CN103744353B - 运动控制系统及运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种运动控制系统及运动控制方法，包括控制核心、传感输入模块、驱动输出模块、触摸屏/键盘显示模块和电机控制模块；传感输入模块的输出端连接控制核心的输入端；驱动输出模块的输入端连接控制核心的输出端；触摸屏/键盘显示模块与控制核心双向电连接；电机控制模块的输入端连接控制核心的输出端，其输出端通过电机驱动器控制至少一个电机；控制核心包括DSP主处理器、FPGA协处理器和ARM从处理器。本发明的控制核心系统采用以DSP为主处理器，FPGA为协处理，ARM为从处理器的3核架构思想，增强了系统的灵活性，提高了系统的工作效率，因此使得本发明的运动控制系统的结构开放性更高，扩展性更好，灵活性更佳。<!--1-->
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的运动控制系统及采用该运动控制系统的运动控制方法。
背景技术
运动控制系统起源于20世纪80年代，经历从以单片机或微处理器作为核心的运动控制系统和以专用芯片（ASIC）作为核心处理器的运动控制器，发展到以DSP+FPGA双核处理器的开放式运动控制系统。同时运动控制技术也由面向传统的数控加工行业专用运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。基于网络的开放式结构和嵌入式结构的通用运动控制系统逐步成为自动化控制领域里的主导。高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。
以单片机或微处理器为核心的运动控制系统速度较慢，精度不高，成本相对较低。一般应用在一些需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合。
以专用芯片（ASIC）作为核心处理器的运动控制系统，结构比较简单，大多数只能输出脉冲信号，开环控制方式，不能提供连续插补功能，一般应用在单轴点位控制场合，无法脉冲多种协调插补运动。
新型运动控制系统，DSP能够进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳；DSP+FPGA双核技术，使系统的结构扩展性更好。中国专利文献CN201110324404.2公开的《多轴运动控制系统》中的上位机采用了DSP+ARM的双核处理器，价格相对比较高，属于专用处理器；灵活性较差，而且型号选择空间少，成本高。
发明内容
本发明的第一个目的是解决现有技术存在的问题，提供一种互换性、操作性、扩展性、灵活性高，同时能缩短开发时间，减少成本的新型的运动控制系统。
实现本发明第一个目的的技术方案是一种运动控制系统，包括控制核心、传感输入模块、驱动输出模块、触摸屏/键盘显示模块和电机控制模块；传感输入模块的输出端连接控制核心的输入端；驱动输出模块的输入端连接控制核心的输出端；触摸屏/键盘显示模块与控制核心双向电连接；电机控制模块的输入端连接控制核心的输出端，其输出端通过电机驱动器控制至少一个电机；控制核心包括DSP主处理器、FPGA协处理器和ARM从处理器。
控制核心的DSP主处理器和ARM从处理器的输出端均通过地址总线和控制总线与FPGA协处理器的输入端连接；DSP主处理器和ARM从处理器还通过数据总线与FPGA协处理器双向电连接。
运动控制系统还包括扩展功能模块、扩展输入模块和扩展输出模块；扩展功能模块与控制核心双向电连接；扩展输入模块的输出端连接控制核心的输入端；扩展输出模块的输入端连接控制核心的输出端。
根据权利要求3的运动控制系统还包括与控制核心双向电连接的上位机。
本发明的第二个目的是提供一种新的运动控制方法。
实现本发明第二个目的的技术方案是采用前述的运动控制系统，控制方法包括以下步骤：
步骤一：系统上电后，DSP主处理器、FPGA协处理器和ARM从处理器同时加载程序进入初始化阶段；
步骤二：DSP主处理器完成初始化后发送任务数据，该任务数据写入FPGA协处理器的任务号处理器，然后DSP主处理器进入主循环；
FPGA协处理器完成初始化后进入并行任务循环，该并行任务由DSP主处理器分配；
ARM从处理器完成初始化后从FPGA协处理器的任务号处理器读取任务信息，然后ARM从处理器进入主循环；
步骤三：DSP主处理器扫描驱动输出模块的通用IO信息、扫描FPGA协处理器的反馈信息、扫描上位机信息；如有FPGA协处理器反馈信息，则读取反馈信息并执行相关操作，执行完毕返回主循环；如有上位机信息，则读取上位机的信息，并执行上位机操作，执行完毕返回主循环；
FPGA协处理器将DSP主处理器分配的任务解析为模块化的控制任务并执行，执行完成后反馈信息给DSP主处理器，然后等待下次任务信息；
