口，所述控制脉冲输出接口模块、光电编码器输入接口模块和数字输入/输出接口模块的一端分别通过DSC外部总线与DSC处理器相连，另一端与数控设备的相应接口相连，DSC是一款高性能的32位浮点数字信号处理器，由它处理所有与运动控制相关的指令和程序，并通过对光电编码器接口、控制脉冲输出接口、高速位置锁存和数字输入/输出接口等的控制，实现对目标设备(通常是数控系统、机器人系统)的高速、高精度、全闭环位置控制；所述LCD接口与LCD显示屏相连；所述以太网MAC接口模块的一端与RSIC微处理器相连，通过双向FIFO与DSC处理器相连，另一端通过千兆以太网物理芯片和脉冲变压器及RJ45与远程计算机相连，其中MACIP由FPGA内置的NIOS II微处理器进行管理，负责通过双向FIFO与DSC接收/发送数据。所有器件集成在4块PCB底板上，包括主控板、通信板、接口板和电源板，安装在一个专门设计的带散热孔、AC220V电源和输入输出连接端子的屏蔽盒内。控制器通过标准以太网接口端子RJ45或串行接口端子RS232与主控计算机连接；通过专用接口端子与数控设备连接。此种方案能使运动控制器与主控计算机之间在最大程度上进行电磁隔离，克服了基于并行总线结构的运动控制器的弊端，改善和提高了控制器本身和运动控制系统的稳定性和可靠性。

本发明采用了美国ALTERA公司提供的10/100/1000以太网MAC接口IP软核，该软核可通过ALTERA提供的SOPC构建器软件在CYCLONE III FPGA上实现，并可与其它10/100/1000Mbps以太网物理芯片进行无缝连接。为保证取得高性能，同时考虑对交换数据进行实时处理，还采用了NIOS II RSIC微处理器IP核，并由RSIC微处理器对以太网通讯接口进行管理。脉冲输出控制向位置闭环控制系统提供频率和脉冲个数连续可编程的具有50％占空比的脉冲，且其频率在0-6MHz范围内连续变化。

为保证频率精度，本发明采用了直接数字频率合成器(DDS)技术，具有频率切换速度快，频率分辨率高、对硬件要求低、可靠性高等优点。该DDS脉冲发生器的相位累加器的位数为36位，在时钟频率120MHz时，输出信号频率在0.0017Hz～6MHz，频率分辨率为0.0017Hz。

光电编码器是闭环控制系统的位置检测器件，其精度和分辨率决定了闭环控制系统的精度特性。为提高闭环控制系统的精度和分辨率，需要对光电编码器(或光栅)的输出脉冲进行倍频和鉴相，其目的是提高位置分辨率，获取电机的实际转动方向(或工作台移动方向)，提高抗干扰能力。本发明运用VHDL在FPGA中实现四倍频，鉴相电路采用全数字反馈电路，该电路采用32位可逆计数器，在时钟频率240MH时，输入信号上限频率可达22MH z。实验表明，该电路在时钟频率为信号频率10倍以上时是稳定可靠的。

本发明的软件控制部分主要由客户端运动控制指令系统、下位机端以太网数据通信指令系统和下位机端DSC运动控制指令系统所组成，如图2所示。

(1)客户端运动控制指令系统

客户端运动控制指令系统包括运动控制程序指令、程序指令编译器、行命令编译器、程序下载器、数据通信和客户端图形操作界面等。为了使设计的运动控制器贴切市场，方便运动控制器的使用和应用，针对一般应用，采用了GALIL运动控制指令系统。针对数控加工应用，采用了G-代码指令系统。运动控制指令可通过两种方式执行。一是根据目标任务编写GALIL运动控制程序，或编写G-代码程序，然后调用程序指令编译器将其翻译成能被下位机DSC运动控制指令系统所识别的数据结构，接着调用程序下载器将编译好的数据结构下载到DSC的程序内存区，供下位机指令解释程序调用和执行。二是通过客户端图形操作界面终端，直接通过键盘输入行命令格式的GALIL运动控制指令或G-代码指令，以回车键确认执行。此时客户端运动控制指令系统会自动调用行命令编译器将其翻译成立即执行指令格式，并下载到DSC的行命令内存区，供下位机指令解释程序调用和执行。通过客户端图形操作界面，用户可以针对不同的应用或目标任务，设置和重构系统；可以对设置的运动控制系统进行自诊断；可以尝试选择不同的整定方法对系统PID参数进行整定，以获得满足系统精度特性的系统参数；可以在线查看系统的运动状态；还可对设置的系统进行在线测试等等。

(2)下位机端以太网数据通信指令系统

该指令系统由FPGA内置的RSIC微处理器管理。它一方面采用TCP/IP协议，通过10/100/1000Mbps以太网接口与远程客户端运动控制指令系统进行协调通信和数据传输；另一方面通过FPGA内置的双向FIFO与DSC进行协调通信和数据传输，实现从客户端到DSC和从DSC到客户端运动控制指令和数据的高速、准确和有效地传输，如图3示。

