CN101916098A - 具有绝对码盘读取功能的多轴运动控制卡 - Google Patents

Abstract

本发明公开具有绝对码盘读取功能的多轴运动控制卡，包括八个功能模块，信息处理模块是运动控制卡的核心，接收其它模块的状态信息，执行相应的控制算法，对系统状态进行判断，输出控制信号。信息处理模块与其它七个功能模块相连。其余模块功能为：逻辑保护模块检测并判断系统的状态，确保系统运行的安全可靠；控制局域网模块用于多卡间的通信；数据交换模块用于运动控制卡与上位机实时通信；模拟量信号监视模块获取受控电机的速度及扭矩模拟信号；码盘信号读取模块获取受控电机的运动位置信息；位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块输出位置控制信号；模拟控制量输出模块输出速度及扭矩的模拟控制信号。运动控制卡适用于多轴联动设备的控制。

Description

具有绝对码盘读取功能的多轴运动控制卡

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，涉及多轴运动控制系统，具体地的说是一种控制多轴运动的运动控制卡。

背景技术

运动控制卡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。而在诸如串并联机器人等需要多轴协同运动的场合，就需要用到多轴运动控制卡。多轴运动控制卡广泛应用于自动化设备，特别是数控加工设备及串并联机器人中，是电子、机械制造业的核心技术装备。其特点是控制轴数多、同步性要求比较高。

目前成熟的多轴运动控制卡有很多种，采用基于专用电机控制芯片比如：MCX314，LM628等的运动控制卡，类似的控制器响应速度快、系统集成度高、可靠性好。但其算法固化在芯片内部，控制方式单一，灵活性差。对于要求高速轨迹插补控制的设备，难以满足要求，且其开放性较差。

众多商用多轴运动控制卡控制轴数有限，一般为二到四轴。在进行多轴扩充时，控制精度降低。比如PMAC卡，其伺服周期单轴60μs，二轴联动为110μs。其在多轴联动时伺服周期变长，精度降低。

绝对位置信息的读取，在定位控制等应用中具有重要的作用。绝对位置的获知使机构在上电后，不需要回到位置参考点，就可利用当前的位置值。使系统的控制更加灵活快捷。在多数运动控制卡中，只有相对位置的读取功能，绝对位置的获取需要通过机械回零等方式获取。

为此，有必要开发一种能够进行多轴联动控制的，控制方式灵活的，能够对执行机构状态(速度、位置等)及时反馈的开放式的多轴运动控制卡。

发明内容

本发明的目的是利用DSP嵌入式硬件技术提供一种能读取绝对码盘的多轴运动控制卡，自动化设备中实现多个运动轴的联动控制。根据不同的控制精度要求，灵活选择控制方式，实时获知机构的运动状态，保护机构的安全，提高控制器的开放性和灵活性。

为达到上述目的，本发明提供一种具有绝对码盘读取功能的多轴运动控制卡，所述运动控制卡接收上位机的控制信息及伺服驱动器回馈的电机当前状态信息，运动控制卡对所述的这些信息进行处理，输出控制信号至伺服驱动器，其特征在于，所述运动控制卡包括：信息处理模块分别连接逻辑保护模块、控制局域网模块、数据交换模块、模拟量信号监视模块、码盘信号读取模块、位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块和模拟控制量输出模块，所述信息处理模块负责对逻辑保护模块、控制局域网模块、数据交换模块、模拟量信号监视模块、码盘信号读取模块、位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块和模拟控制量输出模块的信息进行处理，输出控制信号，其中：

信息处理模块的输入端分别与模拟量信号监视模块的输出端、码盘信号读取模块的输出端连接，信息处理模块的输出端分别与模拟控制量输出模块、位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块的输入端连接；信息处理模块通过模拟量信号监视模块及码盘信号读取模块接收伺服驱动器回馈的受控电机运动位置的码盘值信息和速度及扭矩的模拟信号，信息处理模块对受控电机运动位置的码盘值信息和速度及扭矩的模拟信号进行处理，由信息处理模块的输出端输出速度、扭矩模拟控制量至模拟控制量输出模块，输出位置控制方式下的位置控制量至位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块；