ARM从处理器扫描触摸屏/键盘显示模块并执行出厂参数设置、选择任务号或者功能参数调整操作；保存DSP主处理器的任务数据，判断DSP主处理器是否忙，如果忙等待返回主循环处理其他任务；如果DSP主处理器空闲，则发送前述参数给FPGA协处理器的参数寄存器，从而在DSP主处理器扫描FPGA协处理器的反馈信息时获取；执行完毕，返回主循环。
步骤三中，DSP主处理器根据FPGA协处理器反馈信息执行的操作包括发送复位指令、读写参数指令、发送运行指令和读取故障信息。
步骤三中，FPGA协处理器执行的模块化任务包括：根据复位寄存器的复位信息控制各电机运行并将信息反馈给DSP主处理器；扫描驱动输出模块的通用IO信息、扫描传感输入模块的信息、扫描ARM从处理器信号，并将这些信息反馈给DSP主处理器。
采用了上述技术方案后，本发明具有的积极效果如下：（1）本发明的控制核心系统采用以DSP为主处理器，FPGA为协处理，ARM为从处理器的3核架构思想，与单DSP控制系统相比，增加FPGA增强了系统的扩展能力，有效减轻DSP做算法处理的负荷；与DSP+FPGA双核控制系统相比，增加ARM丰富了系统外设资源，并且分担DSP部分外设操作，提高DSP的运算能力，增强了系统的灵活性，提高了系统的工作效率，因此使得本发明的运动控制系统的结构开放性更高，扩展性更好，灵活性更佳。
（2）本发明的扩展输入模块、扩展功能模块和扩展输出模块用于系统扩展，增加系统的可扩展性和使用灵活性。
（3）本发明的运动控制系统可以单独运行，即相当于作为上位机控制多个电机的运动；也可以作为下位机，接受上位机的指令，与其他相同或者不同的系统一起实现更为复杂的控制。
（4）本发明的系统特别适合应用于点胶机、雕刻机等平面多轴工控设备中，具有很好的互换性、操作性、扩展性、灵活性，同时缩短开发时间，减少成本。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的原理框图。
附图中标号为：
控制核心1、传感输入模块2、驱动输出模块3、触摸屏/键盘显示模块4、电机控制模块5、扩展功能模块6、扩展输入模块7、扩展输出模块8、上位机9。
具体实施方式
（实施例1）
见图1，本实施例的运动控制系统，包括控制核心1、传感输入模块2、驱动输出模块3、触摸屏/键盘显示模块4、电机控制模块5、扩展功能模块6、扩展输入模块7、扩展输出模块8和上位机9。
传感输入模块2的输出端连接控制核心1的输入端。驱动输出模块3的输入端连接控制核心1的输出端。触摸屏/键盘显示模块4与控制核心1双向电连接。电机控制模块5的输入端连接控制核心1的输出端，其输出端通过电机驱动器控制至少一个电机。控制核心1包括DSP主处理器11、FPGA协处理器12和ARM从处理器13。控制核心1的DSP主处理器11和ARM从处理器13的输出端均通过地址总线和控制总线与FPGA协处理器12的输入端连接。DSP主处理器11和ARM从处理器13还通过数据总线与FPGA协处理器12双向电连接。扩展功能模块6与控制核心1双向电连接。扩展输入模块7的输出端连接控制核心1的输入端。扩展输出模块8的输入端连接控制核心1的输出端。上位机9与控制核心1双向电连接。上位机9与控制核心1进行数据交互，上传或者下载数据至控制核心1。控制核心1负责协调处理各个模块的任务。电机控制模块5用于实现控制各个电机轴CP和PTP运动。传感输入模块2负责接收并转换传感器输入信号。触摸屏/键盘显示模块4用于实时控制系统运行和显示系统信息。驱动输出模块3负责通用IO驱动输出。扩展功能模块6、扩展输入模块7、扩展输出模块8用于系统扩展，增加系统的可扩展性和使用灵活性。
运动控制系统的状态包括复位、空闲、运行和故障。系统上电后，先进入复位状态，复位完成后，系统可以进入空闲、运行或者故障状态，且复位与空闲和故障状态均是可逆的；进入空闲状态后，系统可以进行编程器操作或者键盘显示操作，且这两种操作与空闲状态可逆。运行状态与空闲状态可逆，运行中可以进行暂停或者急停操作，同时运行还会产生故障。故障状态后系统只能回到复位状态，进行下一次操作。
具体控制方法包括以下步骤：
步骤一：系统上电后，DSP主处理器11、FPGA协处理器12和ARM从处理器13同时加载程序进入初始化阶段；
步骤二：DSP主处理器11完成初始化后发送任务数据，该任务数据写入FPGA协处理器12的任务号处理器，然后DSP主处理器11进入主循环；
FPGA协处理器12完成初始化后进入并行任务循环，该并行任务由DSP主处理器11分配；
ARM从处理器13完成初始化后从FPGA协处理器12的任务号处理器读取任务信息，然后ARM从处理器13进入主循环；
步骤三：DSP主处理器11扫描驱动输出模块的通用IO信息、扫描FPGA协处理器12的反馈信息、扫描上位机9信息；如有FPGA协处理器12反馈信息，则读取反馈信息并执行相关操作，执行完毕返回主循环；如有上位机9信息，则读取上位机9的信息，并执行上位机操作，执行完毕返回主循环；DSP主处理器11根据FPGA协处理器12反馈信息执行的操作包括发送复位指令、读写参数指令、发送运行指令和读取故障信息。
