CN107505882A - 一种多轴运动控制器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三核处理器的多轴运动控制器及控制方法。所述包括独立设置的上位机，用于接收上位机控制命令包的下位机；上位机与下位机之间通过EtherCAT总线实现通信连接，下位机用于数据处理以及将处理结果通过EtherCAT总线再上传到上位机；下位机包括ARM处理器、DSP处理器、FPGA处理器以及以三核处理器为控制核心的外围模块，所述外围模块包括电源模块、伺服电机控制输出模块、伺服电机状态反馈模块、编码器反馈模块、AD/DA模块、EtherCAT通讯模块、串口通信模块、控制信号输入输出模块和人机交互通信模块。所述运动控制器充分利用上下位机的各自优势资源，实现高速高精控制、输出，控制各个电机协调运动，使得机器人或机械手获得较高的定位精度，从而实现机器人的精确运动控制。

Description

一种多轴运动控制器及控制方法
技术领域
本发明涉及数控技术与自动化控制技术领域，具体涉及一种高速高精的多轴伺服电机运动控制器，充分利用上下位机的各自优势资源，实现高速高精控制、输出，控制各个电机协调运动，使得机器人获得较高的定位精度，从而实现机器人的精确运动控制。
背景技术
运动控制系统是一种利用数字信号对执行机构的位移、速度、加速度和动作顺序等实现自动控制的控制系统，广泛应用于机器人、智能化加工技术和CAD/CAM技术，包括各类数控检测设备、数控加工设备、串并联机器人等自动化设备。
运动控制系统的实现，目前多采用嵌入式控制器和基于PC(个人电脑)的控制器的形式。
基于PC的控制器又分为两大类：使用高速现场总线和“PC+运动控制卡”。高速现场总线即PC机端通过通讯线缆走总线协议与控制板卡连接；PC+运动控制卡即将运动控制卡插入主机PCI插槽中。基于PC的控制器可以将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制卡的运动轨迹控制能力有机地结合在一起。
目前的运动控制器普遍存在以下缺点：
嵌入式控制器受所选核心处理器芯片的性能限制，其运算能力和存储容量有限，造成升级、扩展困难。整机系统开发周期长，跟不上芯片更新换代的速度。因此，目前高端市场主要以基于PC的系统为主。
基于PC使用高速现场总线的控制器，很多总线协议裁剪复杂，开发周期长，开发成本高；对已有的伺服驱动器基本不兼容，无法通信。
PC+运动控制卡式的运动控制器需要将运动控制卡插入计算机主板，占用PCI总线带宽，占用CPU资源，对控制主机的硬件要求高。还需要从PCI卡上引出控制线连接到扩展卡，成本高，引出脚的数量也相当有限，硬件不可裁剪，可扩展性不强。
因此，提供一种通讯速度快、控制精度高的运动控制器和运动控制系统为本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于PC使用EtherCAT总线通讯和三核处理器（ARM+DSP+FPGA）运算处理的控制器，上位PC机只需要发送一些运动相关数据参数至下位机，如终点坐标与设定速度等，以及档位、启动、暂停、停止等命令，真正意义上把运动控制在下位机实现，而且在某一些特定应用上可以依靠通用输入输出端子操作实现脱机运行。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种基于EtherCAT通信与三核处理器（ARM+DSP+FPGA）的多轴伺服电机运动控制器，其特征在于，包括独立设置的上位机，用于接收上位机控制命令包的下位机；上位机与下位机之间通过EtherCAT总线实现通信连接，下位机用于数据处理以及将处理结果通过EtherCAT总线再上传到上位机；下位机包括ARM处理器、DSP处理器、FPGA处理器以及以三核处理器为控制核心的外围模块，所述外围模块包括电源模块、伺服电机控制输出模块、伺服电机状态反馈模块、编码器反馈模块、AD/DA模块、EtherCAT通讯模块、通用输入输出模块。