逻辑保护模块与信息处理模块连接，检测并判断系统的异常状态；

控制局域网模块与信息处理模块连接，及多个多轴运动控制卡的控制局域网模块之间串联连接，实现多块运动控制卡间的通信；

数据交换模块与上位机及信息处理模块连接，实现运动控制卡与上位机的实时通信；

模拟量信号监视模块的输入端通过伺服驱动器读取受控电机的速度及扭矩模拟量信息，模拟量信号监视模块的输出端输出速度及扭矩的数字信号至信息处理模块；

码盘信号读取模块的输入端连接至伺服驱动器，接收正交编码脉冲信息及串行数据信息，通过对正交编码脉冲计数获知电机运动的相对位置信息，通过串行数据获知电机的绝对位置信息；码盘信号读取模块的输出端输出受控电机运动位置的码盘值信息至信息处理模块；

位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块输入端与信息处理模块连接，位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块接收信息处理模块的脉冲控制量，输出位置控制脉冲宽度调制波至伺服驱动器；

模拟控制量输出模块与信息处理模块连接，模拟控制量输出模块接收信息处理模块的数字控制信号，数字控制信号经数模转换器转换为模拟控制信号，输出速度及扭矩的模拟控制信号至伺服驱动器。

优选实施例，所述信息处理模块采用TMS320F2812芯片，其时钟频率频最高可至150Mhz，此时时钟周期最短为6.67ns，使得运动控制卡伺服周期缩短至35μs。

优选实施例，所述的码盘信号读取模块由差分输入电路、正交编码脉冲电路、串行通信接口电路和事件管理器构成，其中：差分输入电路的输入端与伺服驱动器连接，接收伺服驱动器发出的正交脉冲信号，并将正交脉冲信号输出至正交编码脉冲电路、接收串行数据信息，并将串行数据信息输出至串行通信接口电路；事件管理器的计数器以正交编码电路接收的正交脉冲信号作为时钟源对脉冲计数，获取受控电机的相对位置信息；串行通信接口电路接收输入电路传来的串行数据，获取受控电机的绝对位置信息；当受控电机处于未动作状态时，通过接收伺服驱动器发出的串行数据来获知受控电机的绝对位置信息，当受控电机处于运行状态时，通过接收伺服驱动器发出的正交脉冲信号来获知相应的相对位置信息；运动控制卡能实时获知受控电机的绝对位置，读取绝对位置信息的功能使整个机构在运行的初始状态无需原点复归便可确知当前的位置信息。

优选实施例，所述逻辑保护模块由CPU状态管理芯片、保护电路及复位引脚和数字量I/O接口构成，其中：CPU状态管理芯片的输入为DSP芯片的电源电压信号及DSP芯片引脚定时发出的看门狗信号，输出为复位电平信号至DSP芯片的复位引脚踏，当DSP芯片的电源电压低于DSP芯片工作的阈值电平及没有在用户设定时间段内收到看门狗信号时，CPU状态管理芯片会输出一低电平DSP芯片的复位引脚，保证DSP芯片在可靠正常的电平下工作及程序在跑飞时能及时的进行复位；保护电路接收伺服驱动器的错误状态、DSP芯片运算过程中产生错误信号及电机运行过程中的限位信号，保护电路对这些状态信息进行判断，生成并输出报警及警告的数字信号，报警及警告单元报警或发出警告，数字量I/O接口读取报警及警告代码至信息处理模块，通过数据交换模块上传至上位机，以便上位机获取系统运行状态信息。

优选实施例，所述控制局域网模块由控制局域网总线收发器及控制局域网控制器构成，其中：通过控制局域网模块与其它运动控制卡进行通信，从而能实现多卡扩展时多运动控制卡的协调工作，控制局域网总线收发器接收控制局域网控制器传送的信息，并将信息传送至其它运动控制卡的控制局域网总线收发器；同时控制局域网总线收发器接收其它运动控制卡控制局域网总线收发器传来的信息，将信息传送至控制局域网控制器；多个运动控制卡通过控制局域网模块进行相互间的通信。