FPGA协处理器12将DSP主处理器11分配的任务解析为模块化的控制任务并执行，执行完成后反馈信息给DSP主处理器11，然后等待下次任务信息；
ARM从处理器13扫描触摸屏/键盘显示模块4并执行出厂参数设置、选择任务号或者功能参数调整操作；保存DSP主处理器11的任务数据，判断DSP主处理器11是否忙，如果忙等待返回主循环处理其他任务；如果DSP主处理器11空闲，则发送前述参数给FPGA协处理器12的参数寄存器，从而在DSP主处理器11扫描FPGA协处理器12的反馈信息时获取；执行完毕，返回主循环。FPGA协处理器12执行的模块化任务包括：根据复位寄存器的复位信息控制各电机运行并将信息反馈给DSP主处理器11；扫描驱动输出模块的通用IO信息、扫描传感输入模块的信息、扫描ARM从处理器13信号，并将这些信息反馈给DSP主处理器11。
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种运动控制系统，其特征在于：包括控制核心（1）、传感输入模块（2）、驱动输出模块（3）、触摸屏/键盘显示模块（4）和电机控制模块（5）；传感输入模块（2）的输出端连接控制核心（1）的输入端；驱动输出模块（3）的输入端连接控制核心（1）的输出端；触摸屏/键盘显示模块（4）与控制核心（1）双向电连接；电机控制模块（5）的输入端连接控制核心（1）的输出端，其输出端通过电机驱动器控制至少一个电机；控制核心（1）包括DSP主处理器（11）、FPGA协处理器（12）和ARM从处理器（13）。
2.根据权利要求1的运动控制系统，其特征在于：控制核心（1）的DSP主处理器（11）和ARM从处理器（13）的输出端均通过地址总线和控制总线与FPGA协处理器（12）的输入端连接；DSP主处理器（11）和ARM从处理器（13）还通过数据总线与FPGA协处理器（12）双向电连接。
3.根据权利要求2的运动控制系统，其特征在于：还包括扩展功能模块（6）、扩展输入模块（7）和扩展输出模块（8）；扩展功能模块（6）与控制核心（1）双向电连接；扩展输入模块（7）的输出端连接控制核心（1）的输入端；扩展输出模块（8）的输入端连接控制核心（1）的输出端。
4.根据权利要求3的运动控制系统，其特征在于：还包括与控制核心（1）双向电连接的上位机（9）。
5.一种运动控制系统的运动控制方法，其特征在于采用如权利要求4的运动控制系统，控制方法包括以下步骤：
步骤一：系统上电后，DSP主处理器（11）、FPGA协处理器（12）和ARM从处理器（13）同时加载程序进入初始化阶段；
步骤二：DSP主处理器（11）完成初始化后发送任务数据，该任务数据写入FPGA协处理器（12）的任务号处理器，然后DSP主处理器（11）进入主循环；
FPGA协处理器（12）完成初始化后进入并行任务循环，该并行任务由DSP主处理器（11）分配；
ARM从处理器（13）完成初始化后从FPGA协处理器（12）的任务号处理器读取任务信息，然后ARM从处理器（13）进入主循环；
步骤三：DSP主处理器（11）扫描驱动输出模块的通用IO信息、扫描FPGA协处理器（12）的反馈信息、扫描上位机（9）信息；如有FPGA协处理器（12）反馈信息，则读取反馈信息并执行相关操作，执行完毕返回主循环；如有上位机（9）信息，则读取上位机（9）的信息，并执行上位机操作，执行完毕返回主循环；
FPGA协处理器（12）将DSP主处理器（11）分配的任务解析为模块化的控制任务并执行，执行完成后反馈信息给DSP主处理器（11），然后等待下次任务信息；
ARM从处理器（13）扫描触摸屏/键盘显示模块（4）并执行出厂参数设置、选择任务号或者功能参数调整操作；保存DSP主处理器（11）的任务数据，判断DSP主处理器（11）是否忙，如果忙等待返回主循环处理其他任务；如果DSP主处理器（11）空闲，则发送前述参数给FPGA协处理器（12）的参数寄存器，从而在DSP主处理器（11）扫描FPGA协处理器（12）的反馈信息时获取；执行完毕，返回主循环。
6.根据权利要求5的运动控制系统的运动控制方法，其特征在于：步骤三中，DSP主处理器（11）根据FPGA协处理器（12）反馈信息执行的操作包括发送复位指令、读写参数指令、发送运行指令和读取故障信息。
7.根据权利要求5的运动控制系统的运动控制方法，其特征在于：步骤三中，FPGA协处理器（12）执行的模块化任务包括：根据复位寄存器的复位信息控制各电机运行并将信息反馈给DSP主处理器（11）；扫描驱动输出模块的通用IO信息、扫描传感输入模块的信息、扫描ARM从处理器（13）信号，并将这些信息反馈给DSP主处理器（11）。
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