CN102880102A - 一种用于锂电的专用运动控制器硬件平台 - Google Patents

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史旭光
宋德孝
王立松
刘继海
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Abstract

本发明公开了一种用于锂电的专用运动控制器硬件平台，包括接口模块、FPGA逻辑控制模块、输入输出模块和高速脉冲模块；输入输出模块用于和外部设备开关量进行交互；高速脉冲模块包括电机脉冲产生单元，电机脉冲产生单元用于产生驱动电机的脉冲信号；FPGA逻辑控制模块通过接口模块与上位机模块连接，接收所述上位机模块的命令，对高速脉冲模块、输入输出模块和接口模块进行控制。本发明将大量的数据运算交给计算资源充裕的上位机模块，而专用运动控制器硬件平台负责将上位机的控制命令经过译码再转发，避免了多CPU模式，控制方法更加简洁；本发明采用基于FPGA的逻辑控制模块的逻辑器件实现运动控制核心功能，增强了系统柔性特征。

Description

一种用于锂电的专用运动控制器硬件平台
技术领域
本发明涉及一种面向锂电制造行业的专用运动控制器硬件平台应用技术，尤其涉及一种用于锂电的专用运动控制器硬件平台。
背景技术
锂电行业属于我国目前重点发展新能源技术领域，在国家高新技术产业布局当中处于重要战略地位。随着电动汽车、储能等相关行业的迅猛发展，锂电装备制造行业作为新能源产业当中的重要一环也呈现出良好的发展态势。另外一方面，锂电行业的发展也对其装备制造环节提出了更高的要求，由于锂电制造环节需要更好的一致性来保证其工艺，这就必然要求其装备控制系统具有更好控制性能及更加灵活的模块化拓展能力。
作为一个新兴行业，锂电装备领域还大量采用PLC等传统硬件部件来完成装备整体动作控制，其控制精度和柔性化定制能力必然受到一定限制。同时由于锂电行业工艺需求的特殊性，其制作流程复杂，对动作一致性要求高，通常单台机器即需要几十个电机协同控制，上百个IO点动作逻辑协调，还包括诸如张力控制、纠偏控制等特殊工艺需求。鉴于上述所论及行业应用特点，PLC作为通用工控硬件装置在应对这些高端机械制造设备已经具有明显局限性，难以满足设备的高精度控制需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种可定制、高性能的用于锂电的专用运动控制器硬件平台。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案加以解决：
一种用于锂电的专用运动控制器硬件平台，包括接口模块、FPGA逻辑控制模块、输入输出模块和高速脉冲模块；
所述输入输出模块用于和外部设备开关量进行交互；
所述高速脉冲模块包括电机脉冲产生单元，所述电机脉冲产生单元用于产生驱动电机的脉冲信号；
所述FPGA逻辑控制模块通过所述接口模块与上位机模块连接，接收所述上位机模块的命令，对所述高速脉冲模块、所述输入输出模块和所述接口模块进行控制。
所述高速脉冲模块还包括光电码盘反馈处理单元，所述光电码盘反馈处理单元用于捕获光电码盘反馈的位置信息。
所述光电码盘反馈处理单元包括计数子单元，所述计数子单元用于对外部差分编码器通过闭环控制模式进行计数。
所述计数子单元还用于对内部脉冲发生器通过开环控制模式进行计数。
还包括模拟信号模块，所述模拟信号模块包括张力控制单元，所述张力控制单元用于对卷绕中的电芯的张力进行控制。
所述模拟信号模块还纠偏控制单元，所述纠偏控制单元用于对卷绕中的电芯的偏移进行纠正。
所述FPGA逻辑控制模块为FPGA的最小系统。
所述接口模块包括PCI总线。
所述输入输出模块采用循环冗余校验的纠错协议和64位输入输出信号。
所述输入输出模块采用RS422总线进行传输。
由于采用了以上技术方案，使本发明具备的有益效果在于：
在本发明的具体实施方式中，由于采用接口模块充当了上位机模块和专用运动控制器硬件平台的接口，可将大量的数据运算交给计算资源充裕的上位机模块，而专用运动控制器硬件平台负责将上位机的控制命令经过译码再通过合适的物理通道转发，避免了常用的多CPU模式，控制方法更加简洁；同时专用控制器硬件平台采用基于FPGA的逻辑控制模块的大规模可编程逻辑器件实现运动控制核心功能，增强了系统柔性特征。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的一种模块结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中的专用运动控制器硬件平台的总体架构图；