优选实施例，所述数据交换模块由双口RAM及数字量I/O接口、外部数据总线和外部地址总线构成；运动控制卡通过数据交换模块获取上位机的原始数据，并通过数据交换模块将相应的状态信息，警报信息传给上位机；DSP芯片及上位机分别与双口RAM的两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线相连接；DSP芯片及上位机作为两个独立的系统可以同时对双口RAM进行随机性的访问，对共享数据进行操作，采用软件协调方式分配对双口RAM存储单元数据块的访问权限，保证运动控制卡与上位机间的实时通信。

优选实施例，所述模拟量信号监视模块由放大电路和模数转换器构成，模拟量信号监视模块接收伺服驱动器发出的电机运行的速度及扭矩的模拟信号；放大电路将伺服驱动器输出的速度及扭矩模拟量信号进行电平转换，输出能使模数转换器正常工作的0V-3V间电平信号，模数转换器接收转换后的电平信号进行模数转换，所得数字信号输出至信息处理模块供其进行处理。

优选实施例，所述位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块由差分输出电路和事件管理模块构成，位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块产生位置控制模式下所需的脉冲宽度调制波；事件管理模块接收信息处理模块的位置控制量，根据控制量输出相应频率的脉宽调制波到差分输出电路，通过差分输出电路输出该脉宽调制波至伺服驱动器，差分输出电路保证伺服驱动器接收位置控制信号时的准确。

优选实施例，所述模拟控制量输出模块由数模转换器和串行外围设备接口构成；在速度及扭矩控制方式下，模拟控制量输出模块产生速度及扭矩的模拟控制量；数模转换器的输出端与串行外围设备接口的输入端连接，串行外围设备接口接收信息处理模块计算出的数字控制量并传送给数模转换器，数模转换器将数字控制量转化为模拟控制量输出至伺服驱动器。

本发明的有益效果是：开发了一种集成度高、灵活、易开发的运动控制卡。利用DSP作为主控芯片，较好的满足了控制器的实时性要求，为实现各种复杂的控制算法提法提供了可能；具有速度、扭矩、脉冲宽度调制波等多种控制信号输出功能，与伺服驱动器相连，能灵活选择控制方式，利用相应的算法实现高精度的控制；能通过多种方式读取电机的位置、速度信息，也能读取电机运动的绝对位置信息，对执行机器的状态实时记录，方便了定位；逻辑保护模块提高了系统的可靠性与安全性。

本发明最大限度的把运动控制算法集成在嵌入式处理器DSP中执行，减少了对伺服驱动器内置算法的依赖，可以根据实际需求灵活选择适合的控制算法和控制方式，提高了控制精度和响应速度。通过专用的控制芯片DSP处理器，解决了复杂控制算法时计算能力不足的问题；通过高速数据交换模块保证了与上位机通信时的实时高效；采用叠加式的硬件架构使得该运动控制卡具有良好的可扩展性，可以根据控制轴数的需要添加适当数量的运动控制卡；专用的软件开发工具，可以借鉴第三方算法软件库，减少了开发周期，开发工具针对DSP指令的优化提高了算法的执行速度。

该运动控制卡与伺服驱动器间通过差分电路及光电隔离电路连接，提高了系统的抗干扰性。数据交换模块采用双口RAM芯片，与上位机通信时速度更快；多块运动控制卡能通过控制局域网(CAN)进行协调，便于多机协调，联合作业；该运动控制卡可灵活选择控制方式，能灵活选择读取绝对位置、相对位置，还能读取模拟信号形式的速度及扭矩信号，为实现更好的算法提供了可能；保护电路能让控制器运行更加可靠；基于强大的DSP芯片处理能力，伺服周期可达35us，控制更加精确。本发明系统能应用于焊接机器人等多轴运动控制装置中，单套系统能控制六个轴，对系统进行扩展可以控制更多的轴，方便了多轴运动机构的控制。

附图说明

图1能读取绝对码盘的多功能多轴运动控制卡的功能模块及硬件结构示意图；

图2能读取绝对码盘的多功能多轴运动控制卡多卡扩展示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚与明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明是利用嵌入式硬件技术开发的多轴运动控制卡，并且具有绝对码盘信号的读取功能，能输出位置、速度、力矩控制信号，形成了适用于多轴协调工作的运动控制设备。

