CN102147603A - 基于vme总线的多轴运动控制装置 - Google Patents

Abstract

基于VME总线的多轴运动控制装置，涉及基于VME总线的运动控制装置，解决了目前VME的接口芯片多为早期产品而速度无法满足多轴控制的问题，它包括VME接口模块、FPGA模块、光纤、存储器模块、光纤接口模块、DSP模块、时钟模块、电机驱动单元和VME总线，VME接口模块的一个数据交换端与VME总线连通，FPGA模块的第四个数据交换端与光纤接口模块的一个数据交换端连通，DSP模块的控制输出端连接在FPGA模块的控制输入端，时钟模块的再一个输出端连接在光纤接口模块的时钟输入端，光纤接口模块的另一个数据交换端通过光纤与电机驱动单元的数据交换端连通，用于实现多轴运动控制。

Description

基于VME总线的多轴运动控制装置

技术领域

本发明涉及基于VME总线的运动控制装置。

背景技术

随着数控技术的发展，被控系统的复杂度不断地提高，对运动控制器的要求也越来越苛刻。由于硬件(如主控芯片MCU)的限制，传统的控制装置在高速、高精密运动控制中，为满足足够小的伺服周期(通常可能是100us以内)，只能够实现几个运动轴的运动，甚至只能完成单轴运动。而如今的很多数控系统已经从单轴运动发展到十几个轴联合运动的情形，且系统对控制精度和速度的要求越来越高，例如在半导体制造过程中，工件台往往需要在很短的时间产生一个足够大的速度，以保证整个光刻过程的工作效率，而纳米级的控制精度达到了传统工业被控对象的运动极限。由于对系统的苛刻要求，传统的运动控制装置已无法满足系统的控制要求，基于ISA和PCI总线的工业PC也无法满足工业控制环境的要求。基于VME总线的工控机成为工业嵌入式系统的主要选择，其强大的系统扩展功能和互连技术对复杂的工业实时控制有很大的帮助，其优越的故障诊断功能和可靠性保证了整个工业系统的生产效率。基于VME的运动控制装置结合VME工控机组成的工业控制系统能完成诸如半导体制造这样的精密运动。

目前国内市场和现有文献中的运动控制装置多为基于传统总线，如PCI总线、ISA总线等的运动控制装置，其均无法满足VME工控机的要求，造成整个系统的扩展性和可靠性比较差。经过对现有技术的文献检索发现，张诗杰在硕士学位论文《基于VME总线运动控制卡及驱动程序的设计和实现》中，简要给出了一种基于VME总线的运动控制装置设计思路，但是其采用TMS320F2812作为主要控制芯片，由于其速度限制(最高系统时钟只有150M)，在苛刻条件下，无法实现多轴运动；且只能实现32位定点运算，无法满足多轴的精密运动的控制要求；其采用Cypress的VME接口芯片如今已经停产，其设计灵活性不足。目前VME的接口芯片多为早期产品，速度无法满足多轴控制的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决由于目前VME的接口芯片多为早期产品而速度无法满足多轴控制的问题，提供一种基于VME总线的多轴运动控制装置。

基于VME总线的多轴运动控制装置，它包括VME接口模块、FPGA模块、光纤、存储器模块、光纤接口模块、DSP模块、时钟模块、电机驱动单元和VME总线，VME接口模块的一个数据交换端与VME总线连通，VME接口模块的另一个数据交换端与FPGA模块的一个数据交换端连通，FPGA模块的另一个数据交换端与存储器模块的数据交换端连通，FPGA模块的再一个数据交换端与DSP模块的数据交换端连通，FPGA模块的第四个数据交换端与光纤接口模块的一个数据交换端连通，DSP模块的控制输出端连接在FPGA模块的控制输入端，时钟模块的一个输出端连接在DSP模块的时钟输入端，时钟模块的另一个输出端连接在FPGA模块的时钟输入端，时钟模块的再一个输出端连接在光纤接口模块的时钟输入端，光纤接口模块的另一个数据交换端通过光纤与电机驱动单元的数据交换端连通，DSP模块选用TMS320C6713B芯片。