优选地，所述伺服电机控制输出模块包括多个原理相同的对应每个轴的脉冲与方向控制输出单元，控制电机的运行速度、方向与定位。伺服电机状态反馈模块用于反馈当个各个电机的运行状态；编码器接口模块用于反馈各个电机当前位置；AD/DA模块包括AD/DA转换电路和信号调节电路；EtherCAT通讯模块用于上位机与下位机的高速通讯；通用输入模块用于其他信号的读取，如限位等，输入模块用于其他控制输出，如气缸等。
优选地，所述上位机为通用的带以带网网络接口的电脑，可以是台式机，也可以是笔记本电脑。
优选地，所述下位机采用高性能双核处理器主控芯片TMS320DM8148或TMS320DM8168，该芯片内部集成了1GHz主频Cortex-A8 ARM核与800主频C674x的DSP核，通过EtherCAT总线与上位机进行通信，同时通过并行总线连接FPGA处理器。
优选地，所述上位机解析标准数控G代码，再通过EtherCAT总线发送控制命令包至下位机；下位机将运动代码进行轨迹规划后进行插补控制输出，同时将处理结果及状态反馈等通过EtherCAT总线再上传到上位机。
优选地，所述双核处理器主控芯片的ARM核主要用于与上位机通讯，接收运动代码；双核处理器内部主控芯片的ARM核与DSP核通过共享内存进行数据交互；DSP核进行运动控制轨迹规划、运动控制算法处理、插补运算，并将插补值填入插补缓冲区。
优选地，所述DSP与FPGA通过32位并行总线进行数据交互；FPGA通过中断触发DSP进行插补输出，FPGA接收DSP插补缓冲区传送过来的各轴脉冲值与方向值，进行各轴同步插补，实现多轴联动。
优选地，所述FPGA实时读取外围伺服电机状态反馈值、编码器反馈值并通过并行总线传送至双核处理器。
优选地，所述上位机通过协议查询命令，实时查询当前下位机各电机的工作状态和警报信息，以便于监控。
优选地，所述下位机通过EtherCAT接口接收上位机命令，对其进行解析，得到各电机需要运动到的空间位置；双核处理器利用空间曲线的轨迹插补方法在相邻坐标点之间插补出多个点，经过轨迹插补方法后生成每个插补周期的每个电机需要运动的位置、速度、加速度和加加速度等，存入插补缓冲区；DSP通过FPGA产生的外部中断触发插补输出，将插补缓冲区的数据通过并行总线交互至FPGA，FPGA通过伺服电机控制输出模块控制伺服电机运动，同时通过编码器模块读回每个电机位置进行显示，通过控制信号输入输出模块控制外部设备配合多轴机器人进行作业。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明中基于三核处理器的多轴运动控制器的结构框图。
图2是本发明中基于三核处理器的多轴运动控制器控制方法流程示意图。
图3是本发明中基于三核处理器的多轴运动控制器数据交互流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1，本发明提出了一种基于三核处理器的多轴运动控制器，其特征在于，包括独立设置的上位机1，用于接收上位机控制命令包的下位机2；上位机与下位机之间通过EtherCAT总线实现通信连接，下位机2用于数据处理以及将处理结果通过EtherCAT总线再上传到上位机1；下位机2包括双核处理器模块3（内部集成ARM处理器4、DSP处理器5）、FPGA处理器6以及以三核处理器为控制核心的外围模块，所述外围模块包括电源模块7、伺服电机控制输出模块8、伺服电机状态反馈模块9、编码器反馈模块10、AD/DA模块11、EtherCAT通讯模块12、通用输入输出模块13。
