CN106737769A - 工业机器人运动控制器的架构 - Google Patents

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姜金俊
滕朝华
周亚平
高维金
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Abstract

本发明公开了一种工业机器人运动控制器的架构，包括：ARM处理器，其作为主处理器，用于事件管理；FPGA处理器，其与ARM处理器连接，作为协处理器，用于负责各个关节电机伺服控制、输出数字量控制、输出位置脉冲、接收编码器信号及扩展IO信号的处理。本发明将ARM核心板为上位主处理器电路板，通过SPI高速串行接口总线与作为下位协处理器的FPGA进行数据交换。FPGA负责各个关节电机伺服控制、输出数字量控制、输出位置脉冲、接收编码器信号及扩展IO信号的处理。实现了独立于PC或IPC运行的功能，利用嵌入式硬件技术，减小了运动控制系统的结构规模，提高工业机器人在工业生产中的集成度，满足了精度要求，同时降低了成本。

Description

工业机器人运动控制器的架构
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域，涉及一种工业机器人运动控制器的架构。
背景技术
随着我国经济的快速增长，特别是食品生产与加工工业、汽车及汽车零部件制造行业、电子元器件制造行业等领域的发展，推动并引领我国制造业从传统的劳动密集型向以自动化、信息化等为特征的现代技术密集型转变。
工业机器人作为典型的机电一体化产品，在加工、焊接、搬运、喷涂、装配等工业生产中替代或协助人进行工作，提高了劳动生产率及生产质量，降低了生产成本，保障了人身安全。因此，工业机器人在现代制造业中得到了广泛应用。
工业机器人运动控制系统是由运动控制器、执行器、传感器、传动部件构成。其中，运动控制器是机器人进行运动的最顶层规划装置，它将机器人要完成的动作转换成相应的控制器指令，并采集信号经过运算为电机等机器人动力装置提供控制信号，使机器人正确动作，所以它是工业机器人的大脑。
工业机器人运动控制器研究现状：
(1)“PC/工控机(IPC)+运动控制卡”(PC模式)：这种模式控制系统被称为基于个人计算机的运动控制系统，此种模式把与计算机相独立的、具备开放式软硬件结构的运动控制卡，通过PCI等标准的计算机总线连接至计算机软硬件系统，在计算机主机内插入运动控制卡，与上位机控制软件一起构成数控系统，数控系统通过专用接口对驱动器和电机进行运动控制。通过在PC及操作系统下调用相关函数，可实现插补、伺服控制等基本运动控制功能。运动控制芯片(ASIC)或专用处理器(ASIP),一些芯片还是专门为数控机床设计的，如MCX314，具有各种基本插补功能，急停、硬限位等I/O控制功能，可实现对数字伺服电机和步进电机的控制。同时，还存在基于PCI、ISA等PC总线的以DSPs或FPGA或其他处理器如ARM等作为核心处理器的运动控制卡。PC模式运动控制系统体系虽然具备出色的开放性，但由于PC机的体积过大，基于PC机的运动控制系统不能集成到对体积严格要求的微小型工业系统内。另外，基于PC的运动控制系统虽然具备人机交互等丰富的功能，但对一些功能要求简单的工业系统就显得资源过剩，而过多的功能与接口又增加了系统的成本。同时，该类控制器主要基于微软Windows通用操作系统，而Windows不是面向工业控制而设计的系统，无法满足运动控制系统的稳定性、实时性控制要求；同时Windows操作系统是代码不开源的商品化操作系统，因此无法对其进行实时性改造。
(2)“嵌入式处理器/IPC+实时操作系统”(非PC模式)：
非PC模式的运动控制系统最主要的特点为运动控制器可独立于PC或IPC运行。工业环境存在很多限制，如空间体积等，而且存在各种电磁干扰。通过嵌入式技术，将运动控制器小型化并增强其抗干扰能力，应用于工业生产中，既解决了稳定性问题，又降低了控制系统的成本。
“PC模式”与“非PC模式”两种总体架构。“PC模式”运动控制器的优点在于基于PC机使得控制系统具有良好的开放性，同时可以利用PC机丰富的资源。缺点在于由于PC机的存在，使得控制系统体积过大，不利于集成；同时PC机资源过剩，无法得到有效利用，无形中增加了系统的成本；普通PC机抗干扰能力低，使得整个运动控制系统稳定性较低，使得整个运动控制系统稳定性较低；PC机上处理过多的任务，影响运动控制系统的实时性。“非PC模式”运动控制器的优点在于利用嵌入式软硬件技术，减小了运动控制系统的结构规模，提高工业机器人在工业生产中的集成度，满足了精度要求，提高了可靠性和实时性，同时降低了成本。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种工业机器人运动控制器的架构。
为此，本发明提供的技术方案为：
一种工业机器人运动控制器的架构，包括：
ARM处理器，其作为主处理器，用于事件管理；和，
FPGA处理器，其与所述ARM处理器连接，作为协处理器，用于负责各个关节电机伺服控制、输出数字量控制、输出位置脉冲、接收编码器信号及扩展IO信号的处理。