本控制装置采用可编程逻辑器件FPGA来实现VME的接口逻辑，并采用TI公司的6000系列DSP来实现运动控制装置的运动算法，目前DSP芯片TMS320F2812最高指令执行速度为150MIPS，对采样周期为10KHz以上的运动控制，往往难以实现多轴运动，而本发明采用的TMS320C6713B可以达到2400MIPS，可以实现以上性能要求的多轴运动；RS485总线理论上最高传输速度只有10Mb/s，而且随着通信距离的增长，传输速度会更低；而对于多轴运动控制来说，传输的信息量会远远高于单轴运动控制装置，采用光纤通信的传输速度在600Mb/s-1Gb/s，几乎不受传输距离的影响，而且其抗电磁干扰能力强；TMS320F2812能进行32位定点运算，难以实现亚微米级、纳米级的控制精度，而TMS320C6713B可以进行32bit的浮点运算，因此可以满足多轴控制所要求的速度。

附图说明

图1为本发明的运动控制装置的结构示意图，图2为本发明的实施例的结构图，图3为本发明的运动控制装置的VME接口模块示意图，图4为本发明的运动控制装置的光纤接口模块示意图，图5为本发明的运动控制装置的AD、DA及模拟量接口模块示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括VME接口模块1、FPGA模块2、光纤3、存储器模块4、光纤接口模块5、DSP模块7、时钟模块8、电机驱动单元11和VME总线10，VME接口模块1的一个数据交换端与VME总线10连通，VME接口模块1的另一个数据交换端与FPGA模块2的一个数据交换端连通，FPGA模块2的另一个数据交换端与存储器模块4的数据交换端连通，FPGA模块2的再一个数据交换端与DSP模块7的数据交换端连通，FPGA模块2的第四个数据交换端与光纤接口模块5的一个数据交换端连通，DSP模块7的控制输出端连接在FPGA模块2的控制输入端，时钟模块8的一个输出端连接在DSP模块7的时钟输入端，时钟模块8的另一个输出端连接在FPGA模块2的时钟输入端，时钟模块8的再一个输出端连接在光纤接口模块5的时钟输入端，光纤接口模块5的另一个数据交换端通过光纤3与电机驱动单元11的数据交换端连通，DSP模块7选用TMS320C6713B芯片。

运动控制装置通过VME接口模块读取从VME总线10另一端所连接的工控机的运动轨迹规划的多轴运动指令，运动指令需要在VME接口模块1中通过不同的缓存区和FIFO块来分配给各个轴的运动指令存储空间，以备在新的伺服周期开始且DSP总线闲置时，由DSP模块7来读取运动指令。

DSP模块7主要是实现系统的控制算法，为保证系统足够小的伺服周期从而保证数控系统的高速运行，这里选用最高主频为300M的DSP处理单元；同时为保证控制的精度，通过性能折衷，这里选用32位的浮点型DSP，实现简单的运动控制算法和滤波算法。

FPGA模块2用来实现更多简单重复的数据操作，这样能保证系统合理的数据分配和调度，使得在一个伺服周期内的控制流程得以优化。

运动控制装置要通过光纤接口模块5来发送数据和采集控制指令，告知数据采集单元进行数据采集，并从数据采集单元读取传感器信号。这一过程采用的是高速数据链路来进行通信，由DSP模块7、FPGA模块2、光纤接口模块5、光电转换接口共同组成，在进行有效数据传输之前，能先进行光纤数据链路的自检测来判断光纤接口模块5是否正常工作。此外光纤数据链路还要实现运动控制装置与电机驱动单元11的高速数据传输，由于要控制多轴同步运动，所以往往更快的数据传输能更好地保证各轴之间的同步运动，并为运动算法的实现留有更大的时间裕量。