所述伺服电机控制输出模块8包括多个原理相同的对应每个轴的脉冲与方向控制输出单元，控制电机的运行速度、方向与定位；所述伺服电机状态反馈模块9用于反馈当个各个电机的运行状态；所述编码器接口模块10用于反馈各个电机当前位置；所述AD/DA模块11包括AD/DA转换电路和信号调节电路；所述EtherCAT通讯模块12用于上位机与下位机的高速通讯；所述通用输入模块13用于其他信号的读取，如限位等，输入模块用于其他控制输出，如气缸等。
优选地，所述上位机1为通用的带以带网网络接口的电脑，可以是台式机，也可以是笔记本电脑。
优选地，所述下位机2采用高性能双核处理器主控芯片TMS320DM8148或TMS320DM8168，该芯片内部集成了1GHz主频Cortex-A8 ARM核与800主频C674x的DSP核，通过EtherCAT总线与上位机1进行通信，同时通过并行总线连接FPGA处理器。
优选地，所述上位机1解析标准数控G代码，再通过EtherCAT总线发送控制命令包至下位机2；下位机2将运动代码进行轨迹规划后进行插补控制输出，同时将处理结果及状态反馈等通过EtherCAT总线再上传到上位机1。
优选地，所述双核处理器主控芯片3的ARM核4主要用于与上位机1通讯，接收运动代码；双核处理器内部主控芯片3的ARM核4与DSP核5通过共享内存进行数据交互；DSP核5进行运动控制轨迹规划、运动控制算法处理、插补运算，并将插补值填入插补缓冲区。
优选地，所述DSP核5与FPGA处理器6通过32位并行总线进行数据交互；FPGA通过中断触发DSP进行插补输出，FPGA接收DSP插补缓冲区传送过来的各轴脉冲值与方向值，进行各轴同步插补，实现多轴联动。
优选地，所述FPGA处理器6实时读取外围伺服电机状态反馈值、编码器反馈值并通过并行总线传送至双核处理器。
优选地，所述上位机通过协议查询命令，实时查询当前下位机各电机的工作状态和警报信息，以便于监控。
优选地，所述下位机2通过EtherCAT接口接收上位机1命令，对其进行解析，得到各电机需要运动到的空间位置；双核处理器3利用空间曲线的轨迹插补方法在相邻坐标点之间插补出多个点，经过轨迹插补方法后生成每个插补周期的每个电机需要运动的位置、速度、加速度和加加速度等，存入插补缓冲区；DSP通过FPGA产生的外部中断触发插补输出，将插补缓冲区的数据通过并行总线交互至FPGA，FPGA通过伺服电机控制输出模块控制伺服电机运动，同时通过编码器模块读回每个电机位置进行显示，通过控制信号输入输出模块控制外部设备配合多轴机器人进行作业。
图2是本发明所提供的基于三核处理器的多轴运动控制器控制方法流程示意图，如图2所示，该方法包括：
S201、下位机上电，ARM核初始化，唤醒DSP核，FPGA初始化。
在此，下位机采用高性能双核处理器主控芯片TMS320DM8148或TMS320DM8168，该芯片内部集成了1GHz主频Cortex-A8 ARM核与800主频C674x的DSP核。
S202、上位机解析标准数控G代码，再通过EtherCAT总线发送控制命令包至下位机；ARM写共享内存，发送中断至DSP
在此，下位机通过EtherCAT接口接收上位机1命令，对其进行解析，得到各电机需要运动到的空间位置值与设定速度等。
S203、DSP接收中断，读取共享内存，即接收运动代码数据；进行运动控制轨迹规划、运动控制算法处理、插补运算，并将插补值填入插补缓冲区
在此，DSP利用空间曲线的轨迹插补方法在相邻坐标点之间插补出多个点，经过轨迹插补方法后生成每个插补周期的每个电机需要运动的位置、速度、加速度和加加速度等，存入插补缓冲区。
S204、DSP与FPGA数据交互：DSP进行插补输出，FPGA接收DSP插补缓冲区传送过来的各轴脉冲值与方向值，进行各轴同步插补，实现多轴联动；FPGA同步实时读取外围伺服电机状态反馈值、编码器反馈值并通过并行总线传送至DSP