(3)下位机端DSC运动控制指令系统

下位机端DSC运动控制指令系统主要由运动控制指令解释、运动规划、数据采集与分析、控制算法、控制输出、数据通信、系统监控等组成，并采用前端-后端嵌入式实时操作系统结构。系统上电复位后，由系统引导程序对DSC进行复位操作，然后进入操作系统的后端程序。系统进入后端主程序后，首先调用初始化程序，接着启动中断服务程序，然后进入后端控制程序-前端中断服务程序循环。其中，后端控制程序主要负责处理和管理与客户端指令系统程序相对应的数据，对实时控制和状态查询指令做出及时响应。前端中断服务程序是下位机实时运动控制的关键程序。它由指令解释程序、运动插补程序、数据采集与分析程序、控制算法程序以及控制输出程序等组成，如图4所示。指令解释程序从程序指令存储区按行读取程序或实时操作指令，并按规则进行必要的解释；运动插补程序接受指令解释程序处理后的数据，并由此计算插补运动的参数；数据采集与分析程序则实时获取与当前运动相关的各轴电机或工作台的位置、速度、加速度以及限位开关状态数据，并进行必要的分析和处理；控制算法程序根据插补输出和数据采集与分析程序的结果，按一定的控制算法(通常是PID算法)计算用于控制的物理量(对模拟控制方式，通常是电压值；对数字控制方式，通常是一定频率和数量的脉冲)；控制输出程序是控制量的执行环节，由它操作相关硬件，使目标系统完成预定的轨迹运动。

运动插补(又称轨迹规划)是运动控制器针对数控系统应用的一项核心技术。其主要思想是根据目标运动轨迹的特征参数(如直线的起点和终点，圆弧的起点、终点、圆心及走向，螺旋线的起点、终点、半径和螺距等)在运动的起点和终点之间计算出若干中间点的坐标值，以完整描述目标的控制轨迹。此模块支持的轨迹控制方式为点到点(PTP)和连续(CP)两种。所支持的加减速控制规律为梯形、正弦、抛物线；插补轨迹模式为直线、圆弧、3维圆弧、螺旋线、椭圆。为保证插补精度，本发明采用时间分隔法，并通过软件在DSC上实现。

Claims (7)

1.一种独立式多轴运动控制器，由主控板、通信板、接口板和电源板组成，安装在一个带散热孔、AC220V电源和输入输出连接端子的屏蔽盒内，其特征在于，所述主控板包括DSC处理器、DSC外部总线、FPGA芯片、外部SRAM以及其它接口电路；所述通信板包括千兆以太网物理芯片、脉冲变压器、LCD显示模块以及通用可编程I/O端子；所述接口板包括光电编码器输入接口端子、模拟输入端子、模拟控制输出端子、脉冲控制输出以及光电隔离I/O端子。

2.根据权利要求1所述的一种独立式多轴运动控制器，其特征在于，所述FPGA芯片包括RSIC微处理器、10/100/1000Mbps以太网MAC接口模块、控制脉冲输出接口模块、光电编码器输入接口模块、高速位置捕捉模块、数字I/O接口模块、双向FIFO内存和LCD接口。

3.根据权利要求1所述的一种独立式多轴运动控制器，其特征在于，所述主控板还包括控制脉冲输出接口模块、光电编码器输入接口模块和数字I/O接口模块，所述控制脉冲输出接口模块、光电编码器输入接口模块和数字I/O接口模块的一端分别通过DSC外部总线与DSC处理器相连，另一端通过接口板的连接端子与目标设备的相应接口相连；以太网MAC接口模块的一端与RSIC微处理器相连，另一端通过通信板上的千兆以太网物理芯片及网络变压器和RJ45与远程计算机相连。

4.根据权利要求1或3所述的一种独立式多轴运动控制器，其特征在于：所述主控板还包括外部SRAM，所述外部SRAM通过DSC外部总线与DSC处理器相连。

5.根据权利要求1所述的一种独立式多轴运动控制器，其特征在于，所述通信板上还集成有一个LCD显示屏，该显示屏通过通信板上的连接器接入DSC外部总线。

6.根据权利要求1或5所述的一种独立式多轴运动控制器，其特征在于：所述通信板还包括远程主控计算机客户端应用程序采用G-代码和GALIL宏指令；应用程序通过编译器生成数据文件，并通过TELNET协议下载到DSC运行。

7.根据权利要求1或2所述的一种独立式多轴运动控制器，其特征在于：所述FPGA芯片上生成有3个TELNET服务器，其中1个用于控制器信息的传送；1个用于实时指令的传送；1个用于程序指令的传送。

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