高速光纤接口模块5作为物理层实现的高速数据链路能实现数据的高速、可靠双通道传输，它通过光纤介质进行数据传输能减小外界电磁干扰，通过串并转换芯片实现并行数据到串行数据的转换和串行数据到并行数据的转换，FPGA模块2实现光纤接口模块5的控制逻辑，并对DSP模块7传过来的数据进行数据帧的包装，对光纤接口模块5来的数据进行解帧，即FPGA模块2实现数据链路层的功能，数据在DSP模块7中要实现应用层的功能，使得运动控制装置能区别各组数据来自哪个轴以及信号的类型。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同的是它还包括RS485模块12，RS485模块12的一个数据交换端与FPGA模块2的第五个数据交换端连通。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

RS485模块12用来与VME工控机的其它运动控制装置或数据采集单元进行通信，从而保证多装置联合使用时，各个运动控制装置之间以及数据采集单元之间的同步。运动控制装置具有装置号自动识别的功能，克服了传统控制装置需要跳线或拨码开关识别控制装置的缺点，便于即插即用。运动控制装置接口模块采用2eVME协议实现数据传输，能实现64位数据传输。

FPGA模块2能将DSP模块7的并行总线数据转换成串行数据，进而实现多个RS485模块12之间的异步双向通信。运动控制装置的RS485通信接口主要有两个特点，首先是通过该通信方式发送同步信号实现与VME工控机中其它运动控制装置同步运动，其次是保证VME工控机中数据采集装置的数据同步采集。此外运动控制装置上扩展了25针的RS485接口，它与海德汉公司的数字量绝对式光栅尺接口匹配，通过FPGA模块2接受来自光栅尺的信号，为低成本大行程直线运动提供了更多的解决方案，进一步增强了系统的扩展功能。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同的是它还包括AD、DA及模拟量接口模块6和测试接口9，AD、DA及模拟量接口模块6的数据交换端与测试接口9的数据交换端连通，DSP模块7的另一个控制输出端连接在AD、DA及模拟量接口模块6的控制输入端。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

DSP模块7实现对AD、DA模块的控制，为保证系统调试的精度要求，AD、DA均采用16位的分辨率芯片，DA模块可通过编程实现±10V的模拟量输出，AD模块可实现±10V的模拟量采集，由于AD芯片成本较高，为减小成本，采用的多路开关，实现多路传感器信号采集。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式的运动控制装置，采用6U板设计方案，本发明装置尺寸是160mm×233mm，具有P0，P1，P2三组连接器。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

运动控制装置能与标准的VME64x工控机配合使用，运动控制装置预留出所有的用户自定义总线以备运动控制装置扩展。

具体实施例

结合图1、图2进行说明，基于VME总线的多轴运动控制装置通过与VME工控机、传感器、数据采集装置等构成一个基本的控制系统。VME工控机能最多容纳21块VME板装置，除了最基本的CPU板外，其它的设计由设计者决定。在此给出的一种设计方案是，运动控制装置的数量为n块，数据采集装置的数量为m块，n和m由控制系统的复杂度决定，n和m的总和不超过20。例如要实现9轴高速运动，若控制装置用作3轴运动，则此时n＝3，若一块数据采集装置能采集实现3轴运动所需要的传感器数据，则此时m＝3，需要的光纤接口能根据其交互情况进行布局。

