CN111045392A - 一种基于fpga的伺服运动控制卡接口电路 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路,包括:上位机,用于发送各个伺服电机的驱动信息;分别与所述伺服电机对应的多个伺服驱动控制卡,伺服运动控制卡包括FPGA芯片以及第一以太网接口、第二以太网接口,其中,伺服驱动控制卡通过第一以太网接口与上位机连接,通过第二以太网接口与对应伺服电机的伺服驱动器连接;所述FPGA芯片用于从第一以太网接口中获取所述驱动信息,从驱动信息中解析出对应伺服电机的控制信息,然后将该控制信息通过第二以太网接口发送给对应伺服电机的伺服驱动器。本申请利用双以太网口高速稳定传输信息,够实时、高效地控制工业伺服电机。
Description
技术领域
本申请涉及工业现场总线领域,具体涉及一种基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路。
背景技术
现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它是一种工业数据总线,是自动化领域中底层数据通信网络。简单说,现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输,是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。
目前的工业现场总线系统主要有485网络其中包括有RS485和MODBUS,HART网络,FieledBus,ethercat总线等几种,但各个系统均存在各种不足;其中RS485和MODBUS主要缺陷有:
(1)传输速率慢,对于即时性高的工艺要求无法满足,例如雕刻机等。
(2)接口需要旁路保护需要有一条良好的连接大地的通道,实现起来比较困难
(3)主从设备应答容易发生错误,这也是工业现场经常发生的错误。从而导致不可挽回的事故。
Ethercat总线主要是由德国倍浮公司提出来的工业控制总线方案,性能也较为理想,但主要缺陷有:安装复杂,价格也偏高必须购买倍浮公司的ethercat协议芯片。HART网络,目前被全球几家大公司垄断,因为要使用该协议,必须支付高额的入会费,因此不适用于中小型企业的工业自动化。
发明内容
本申请的目的是提供一种能够利用双以太网口高速稳定传输信息,又能够实时控制工业电机的基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路。
为了实现上述任务,本申请采用以下技术方案:
一种基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路,包括:
上位机,用于发送各个伺服电机的驱动信息;
分别与所述伺服电机对应的多个伺服驱动控制卡,伺服运动控制卡包括FPGA芯片以及第一以太网接口、第二以太网接口,其中,伺服驱动控制卡通过第一以太网接口与上位机连接,通过第二以太网接口与对应伺服电机的伺服驱动器连接;所述FPGA芯片用于从第一以太网接口中获取所述驱动信息,从驱动信息中解析出对应伺服电机的控制信息,然后将该控制信息通过第二以太网接口发送给对应伺服电机的伺服驱动器。
进一步地,所述的多个伺服驱动控制卡采用并联的方式连接上位机,上位机采用广播的方式发送所述各个伺服电机的驱动信息。
进一步地,所述驱动信息中包含有一个或一个以上的驱动指令,每个驱动指令对应一个伺服电机,驱动指令包括伺服电机的编号、该伺服电机中驱动轴的位置信息以及控制指令。
进一步地,所述控制指令包括正转、反转以及对应的转动圈数或时间。
进一步地,所述多个伺服运动控制卡接收到驱动信息后,每个伺服运动控制卡从驱动信息中解析出驱动指令,判断是否存在用于控制该伺服运动控制卡对应的伺服电机的驱动指令,如存在该驱动指令,则将该驱动指令作为所述控制信息。
进一步地,所述判断是否存在用于控制该伺服运动控制卡对应的伺服电机的驱动指令,包括:
每个伺服运动控制卡中保存有与该伺服运动控制卡对应的伺服电机的编号;伺服运动控制卡分别将保存的伺服电机的编号,与每个驱动指令中的伺服电机的编号进行匹配,若匹配成功,则将匹配成功的驱动指令作为控制该伺服运动控制卡对应的伺服电机的驱动指令。
进一步地,所述控制信息通过第二以太网接口发送给对应伺服电机的伺服驱动器之后,伺服驱动器从控制信息中解析出该伺服电机中驱动轴的位置信息以及控制指令,通过驱动轴的位置信息以及控制指令对伺服电机进行控制。
进一步地,所述通过驱动轴的位置信息以及控制指令对伺服电机进行控制,包括:
当伺服驱动器接收到对应的伺服电机的驱动指令后,首先获取伺服电机当前驱动轴的位置信息,判断该位置信息与驱动指令中要的驱动轴的位置信息是否一致,如果不一致,则进行对应调整。
进一步地,所述伺服驱动器在伺服电机工作期间,定期将伺服电机驱动轴的位置信息通过第二以太网接口、第一以太网接口发送给上位机,以使上位机通过所述实时位置信息对伺服电机进行调控。
进一步地,所述第一以太网接口、第二以太网接口均采用千兆级别的传输网口。
本申请具有以下技术特点:
1.与传统串行总线相比,本申请的双网口总线是并行设置,当PC将信息命令发出时,各节点伺服运动控制卡同时收到信息并做出相应,因此实时性是明显优于串行通信总线。
2.本申请采用的是千兆以太网自适应协议接口,最高速度可以达到千兆级别,满足了现有速度的同时,也满足了未来工业控制类型的需要。
3.本申请采用的是基于FPGA的设计,FPGA芯片比专业集成的芯片更具竞争力,且能够大大缩短研发周期,速度也更快。
4.结构简单,只需要一块FPGA和两个以太网口就可以建立一个从栈,因此更具扩展性。
附图说明
图1为本申请电路的应用结构示意图;
图2为伺服运动控制卡的结构示意图;
图3为本申请的工作流程示意图。
具体实施方式
如图1至图3所示,本申请公开了一种基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路,包括:
上位机,用于发送各个伺服电机的驱动信息;
分别与所述伺服电机对应的多个伺服驱动控制卡,伺服运动控制卡包括FPGA芯片以及第一以太网接口、第二以太网接口,其中,伺服驱动控制卡通过第一以太网接口与上位机连接,通过第二以太网接口与对应伺服电机的伺服驱动器连接;所述FPGA芯片用于从第一以太网接口中获取所述驱动信息,从驱动信息中解析出对应伺服电机的控制信息,然后将该控制信息通过第二以太网接口发送给对应伺服电机的伺服驱动器。
在本申请的实施例中,所述上位机采用工业计算机,用于整体调控各个伺服电机。各个伺服电机作为工业生产车间、流水线上的驱动机构,根据调控带动具体的执行机构实现不同的功能。在工业应用中,一般情况下通过上位机驱动控制大量的伺服电机,本申请中,上位机将各个伺服电机的驱动指令汇总为驱动信息,通过广播的形式统一发送给并行设置的从栈(伺服运动控制卡)。
本申请中,伺服运动控制卡的数量与伺服电机数量相同且一一对应。伺服运动控制卡包括FPGA芯片和两个以太网接口,如图2所示。采用以太网接口,使得布设过程工艺简单、成本低,并且具有很高的传输速率和实时性,能对伺服电机进行同步精确控制。在进行系统搭建时,一个伺服驱动控制卡连接一个伺服电机的驱动控制器,然后将所有伺服运动控制卡并行连接至上位机。所述第一以太网接口、第二以太网接口均采用千兆级别的传输网口,信息传输速率可达到1000兆。
采用上述布设方式,上位机可通过广播的方式发送驱动信息,使得控制方式更加简单、高效,实时性强;且将各个伺服电机的驱动指令进行汇总后发送,便于大规模地控制伺服电机;当系统中有新的伺服电机加入,或需要删除某个伺服电机时,仅需要简单调整驱动信息即可,使得控制方式更加简单高效。
上位机发送的驱动信息中,包含一个或多个驱动电机的控制信息。例如有编号1到N的伺服电机需要控制,那么某一条驱动信息可以只是针对于其中部分伺服电机(例如某个驱动信息是控制编号1到N-2的伺服电机转动r圈,而下一个驱动信息是控制编号为N-1、N的伺服电机转动l圈),也可以是针对全部的伺服电机;伺服驱动控制卡接收到驱动信息后,只需要从其中进行解析,判断解析出的控制信息是否为该伺服运动控制卡对应伺服电机的控制信息,如果是,则发送给该伺服电机的伺服驱动器。在一个实施例中,具体工作流程如图3所示。