优选的是，所述的工业机器人运动控制器的架构中，所述ARM处理器与所述FPGA处理器通过总线进行数据交互。
优选的是，所述的工业机器人运动控制器的架构中，所述ARM处理器上设置有SPI接口。
优选的是，所述的工业机器人运动控制器的架构中，所述ARM处理器为嵌入式。
优选的是，所述的工业机器人运动控制器的架构中，所述ARM处理器包括集成于嵌入式运动控制器电路板上的ARM核心板，所述ARM核心板通过排针将各个功能端口引出，并和FPGA最小系统接口板连接。
优选的是，所述的工业机器人运动控制器的架构中，所述FPGA最小系统接口板采用的为Xilinx SpartanⅢ系列的FPGA芯片XC3S400。
优选的是，所述的工业机器人运动控制器的架构，还包括：利用长线传输驱动芯片AM26LS31将单端TTL信号转换为双端差分信号传输，以减小位置脉冲信号在传输过程中受到的电磁干扰。
本发明至少包括以下有益效果：
1.运动控制器采用嵌入式微处理器ARM作为主处理器，更擅长事件管理，并且可以快速实现不同模式的切换，这对于操作系统来说是非常有益的。
2.运动控制器采用FPGA作为协处理器，解决了专用控制芯片功能单一、灵活性差的不足，具备方便灵活的动态可重构性。同时，FPGA拥有强大的并行计算和执行能力，系统的实时性得到很大提升，而且具备较高的可靠性。
3.实现了独立于PC或IPC运行的功能，利用嵌入式硬件技术，减小了运动控制系统的结构规模，提高工业机器人在工业生产中的集成度，满足了精度要求，同时降低了成本。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的工业机器人运动控制器的硬件系统结构框图；
图2为本发明其中一个实施例中ARM核心板的照片；
图3为本发明其中一个实施例中FPGA最小系统接口板的照片；
图4为本发明其中一个实施例中的电源接口电路示意图；
图5为本发明其中一个实施例中一路脉冲信号的转换原理；
图6为本发明其中一个实施例中IO接口电路图；
图7为本发明其中一个实施例中模拟量输出接口电路图；
图8为本发明其中一个实施例中驱动器接口电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明主要架构方案：“ARM主处理器+FPGA协处理器”。
硬件系统的整体结构体系为：ARM核心板为上位主处理器电路板，通过SPI高速串行接口总线与下位协处理器FPGA进行数据交换。FPGA负责各个关节电机伺服控制、输出数字量控制、输出位置脉冲、接收编码器信号及扩展IO信号的处理。实现了独立于PC或IPC运行的功能，利用嵌入式硬件技术，减小了运动控制系统的结构规模，提高工业机器人在工业生产中的集成度，满足了精度要求，同时降低了成本。
本发明提供一种工业机器人运动控制器的架构，包括：
ARM处理器，其作为主处理器，用于事件管理；和，
FPGA处理器，其与所述ARM处理器连接，作为协处理器，用于负责各个关节电机伺服控制、输出数字量控制、输出位置脉冲、接收编码器信号及扩展IO信号的处理。
在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述ARM处理器与所述FPGA处理器通过总线进行数据交互。
在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述ARM处理器上设置有SPI接口。
在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述ARM处理器为嵌入式。
在上述方案中，作为优选，所述ARM处理器包括集成于嵌入式运动控制器电路板上的ARM核心板，所述ARM核心板通过排针将各个功能端口引出，并和FPGA最小系统接口板连接。
在上述方案中，作为优选，所述FPGA最小系统接口板采用的为Xilinx SpartanⅢ系列的FPGA芯片XC3S400。
在本发明的其中一个实施例中，作为优选，还包括：利用长线传输驱动芯片AM26LS31将单端TTL信号转换为双端差分信号传输，以减小位置脉冲信号在传输过程中受到的电磁干扰。
运动控制器的核心处理器必须具备多事件管理能力。同时，由于ARM架构的不断演进，半导体工艺的不断提高，新一代ARM的主要技术指标不断提高，主频由几十兆赫兹提高至几百兆赫兹，时钟周期大幅度降低，采用了改进型哈佛结构，能够同时进行数据读写操作和取指操作；流水线级数不断增加，提高了ARM并行处理能力；增加了增强型硬件乘法器设计，它的数字信号处理能力进一步增强，能够实现一些复杂的运动控制算法。因此，选择ARM作为运动控制器主处理器。
对于机器人多轴运动控制器，需要处理器具备多管脚输入输出能力，以实现电机编码器信号处理、位置脉冲及速度模拟电压输出等基本功能。FPGA作为专用集成电路领域中的一种半定制电路，具有丰富的输入输出模块，既满足了IO扩展的要求，又通过在大规模门电路基础上的硬件编程语言程序设计，解决了专用IO扩展集成电路的不足，实现了输入输出功能的灵活配置。同时,FPGA具备其它处理器没有的并行处理能力，十分适合多轴运动控制系统同步性和实时性的要求。因此，选择FPGA作为运动控制器协处理器，与ARM配合完成机器人运动控制任务。