单块运动控制装置自身能实现3轴的运动控制，多块运动控制装置配合使用能实现更多轴的运动控制。其工作流程是，首先由工控机进行运动路径规划和各运动轴之间的解算，并将运动指令分配给各个运动轴的运动控制装置上，这一过程是在实时系统环境中完成的，保证了系统能在很短时间给出指令，运动控制装置接收运动指令，通过RS485总线来给各个数据采集装置同步数据采集指令，这一过程保证了各个数据采集装置的动作一致性，保证采回来的传感器数据为同一伺服周期内的有效数据，数据采集装置将采集的数据进行简单的处理并通过光纤接口将其送给运动控制装置，与此同时通过VME总线送给工控机。运动控制装置与数据采集装置之间的双向通信采用高速数据链路，通过光纤作为传输介质，保证了数据传输的实时性和可靠性。与此同时，运动控制装置之间通过RS485发送伺服周期开始的同步信号，使各运动控制装置之间也能保持运动一致。运动控制装置通过光纤通信接口得到前一个伺服周期的电机运动状态，根据其状态一方面判断电机工作是否正常，并在正常情况下执行相应的控制算法。运动控制装置得到必需的运动指令、传感器、执行机构信息后，采取相应的控制策略和滤波算法，为保证系统的运动精度，系统的采样周期相对较短，所以采取的控制策略仍以经典控制方法为主。结束了以上过程，各个运动控制装置就将控制指令传给相应的电机驱动单元(执行机构)。

结合图2进行说明，本发明的运动控制装置的主要芯片分别采用，TI公司的DSPTMS320C6000系列芯片，其最高可运行在300MHz的时钟频率下，实现的最高运算速度为2400MIPS，保证了运动控制装置的运算速度，并能进行32位浮点运算，保证了运动控制装置能够满足比传统的定点32位DSP更高的运算精度，进而保证了控制系统的控制性能。由于6000系列的DSP没有内部Flash模块，且在进行控制算法时，需要大量程序、数据存储，DSP内部存储空间有限，在此为DSP模块扩展了存储器模块，选用了SST的SST39LF512和ISSI的IS61LV25616。运动控制装置的FPGA模块选用ALTERA公司的EP2C35F672芯片，具有3万多个逻辑单元，管脚资源丰富，该结构的FPGA在掉电以后无法保存硬件设计程序，扩展了外部EEPROM用来存储设计程序，选用EPCS16芯片，能采用AS或JTAG方式进行程序下载。电源管理模块分别采用TI、LT、AD等公司的芯片构建，VME工控机提供±12V和5V的电压，DSP模块需要3.3V的IO电压和1.4V内核电压，采用TI的TPS54310芯片，而FPGA模块除了需要3.3V电压外，还需要2.5V的IO电压以及1.2V的内核电压，分别选用LM1117和LT3080，此外需要为运动控制装置的AD、DA模块提供±10V参考电压，采用ADI公司的电压转换芯片ADR01。时钟模块为整个运动控制装置提供相应的时钟，为DSP提供50M，为光纤接口芯片提供40M的精确时钟，为FPGA提供27M和50M的时钟，采用有源晶振。系统的AD、DA分别采用ADI公司的16位分辨率芯片，能保证足够高的测试精度。AD芯片采用ADI的AD7612，能通过编程对5V，10V，±5V，±10V的信号进行采集，能采用内部参考电压，也能提供外部参考电压，能进行并行转换数据传输，也可进行串行数据传输，数据最高采样率为750kSPS，能保证较为苛刻的运动控制要求。DA芯片采用ADI公司的AD5547，其输出为电流信号，能与相应的放大电路配合提供-10V～0V，0V～10V，±10V的模拟电压，建立时间仅为0.5μs。AD、DA模块都配置了相应的放大器模块。RS485串行芯片则采用了MAXIM公司推出的一款MAX14840E芯片，其最高可容许40Mbps的传输速度。

结合图3进行说明，运动控制装置的VME接口模块的逻辑实现，首先利用电源转换芯片将工控机的TTL工作环境转换为运动控制装置的LVTTL环境，采用TI公司的SN74ALVC164245芯片，然后通过FPGA实现接口逻辑，将VME总线协议下的数据进行缓存，并将其分配到各个单元的FIFO块中，以备DSP的调用，而DSP也会将控制指令放在另外的FIFO块中，以备向高速数据链路发送数据或通过VME总线传给工控机。FPGA模块能作为运动控制装置的中断器，向工控机主模块发出中断申请，VME64x正是利用这一功能，在运动控制装置的初始化过程进行ID的识别，分配地址，从而使得运动控制装置即插即用，方便使用。此外VME的系统通用总线会对整个系统的电源等电气特性进行监控，以备系统发生故障时，及时向运动控制装置发送指令，从而避免执行机构的错误运动，产生不可估量的损失。