本发明能读取绝对码盘的多轴运动控制卡是各种自动化设备运动机构中使用的多轴伺服控制装置。作为机器人控制器中的关键部分，单套系统能实现六个轴的位置、速度、扭矩联动伺服控制，并能对状态信息进行逻辑分析，提高系统的可靠性。如若进行扩充，能控制六轴以上的装置。

图1为本发明能读取绝对码盘的多功能多轴运动控制卡的功能模块及硬件结构示意图。图1包括信息处理模块1分别连接逻辑保护模块2、控制局域网(CAN)模块3、数据交换模块4、模拟量信号监视模块5、码盘信号读取模块6、位置控制脉冲宽度调制波(PWM)信号发生模块7和模拟控制量输出模块8。

信息处理模块1是整个运动控制卡的核心，负责对逻辑保护模块2、控制局域网模块3、数据交换模块4、模拟量信号监视模块5、码盘信号读取模块6、位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块7和模拟控制量输出模块8的信息进行处理，输出控制信号；

信息处理模块1的输入端与模拟量信号监视模块5的输出端、码盘信号读取模块6的输出端连接，信息处理模块1的输出端与模拟控制量输出模块8、位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块7连接，信息处理模块1通过模拟量信号监视模块5及码盘信号读取模块6接收伺服驱动器回馈的受控电机运动位置的码盘值信息和速度及扭矩的模拟信号，信息处理模块1对受控电机运动位置的码盘值信息和速度及扭矩的模拟信号进行处理，由信息处理模块的输出端输出速度、扭矩模拟控制量至模拟控制量输出模块8，输出位置控制方式下的位置控制量至位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块7；

逻辑保护模块2与信息处理模块1连接，检测并判断系统的异常状态，确保整个系统运行的安全可靠；

控制局域网模块3与信息处理模块1连接，及多个多轴运动控制卡的控制局域网模块之间串联连接，实现多块运动控制卡间的通信；

数据交换模块4与上位机及信息处理模块1连接，实现运动控制卡与上位机的实时通信；

模拟量信号监视模块5的输入端通过伺服驱动器接收受控电机的速度及扭矩模拟信号，模拟量信号监视模块5的输出端输出经模数转换后速度及扭矩的数字信号至信息处理模块1；

码盘信号读取模块6的输入端连接至伺服驱动器，接收正交编码脉冲信息及串行数据信息，通过对正交编码脉冲计数获知电机运动的相对位置信息，通过串行数据获知电机的绝对位置信息；码盘信号读取模块6的输出端输出受控电机运动位置的码盘值信息至信息处理模块1；

位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块7与信息处理模块1连接，位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块7接收信息处理模块1的脉冲控制量，输出位置控制脉冲宽度调制波至伺服驱动器；

模拟控制量输出模块8与信息处理模块1连接，模拟控制量输出模块8接收信息处理模块1的数字控制信号，数字控制信号经数模转换器转换为模拟信号，输出速度及扭矩的模拟控制信号至伺服驱动器。

本发明把运动控制算法集成在嵌入式处理器DSP中执行，可以根据实际需求选择适合的控制算法和控制方式。其单块运动控制卡硬件结构示意图如图1所示，多卡扩展时硬件结构示意图如图2所示。通过专用的控制芯片DSP处理器，保证了运算速度；通过数据交换模块与上位机通信；采用叠加式的硬件架构使得该运动控制卡具有良好的扩展性，可以根据控制轴数的需要添加适当数量的运动控制卡。

参阅图1，运动控制卡包括DSP芯片、CPU状态管理芯片21、保护电路22、控制局域网(CAN)总线收发器31、双口RAM41、放大电路51、差分输出电路61、差发接收电路71和数模转换器(DAC)81构成。