图3为本发明具体实施方式中的光电码盘硬件功能框图；
图4为本发明具体实施方式中的输入输出模块硬件功能框图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1至图4所示，本发明的用于锂电的专用运动控制器硬件平台(以下简称为专用运动控制器硬件平台)，其一种实施方式，包括接口模块、FPGA逻辑控制模块、输入输出模块和高速脉冲模块。输入输出模块用于输入输出控制指令；高速脉冲模块包括电机脉冲产生单元，电机脉冲产生单元用于产生驱动电机的脉冲信号；FPGA逻辑控制模块通过接口模块与上位机模块连接，接收上位机模块的命令，对所述高速脉冲模块进行控制。
电机脉冲产生单元用于产生控制驱动电机所用方波信号，专用运动控制器硬件平台接收上位机所发送的控制命令，经过接口模块译码之后驱动FPGA逻辑控制模块产生一定频率和一定个数的脉冲，用于控制电机按照预期轨迹运动。由于FPGA逻辑控制模块具有高速数字逻辑特性，专用运动控制器硬件平台可以产生兆级频率的脉冲，可以实现高速机械运动控制。
在一种实施方式中，高速脉冲模块还可以包括光电码盘反馈处理单元，所述光电码盘反馈处理单元用于捕获光电码盘反馈的位置信息。
在一种实施方式中，光电码盘反馈处理单元包括计数子单元，所述计数子单元可用于对外部差分编码器进行计数，具体可通过闭环控制模式进行计数。
在一种实施方式中，计数子单元还可用于对内部脉冲发生器进行计数，具体可通过开环控制模式进行计数。
光电码盘反馈处理单元通过高速光耦把外部工控设备编码反馈信号A、B、Z相信号引入到系统内部并加以辨析处理。与此同时考虑工业现场恶劣的工作环境，硬件系统同时对所输入的信号进行相应的数字滤波，以牺牲一定的速度来换取输入信号的稳定性。计数单元不但可以对外部差分编码器进行计数，同时也可以在开环控制情景下对内部脉冲发生器进行计数，这一特点可以实现一套硬件设备支持开环和闭环两种控制模式。最终可输出方向、计数、复位三种形式控制信号。
在一种实施方式中，本发明的专用运动控制器硬件平台还可以包括模拟信号模块。模拟信号模块可以包括张力控制单元，张力控制单元用于在锂电工控场合对张力进行控制。
张力控制单元用于锂电装备中的卷绕、切割工序的前道流程当中，采用高精度数模转换模块及相应硬件驱动程序构成，支持12位高速高精度数模转换电压输出，满足锂电工控装备场合对张力控制的需求。
在一种实施方式中，模拟信号模块还可以包括纠偏控制单元。纠偏控制单元采用16位高速高精度模数转换采样位置偏移信息，采用现有成熟芯片及相应的硬件驱动程序构成。
在一种实施方式中，FPGA逻辑控制模块为FPGA的最小系统。FPGA的最小系统包括逻辑芯片EP1C6Q240及其配套的晶振、电源等辅助电路。
采用可编程逻辑器件FPGA，便于定制电机脉冲产生单元、光电码盘反馈单元、输入输出单元、张力控制单元、纠偏控制单元等几个核心关键模块。
在一种实施方式中，接口模块包括PCI总线接口(Pedpherd ComponentInterconnect，周边元件扩展接口)。PCI总线接口采用现有成熟芯片PCI9054构建PCI总线到本地总线桥接回路。本发明的专用运动控制器硬件平台采用PCI计算机总线接口，便于系统功能扩展和二次开发。
在目前基于板卡模式的运动控制器的整体架构当中，目前大多采用基于DSP+FPGA架构，将具有高密度的数据运算工作赋予实时运算性能较佳的数字信号处理单元，而本发明巧妙的利用了PCI总线接口充当了上位机工控计算机模块和专用运动控制器硬件平台的接口，将大量的数据运算交给计算资源充裕的上位机模块，而专用控运动制器硬件平台负责将上位机控制命令经过译码再通过合适的物理通道转发。专用控制器硬件平台这一设计避开了常用的多CPU模式，控制方法更加简洁。
在一种实施方式中，输入输出模块采用循环冗余校验的纠错协议和64位输入输出信号。
在一种实施方式中，输入输出模块采用RS422总线，具体可采用RS422差分串行总线扩展。输入输出模块用来连接锂电装备中各个相应动作单元包括气缸、传感器、继电器等元件。