S205、DSP发送中断至ARM，ARM读取共享内存，再将伺服电机状态反馈值、编码器反馈值通过EtherCAT总线再上传到上位机1。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于EtherCAT通信与三核处理器（ARM+DSP+FPGA）的多轴伺服电机运动控制器，其特征在于，包括独立设置的上位机，用于接收上位机控制命令包的下位机；上位机与下位机之间通过EtherCAT总线实现通信连接，下位机用于数据处理以及将处理结果通过EtherCAT总线再上传到上位机；下位机包括ARM处理器、DSP处理器、FPGA处理器以及以三核处理器为控制核心的外围模块，所述外围模块包括电源模块、伺服电机控制输出模块、伺服电机状态反馈模块、编码器反馈模块、AD/DA模块、EtherCAT通讯模块、通用输入输出模块；
所述的伺服电机控制输出模块包括多个原理相同的对应每个轴的脉冲与方向控制输出单元，控制电机的运行速度、方向与定位；
所述的伺服电机状态反馈模块用于反馈当个各个电机的运行状态；
所述的编码器接口模块用于反馈各个电机当前位置；
所述的AD/DA模块包括AD/DA转换电路和信号调节电路；
所述EtherCAT通讯模块用于上位机与下位机的高速通讯；
所述通用输入模块用于其他信号的读取，如限位等，输出模块用于其他控制输出，如电磁阀、气缸等。
2.如权利要求1所述的多轴伺服电机运动控制器，其特征在于：上位机为通用的带以带网网络接口的电脑，可以是台式机，也可以是笔记本电脑。
3.如权利要求1所述的多轴伺服电机运动控制器，其特征在于：所述下位机采用高性能双核处理器主控芯片TMS320DM8148或TMS320DM8168，该芯片内部集成了1GHz主频Cortex-A8 ARM核与800主频C674x的DSP核，通过EtherCAT总线与上位机进行通信，同时通过并行总线连接FPGA处理器。
4.如权利要求1所述的多轴伺服电机运动控制器，其特征在于上位机解析标准数控G代码，再通过EtherCAT总线发送控制命令包至下位机；下位机将运动代码进行轨迹规划后进行插补控制输出，同时将处理结果及状态反馈等通过EtherCAT总线再上传到上位机。
5.如权利要求1所述的多轴运动控制器，其特征在于双核处理器主控芯片的ARM核主要用于与上位机通讯，接收运动代码；双核处理器内部主控芯片的ARM核与DSP核通过共享内存进行数据交互；DSP核进行运动控制轨迹规划、运动控制算法处理、插补运算，并将插补值填入插补缓冲区。
6.如权利要求1所述的多轴伺服电机运动控制器，其特征在于DSP与FPGA通过32位并行总线进行数据交互；FPGA通过中断触发DSP进行插补输出，FPGA接收DSP插补缓冲区传送过来的各轴脉冲值与方向值，进行各轴同步插补，实现多轴联动。
7.如权利要求1所述的多轴伺服电机运动控制器，FPGA实时读取外围伺服电机状态反馈值、编码器反馈值并通过并行总线传送至双核处理器。
8.如权利要求1所述的多轴伺服电机运动控制器，上位机通过协议查询命令，实时查询当前下位机各电机的工作状态和警报信息，以便于监控。
9.一种利用权利要求1所述的多轴伺服电机运动控制器控制多轴伺服电的方法，其特征在于，下位机通过EtherCAT接口接收上位机命令，对其进行解析，得到各电机需要运动到的空间位置；双核处理器利用空间曲线的轨迹插补方法在相邻坐标点之间插补出多个点，经过轨迹插补方法后生成每个插补周期的每个电机需要运动的位置、速度、加速度和加加速度等，存入插补缓冲区；DSP通过FPGA产生的外部中断触发插补输出，将插补缓冲区的数据通过并行总线交互至FPGA，FPGA通过伺服电机控制输出模块控制伺服电机运动，同时通过编码器模块读回每个电机位置进行显示，通过控制信号输入输出模块控制外部其他设备配合多轴机器人进行作业。
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