所述DSP芯片包括：复位引脚23、数字量I/O接口24、控制局域网(CAN)控制器32、数字量I/O42、外部数据总线及外部地址总线43，模数转换器(ADC)52、正交编码电路脉冲(QEP)62、串行通信接口电路(SCI)63、事件管理器(EVB)64，事件管理器(EVA)72和串行外围设备接口(SPI)82，所述DSP芯片是该运动控制卡的核心，通过数据交换模块4获取上位机提供的原始数据，同时从模拟量信号监视模块5和码盘信号读取模块6获取受控电机当前的执行状态；信息处理模块1对输入的各种原始数据信息和状态进行运算处理，执行相应的控制算法，将所得控制量通过模拟控制量输出模块8和位置控制脉冲宽度调制波(PWM)信号发生模块7输出至伺服驱动器。在进行多运动控制卡协调工作时，通过控制局域网(CAN)模块3与其它运动控制卡通信。运动控制卡工作过程中，逻辑保护模块2对系统的工作状态信号进行判断，输出报警及警告信号，运动控制卡会进行保护动作，确保整个系统的安全正常工作。DSP芯片选用TI的32位定点DSP芯片TMS320F2812，其工作频率最高可达150MHz，它具有数字信号处理能力，又具有事件管理能力和嵌入式控制功能，片内集成的外设有模数转换器、事件管理器、正交编码脉冲电路，接口有串行通信接口、串行外围设备接口、CAN总线接口、多通道缓冲串行接口、外部存储器接口，适用于电机控制等应用。

所述逻辑保护模块2由CPU状态管理芯片21、保护电路22及复位引脚23和数字量I/O接口24构成。

CPU状态管理芯片的输入为DSP芯片的电源电压信号及DSP芯片引脚定时发出的看门狗信号，输出为复位电平信号至DSP芯片的复位引脚踏，当DSP芯片的电源电压低于DSP芯片工作的阈值电平及没有在用户设定时间段内收到看门狗信号时，CPU状态管理芯片会输出一低电平DSP芯片的复位引脚，保证DSP芯片在可靠正常的电平下工作及程序在跑飞时能及时的进行复位；

保护电路22接收伺服驱动器的错误状态、DSP芯片运算过程中产生错误信号及电机运行过程中的限位信号，保护电路22对这些状态信息进行判断，生成并输出报警及警告的数字信号，报警及警告单元报警或发出警告。CPU状态管理芯片21选用X4283，X4283内置16K*8位的EPROM，可以将运动控制卡运行状态信息存于EPROM中，断电后仍可记忆信息。保护电路22由电平转换电路及GAL16V8组成，通过对机构运行过程中的一些状态信号进行检测，对信号进行逻辑判断，输出故障信号，通知运动控制卡执行相应的安全防护动作，确保系统的安全运行。

所述控制局域网模块3由控制局域网总线收发器31及控制局域网(CAN)控制器32构成。控制局域网总线收发器31选用SN65HVD251D。控制局域网总线收发器31接收控制局域网控制器32传送的信息，并将信息传送至其它控制卡的控制局域网总线收发器。同时控制局域网总线收发器31接收其它控制卡控制局域网总线收发器传来的信息，将信息传送至控制局域网控制器32。多个运动控制卡通过控制局域网控模块进行相互间的通信，适用于多运动控制卡协调的场合，扩展了运动控制卡的应用场合。

所述数据交换模块4由双口RAM41及数字量I/O接口42、外部数据总线和外部地址总线43构成。运动控制卡通过数据交换模块获取上位机的原始数据，并通过数据交换模块将相应的状态信息，警报信息传给上位机；DSP芯片及上位机分别与双口RAM41的两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线相连接。DSP芯片及上位机作为两个独立的系统可以同时对RAM41进行随机性的访问，对共享数据进行操作，采用了软件协调方式分配对存储单元数据块的访问权限，确保了运动控制卡与上位机间的实时通信。双口RAM41选用32K*8位的CY7C007AV，访问速度可达20ns，32K大容量存储器保证了可以存储大量数据。

所述模拟量信号监视模块5由放大电路51和模数转换器(ADC)52构成。放大电路51选用运算放大工器OP07C，由于模数转换器(ADC)52输入电压范围限制为0-3V，因此采用放大电路51将伺服驱动器输出的模拟量信号进行电平转换，输出0V-3V间电平信号供模数转换器(ADC)52进行模数转换，所得数字信号输出至信息处理模块1供其进行处理。