结合图4进行说明，运动控制装置通过高速光纤，与数据采集装置和电机驱动单元之间进行数据交互，从而保证传输速度和可靠性。这里的光纤接口芯片负责高速数据链路上并行数据和串行数据之间的转换，设计中采用TI公司的TLK1501芯片，其传输速度为0.6G～1.5Gbps，为8B/10B编码方式，采用2.5V低压电平操作，减小芯片功耗，接口芯片的输出为CML电平，为差分对方式，减小了系统的共模干扰，其与光纤接口之间采用交流耦合的方式进行连接。系统能在有效数据传输之前进行芯片的自检，判断链路是否正常工作，并且在有效数据传输过程FPGA模块能监控光纤口的工作情况，从而保证传输过程的正确性。此外采用高精度有源晶振，为运动控制装置的光纤串并转换芯片提供40M的全局发送时钟，能实现光纤链路端800Mbps的数据传输率。光纤接口选用AVAGO公司的一款小型SFF光纤接口，将电信号转换为光信号，实现无电磁干扰，传输速度更快的通信。该接口连接器尺寸小，节省了设计空间，使得运动控制装置能布局更多的光纤通信接口，丰富了控制装置的扩展功能。

结合图5进行说明，运动控制装置采用的AD、DA芯片：由于本设计中AD芯片成本较高，在保证系统控制要求的基础上，采用选通开关来对两路传感数据进行采集，通过DSP模块来对AD、DA进行编程操作，以确定AD采样的路数，以及AD、DA的模拟量输出范围，并对AD的采样模式进行选取。AD、DA模块需要对模拟量进行必要的处理，均采用ADI公司的放大器模块，为保证精度，对参考电压进行有效的去耦和滤波，模拟量接口均带有必要的耦合电路。

Claims (3)

1.基于VME总线的多轴运动控制装置，其特征是它包括VME接口模块(1)、FPGA模块(2)、光纤(3)、存储器模块(4)、光纤接口模块(5)、DSP模块(7)、时钟模块(8)、电机驱动单元(11)和VME总线(10)，VME接口模块(1)的一个数据交换端与VME总线(10)连通，VME接口模块(1)的另一个数据交换端与FPGA模块(2)的一个数据交换端连通，FPGA模块(2)的另一个数据交换端与存储器模块(4)的数据交换端连通，FPGA模块(2)的再一个数据交换端与DSP模块(7)的数据交换端连通，FPGA模块(2)的第四个数据交换端与光纤接口模块(5)的一个数据交换端连通，DSP模块(7)的控制输出端连接在FPGA模块(2)的控制输入端，时钟模块(8)的一个输出端连接在DSP模块(7)的时钟输入端，时钟模块(8)的另一个输出端连接在FPGA模块(2)的时钟输入端，时钟模块(8)的再一个输出端连接在光纤接口模块(5)的时钟输入端，光纤接口模块(5)的另一个数据交换端通过光纤(3)与电机驱动单元(11)的数据交换端连通，DSP模块(7)选用TMS320C6713B芯片。

2.根据权利要求1所述基于VME总线的多轴运动控制装置，其特征在于它还包括RS485模块(12)，RS485模块(12)的一个数据交换端与FPGA模块(2)的第五个数据交换端连通。

3.根据权利要求1或2所述基于VME总线的多轴运动控制装置，其特征在于它还包括AD、DA及模拟量接口模块(6)和测试接口(9)，AD、DA及模拟量接口模块(6)的数据交换端与测试接口(9)的数据交换端连通，DSP模块(7)的另一个控制输出端连接在AD、DA及模拟量接口模块(6)的控制输入端。

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