“ARM主处理器+FPGA协处理器”通信总线，最主要的特点是ARM与FPGA之间通过总线直接进行数据交互。FPGA上的总线接口可通过硬件描述语言(HDL)编程实现，不同的逻辑时序可实现不同通信协议总线接口。采用串行总线作为ARM和FPGA之间的通信载体，由于ARM处理器上有专用SPI(Serial Peripheral Interface)接口，SPI通信速率可达25Mbps，满足机器人运动控制器通信速率要求，可作为该嵌入式运动控制器第一代样机主，协处理器通信接口。具体硬件系统结构框图如图1所示。
ARM核心板为上位主处理器电路板，通过SPI高速串行接口总线与下位协处理器FPGA进行数据交换。FPGA负责各个关节电机伺服控制，输出数字量控制DAC，输出位置脉冲，接收编码器信号，电机驱动器控制模式配置IO信号的处理以及扩展IO信号的处理。
嵌入式运动控制器的核心处理芯片为ARM和FPGA。一款名为SBC84621的ARM核心板被集成到嵌入式运动控制器电路板上，该板采用AMD CS5536CPU，扩展了存储容量为512Mb的DDR400SO-DIMM CL3。ARM核心板通过排针将各个功能端口引出和FPGA最小系统接口板连接，可利用该核心板上的以太网、串口、USB或音频等接口。FPGA最小系统接口板使用了Xilinx SpartanⅢ系列的一款FPGA芯片XC3S400，可满足本控制器系统设计要求。
ARM核心板与FPGA最小系统接口板如图2和3所示。
针对ARM和FPGA的特点，设计芯片外围基本功能电路，实现如电源供应、程序复位、程序的调试及下载。ARM核心板供电电压为3.3V，FPGA最小系统接口板需要3.3V、2.5V及1.2V三种电压供电，如图4所示。
为了减小位置脉冲信号在传输过程中受到的电磁干扰，利用长线传输驱动芯片AM26LS31将单端TTL信号转换为双端差分信号传输，如图5所示(图中为一路脉冲信号的转换原理)：
运动控制器中存在两种输入输出开关量信号：一种是伺服驱动器控制模式配置IO信号，当相关配置信号正确时，驱动器才可以正常工作，此种IO信号是基本IO信号；另一种是额外增加的输入输出开关量信号，来满足运动控制开关控制功能扩展，此种信号是扩展的IO信号。两种IO信号的处理方式一致。如图6所示，按照伺服驱动器用户手册推荐方式，对于运动控制器输出开关量信号，首先通过普通光耦TLP181将前后两级隔离，同时将CMOS电平信号转换为24V电压信号，然后利用达林顿管芯片ULN2804，将信号功率放大，提高驱动能力。
模拟量输出接口电路如图7所示。
驱动器接口电路如图8所示。
以上详细介绍了工业机器人嵌入式运动控制器硬件电路设计。首先，从运动控制器硬件架构的角度描述了控制器的总体结构，包括核心处理器的选择以及核心处理器间的通信总线的选择，最终确定了以“ARM主处理器+FPGA协处理器”以及SPI串行通信总线的硬件方案。接着，详细介绍了以各个单元电路的功能和设计，包括运动控制器核心及其外围基本电路。
如上所述，本发明将ARM核心板为上位主处理器电路板，通过SPI高速串行接口总线与作为下位协处理器的FPGA进行数据交换。FPGA负责各个关节电机伺服控制、输出数字量控制、输出位置脉冲、接收编码器信号及扩展IO信号的处理。实现了独立于PC或IPC运行的功能，利用嵌入式硬件技术，减小了运动控制系统的结构规模，提高工业机器人在工业生产中的集成度，满足了精度要求，同时降低了成本。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种工业机器人运动控制器的架构，其特征在于，包括：
ARM处理器，其作为主处理器，用于事件管理；和，
FPGA处理器，其与所述ARM处理器连接，作为协处理器，用于负责各个关节电机伺服控制、输出数字量控制、输出位置脉冲、接收编码器信号及扩展IO信号的处理。
2.如权利要求1所述的工业机器人运动控制器的架构，其特征在于，所述ARM处理器与所述FPGA处理器通过总线进行数据交互。
3.如权利要求1所述的工业机器人运动控制器的架构，其特征在于，所述ARM处理器上设置有SPI接口。
4.如权利要求1所述的工业机器人运动控制器的架构，其特征在于，所述ARM处理器为嵌入式。
5.如权利要求4所述的工业机器人运动控制器的架构，其特征在于，所述ARM处理器包括集成于嵌入式运动控制器电路板上的ARM核心板，所述ARM核心板通过排针将各个功能端口引出，并和FPGA最小系统接口板连接。
6.如权利要求5所述的工业机器人运动控制器的架构，其特征在于，所述FPGA最小系统接口板采用的为Xilinx SpartanⅢ系列的FPGA芯片XC3S400。
7.如权利要求1所述的工业机器人运动控制器的架构，其特征在于，还包括：利用长线传输驱动芯片AM26LS31将单端TTL信号转换为双端差分信号传输，以减小位置脉冲信号在传输过程中受到的电磁干扰。
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