所述码盘信号读取模块6包括差分输入电路61、正交编码脉冲电路(QEP)62、串行通信接口电路(SCI)63和事件管理器(EVB)64。差分输出电路61选用SN75175芯片，选用差分电路保证了信号的抗干扰性。差分输入电路61的输入端与伺服驱动器连接，接收伺服驱动器发出的正交脉冲信号将其输出至正交编码脉冲电路(QEP)62，同时接收串行数据信息并将其输出至串行通信接口电路(SCI)63。事件管理器(EVB)64的计数器以正交编码电路62接收的正交脉冲信号作为时钟源对脉冲计数，获取受控电机的相对位置信息。串行通信接口电路63接收差分接收电路61传来的串行数据，获取受控电机的绝对位置信息。

所述位置控制脉冲宽度调制波(PWM)信号发生模块7由差分输出电路71和事件管理模块(EVB)72构成。差分输出电路71选用SN75174芯片，事件管理模块(EVB)72接收信息处理模块1的位置控制量，根据控制量输出相应频率的脉宽调制波到差分输出电路71，通过差分输出电路71输出该脉宽调制波至伺服驱动器，差分输出电路71保证了伺服驱动器接收位置控制信号时的准确。

所述模拟控制量输出模块8由数模转换器(DAC)81和串行外围设备接口(SPI)82构成。数模转换器81选用12位DAC7714芯片。数模转换器81的输出端与串行外围设备接口82的输入端连接，串行外围设备接口82接收信息处理模块1计算出的数字控制量并传送给数模转换器81，数模转换器81将其转化为模拟控制量输出至伺服驱动器。

工作原理说明：多轴运动控制卡与上位机通过双口RAM41连接，上位机根据机构的运动要求计算各轴的速度、位置、时间(P、V、T)信息，并将这些信息送至双口RAM41中。多轴运动控制卡读取双口RAM41中的原始数据，对其进行处理。同时运动控制卡将检测到的受控电机的位置、速度、整个系统的安全状态等信息储存在双口RAM41中，以便上位机获得机构的执行状态，并对一些异常情况进行处理。通过软件方式协调DSP芯片和上位机对双口RAM41的操作，保证了系统大量数据通信的需求。

DSP芯片在接收到双口RAM41中的原始数据后，根据不同的控制方式，依据控制算法，计算出控制量。依据控制量将控制信号输出至受控电机对电机进行控制。采用交流伺服电机时，在位置控制方式下，由DSP芯片的事件管理模块72发送脉冲宽度调制波(PWM)波，速度、力矩控制方式下，将数字控制信号给数模转换器81，由数模转换器81输出模拟控制信号至伺服驱动器。

运动控制卡在发出控制信号的同时接收受控电机运动的状态信息，以便检测受控电机运动状态及给控制算法提供反馈数据。该运动控制卡能与不同的检测元件连接，利用编码脉冲或者模拟信号检测受控电机的位置、速度等信息。

与绝对编码器相连时，能在运行初期通过DSP芯片的串行通信接口63读取受控电机初始绝对位置信息。而在运行过程中，通过DSP芯片的正交编码脉冲电路62接收增量脉冲信号，能实时读取受控电机的相对位置。同时，也能采用串行通信接口63读取受控电机的绝对位置信息。

在与模拟检测元件进行连接时，将检测到的速度、扭矩模拟信号通过DSP芯片内模数转换器52转换为数字信号，可以实时获得受控电机的运行过程中的速度，扭矩等信息。

运动控制卡上有逻辑保护模块2与伺服驱动器、限位开关等各种状态信号相连，对整个机构的一些状态信息进行逻辑判定，发出报警及警告信号，起到了保护作用。在整个系统的运行过程中，控制器定时向CPU状态管理芯片中的看门狗置电平，若受外界干扰等因素导致程序“跑飞”，将对控制器进行复位。保证了系统的可靠运行。

本发明能读取绝对码盘的多功能多轴运动控制卡可以通过扩展方式控制更多的轴，参阅图2，为本发明能读取绝对码盘的多功能多轴运动控制卡多卡扩展时的连接示意图。运动控制卡通过96针的插座连接在总线板上，与上位机连接，如需扩充，可在总线板上插接多套运动控制卡，进行更多轴的控制，同时，总线板上插接电源板卡，给整个系统供电。运动控制卡通过50针的插针与伺服驱动器连接，输出控制信号，接收状态信号。