本发明采用一种底层物理信号传输，采取422总线进行长距离传输，以抵御来自现场的强电磁环境下干扰信号。数据链路层传输采取了循环冗余校验(CRC)的纠错协议，从信号传输的准确性得到较好的保证。系统设计采用了64位输入输出信号，以字节形式组织传输，输入和输出各占用8个字节空间。整个硬件系统功能模块分为主控、从控两大逻辑单元，外部输入输出信号通过接口进入从控逻辑单元，经过串并转换和并串转换两次处理和主控模块进行交互，进而经过PCI-104总线模块进入控制系统内部。
本发明的专用运动控制器硬件平台，系统整体集成度较高，传统的锂电设备硬件控制装置大多采用多个PLC的主从控制模式，系统整合度不高。而本发明利用现代计算机技术发展，采用统一X86架构硬件平台，一体性强，便于系统的升级和维护。
本发明的专用运动控制器硬件平台，系统灵活性好，便于针对不同实际应用特点而实现快速化定制。由于系统采用了基于大规模可编程逻辑器件作为硬件平台基础构件，可以根据现场需要快速对整个硬件平台功能实行重构，极大增强了系统的柔性特征，便于产品快速升级换代。
本发明的专用运动控制器硬件平台，系统实时性好，控制精度高。由于PCI计算机总线主频达33MHZ，FPGA逻辑器件也工作几十M以上，极大提高了系统整体速度，为高速、高精度运动控制应用奠定了良好基础。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于锂电的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，包括接口模块、FPGA逻辑控制模块、输入输出模块和高速脉冲模块；
所述输入输出模块用于和外部设备开关量进行交互；
所述高速脉冲模块包括电机脉冲产生单元，所述电机脉冲产生单元用于产生驱动电机的脉冲信号；
所述FPGA逻辑控制模块通过所述接口模块与上位机模块连接，接收所述上位机模块的命令，对所述高速脉冲模块、所述输入输出模块和所述接口模块进行控制。
2.如权利要求1所述的用于锂电的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述高速脉冲模块还包括光电码盘反馈处理单元，所述光电码盘反馈处理单元用于捕获光电码盘反馈的位置信息。
3.如权利要求2所述的用于锂电的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述光电码盘反馈处理单元包括计数子单元，所述计数子单元用于对外部差分编码器通过闭环控制模式进行计数。
4.如权利要求3所述的用于锂电的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述计数子单元还用于对内部脉冲发生器通过开环控制模式进行计数。
5.如权利要求1所述的用于锂电的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，还包括模拟信号模块，所述模拟信号模块包括张力控制单元，所述张力控制单元用于对卷绕中的电芯的张力进行控制。
6.如权利要求5所述的用于锂电的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述模拟信号模块还纠偏控制单元，所述纠偏控制单元用于对卷绕中的电芯的偏移进行纠正。
7.如权利要求1至6中任一项所述的用于锂电的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述FPGA逻辑控制模块为FPGA的最小系统。
8.如权利要求1至6中任一项所述的用于锂电的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述接口模块包括PCI总线。
9.如权利要求1至6中任一项所述的用于锂电的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述输入输出模块采用循环冗余校验的纠错协议和64位输入输出信号。
10.如权利要求9所述的用于锂电的专用运动控制器硬件平台，其特征在于，所述输入输出模块采用RS422总线进行传输。
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