本发明采用DSP嵌入式硬件技术提供一种能读取绝对码盘的多轴运动控制卡，控制方式灵活，处理能力强，具有较好的开放性，安全可靠。解决了数控机床、机器人等多轴联动中的协调控制问题。单套伺服控制系统能控制六个轴，如若进行扩充，能控制更多的轴。并可通过控制局域网(CAN)总线进行多机通信，多机协调工作，在焊接机器人联合作业时具有极其重要的意义。有多种位置读取方式，运动控制卡能读取执行机构的绝对位置，使得主控器能实时了解受控电机的运行绝对位置，运动控制卡也可以读取执行机构的相对位置。该控制器具有脉冲，速度及扭矩输出功能，控制方式多样。该控制器方便了多轴运动控制设备的设计，提高了控制精度。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种具有绝对码盘读取功能的多轴运动控制卡，所述运动控制卡接收上位机的控制信息及伺服驱动器回馈的电机当前状态信息，运动控制卡对所述的这些信息进行处理，输出控制信号至伺服驱动器，其特征在于，所述运动控制卡包括：信息处理模块分别连接逻辑保护模块、控制局域网模块、数据交换模块、模拟量信号监视模块、码盘信号读取模块、位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块和模拟控制量输出模块，所述信息处理模块负责对逻辑保护模块、控制局域网模块、数据交换模块、模拟量信号监视模块、码盘信号读取模块、位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块和模拟控制量输出模块的信息进行处理，输出控制信号，其中：

信息处理模块的输入端分别与模拟量信号监视模块的输出端、码盘信号读取模块的输出端连接，信息处理模块的输出端分别与模拟控制量输出模块、位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块的输入端连接；信息处理模块通过模拟量信号监视模块及码盘信号读取模块接收伺服驱动器回馈的受控电机运动位置的码盘值信息和速度及扭矩的模拟信号，信息处理模块对受控电机运动位置的码盘值信息和速度及扭矩的模拟信号进行处理，由信息处理模块的输出端输出速度、扭矩模拟控制量至模拟控制量输出模块，输出位置控制方式下的位置控制量至位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块；

逻辑保护模块与信息处理模块连接，检测并判断系统的异常状态；

控制局域网模块与信息处理模块连接，及多个多轴运动控制卡的控制局域网模块之间串联连接，实现多块运动控制卡间的通信；

数据交换模块与上位机及信息处理模块连接，实现运动控制卡与上位机的实时通信；

模拟量信号监视模块的输入端通过伺服驱动器读取受控电机的速度及扭矩模拟量信息，模拟量信号监视模块的输出端输出速度及扭矩的数字信号至信息处理模块；

码盘信号读取模块的输入端连接至伺服驱动器，接收正交编码脉冲信息及串行数据信息，通过对正交编码脉冲计数获知电机运动的相对位置信息，通过串行数据获知电机的绝对位置信息；码盘信号读取模块的输出端输出受控电机运动位置的码盘值信息至信息处理模块；

位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块输入端与信息处理模块连接，位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块接收信息处理模块的脉冲控制量，输出位置控制脉冲宽度调制波至伺服驱动器；

模拟控制量输出模块与信息处理模块连接，模拟控制量输出模块接收信息处理模块的数字控制信号，数字控制信号经数模转换器转换为模拟控制信号，输出速度及扭矩的模拟控制信号至伺服驱动器。

2.根据权利要求1所述的多轴运动控制卡，其特征在于，所述信息处理模块采用TMS320F2812芯片，其时钟频率频最高可至150Mhz，此时时钟周期最短为6.67ns，使得运动控制卡伺服周期缩短至35μs。

3.根据权利要求1所述的多轴运动控制卡，其特征在于，所述的码盘信号读取模块由差分输入电路、正交编码脉冲电路、串行通信接口电路和事件管理器构成，其中：

差分输入电路的输入端与伺服驱动器连接，接收伺服驱动器发出的正交脉冲信号，并将正交脉冲信号输出至正交编码脉冲电路、接收串行数据信息，并将串行数据信息输出至串行通信接口电路；事件管理器的计数器以正交编码电路接收的正交脉冲信号作为时钟源对脉冲计数，获取受控电机的相对位置信息；串行通信接口电路接收输入电路传来的串行数据，获取受控电机的绝对位置信息；

当受控电机处于未动作状态时，通过接收伺服驱动器发出的串行数据来获知受控电机的绝对位置信息，当受控电机处于运行状态时，通过接收伺服驱动器发出的正交脉冲信号来获知相应的相对位置信息；运动控制卡能实时获知受控电机的绝对位置，读取绝对位置信息的功能使整个机构在运行的初始状态无需原点复归便可确知当前的位置信息。

4.根据权利要求1所述的多轴运动控制卡，其特征在于，所述逻辑保护模块由CPU状态管理芯片、保护电路及复位引脚和数字量I/O接口构成，其中：

CPU状态管理芯片的输入为DSP芯片的电源电压信号及DSP芯片引脚定时发出的看门狗信号，输出为复位电平信号至DSP芯片的复位引脚踏，当DSP芯片的电源电压低于DSP芯片工作的阈值电平及没有在用户设定时间段内收到看门狗信号时，CPU状态管理芯片会输出一低电平DSP芯片的复位引脚，保证DSP芯片在可靠正常的电平下工作及程序在跑飞时能及时的进行复位；

保护电路接收伺服驱动器的错误状态、DSP芯片运算过程中产生错误信号及电机运行过程中的限位信号，保护电路对这些状态信息进行判断，生成并输出报警及警告的数字信号，报警及警告单元报警或发出警告，数字量I/O接口读取报警及警告代码至信息处理模块，通过数据交换模块上传至上位机，以便上位机获取系统运行状态信息。

5.根据权利要求1所述的多轴运动控制卡，其特征在于，所述控制局域网模块由控制局域网总线收发器及控制局域网控制器构成，其中：通过控制局域网模块与其它运动控制卡进行通信，从而能实现多卡扩展时多运动控制卡的协调工作，控制局域网总线收发器接收控制局域网控制器传送的信息，并将信息传送至其它运动控制卡的控制局域网总线收发器；同时控制局域网总线收发器接收其它运动控制卡控制局域网总线收发器传来的信息，将信息传送至控制局域网控制器；多个运动控制卡通过控制局域网模块进行相互间的通信。

6.根据权利要求1所述的多轴运动控制卡，其特征在于，所述数据交换模块由双口RAM及数字量I/O接口、外部数据总线和外部地址总线构成；运动控制卡通过数据交换模块获取上位机的原始数据，并通过数据交换模块将相应的状态信息，警报信息传给上位机；DSP芯片及上位机分别与双口RAM的两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线相连接；DSP芯片及上位机作为两个独立的系统可以同时对双口RAM进行随机性的访问，对共享数据进行操作，采用软件协调方式分配对双口RAM存储单元数据块的访问权限，保证运动控制卡与上位机间的实时通信。

7.根据权利要求1所述的多轴运动控制卡，其特征在于，所述模拟量信号监视模块由放大电路和模数转换器构成，模拟量信号监视模块接收伺服驱动器发出的电机运行的速度及扭矩的模拟信号；放大电路将伺服驱动器输出的速度及扭矩模拟量信号进行电平转换，输出能使模数转换器正常工作的0V-3V间电平信号，模数转换器接收转换后的电平信号进行模数转换，所得数字信号输出至信息处理模块供其进行处理。

8.根据权利要求1所述的多轴运动控制卡，其特征在于，所述位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块由差分输出电路和事件管理模块构成，位置控制脉冲宽度调制波信号发生模块产生位置控制模式下所需的脉冲宽度调制波；事件管理模块接收信息处理模块的位置控制量，根据控制量输出相应频率的脉宽调制波到差分输出电路，通过差分输出电路输出该脉宽调制波至伺服驱动器，差分输出电路保证伺服驱动器接收位置控制信号时的准确。

9.根据权利要求1所述的多轴运动控制卡，其特征在于，所述模拟控制量输出模块由数模转换器和串行外围设备接口构成；在速度及扭矩控制方式下，模拟控制量输出模块产生速度及扭矩的模拟控制量；数模转换器的输出端与串行外围设备接口的输入端连接，串行外围设备接口接收信息处理模块计算出的数字控制量并传送给数模转换器，数模转换器将数字控制量转化为模拟控制量输出至伺服驱动器。

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