可选地,所述驱动信息中包含有一个或一个以上的驱动指令,每个驱动指令对应一个伺服电机,驱动指令包括伺服电机的编号、该伺服电机中驱动轴的位置信息以及控制指令,如表1所示,为驱动信息中包含N条驱动指令的格式。
表1驱动信息
驱动指令1 | 驱动指令2 | … | 驱动指令N |
伺服电机编号1 | 伺服电机编号2 | … | 伺服电机编号N |
驱动轴位置X1 | 驱动轴位置X2 | … | 驱动轴位置XN |
控制指令1 | 控制指令2 | … | 控制指令N |
本申请的实施例中,为了实现精确控制,所述多个伺服运动控制卡接收到驱动信息后,每个伺服运动控制卡(的FPGA芯片)从驱动信息中解析出驱动指令,判断是否存在用于控制该伺服运动控制卡对应的伺服电机的驱动指令,如存在该驱动指令,则将该驱动指令作为所述控制信息。具体的判断方法为:
每个伺服运动控制卡中保存有与该伺服运动控制卡对应的伺服电机的编号;如图1所示,伺服运动控制卡1对应的伺服电机的编号为1。伺服运动控制卡分别将保存的伺服电机的编号,与每个驱动指令中的伺服电机的编号进行匹配,若匹配成功,则将匹配成功的驱动指令作为控制该伺服运动控制卡对应的伺服电机的驱动指令。
由于某条驱动信息并不一定是针对于所有伺服电机的,因此采用匹配判断的方式,使得每个伺服运动控制卡能获知当前的驱动信息中是否包含该伺服运动控制卡对应伺服电机的驱动指令,如有该驱动指令,则将其作为控制信息发送给对应的伺服驱动器。
当控制信息通过第二以太网接口发送给对应伺服电机的伺服驱动器之后,伺服驱动器从控制信息中解析出该伺服电机中驱动轴的位置信息以及控制指令,通过驱动轴的位置信息以及控制指令对伺服电机进行控制。
其中,所述控制指令包括正转、反转以及对应的转动圈数或时间。例如驱动指令1中,伺服电机编号为1,驱动轴位置为X1,表示伺服电机1当前的驱动轴应该所处的位置(驱动轴上固定位置的转动角度);控制指令1为使驱动轴正转K圈,也可以为使驱动轴正转T时间。
当伺服驱动器接收到对应的伺服电机的驱动指令后,首先获取伺服电机当前驱动轴(通过位置传感器获取)的位置信息,判断该位置信息与驱动指令中要求的驱动轴的位置信息是否一致,如果不一致,则进行对应调整。例如控制指令为使驱动轴转K圈,而当前驱动轴的位置与驱动指令中要求的驱动轴的位置差半圈,则最终控制驱动轴旋转K圈+半圈,以实现精确控制和纠错的目的。
所述伺服驱动器在伺服电机工作期间,定期将伺服电机驱动轴的实时位置信息(通过位置传感器获取)通过第二以太网接口、第一以太网接口发送给上位机,此时FPGA芯片起到信息传递的作用,以使上位机通过所述实时位置信息对伺服电机进行调控;例如某伺服电机驱动轴的最终位置信息与预定的位置信息不一致,则可通过下一条驱动信息进行调控。
Claims (10)
1.一种基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路,其特征在于,包括:
上位机,用于发送各个伺服电机的驱动信息;
分别与所述伺服电机对应的多个伺服驱动控制卡,伺服运动控制卡包括FPGA芯片以及第一以太网接口、第二以太网接口,其中,伺服驱动控制卡通过第一以太网接口与上位机连接,通过第二以太网接口与对应伺服电机的伺服驱动器连接;所述FPGA芯片用于从第一以太网接口中获取所述驱动信息,从驱动信息中解析出对应伺服电机的控制信息,然后将该控制信息通过第二以太网接口发送给对应伺服电机的伺服驱动器。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路,其特征在于,所述的多个伺服驱动控制卡采用并联的方式连接上位机,上位机采用广播的方式发送所述各个伺服电机的驱动信息。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路,其特征在于,所述驱动信息中包含有一个或一个以上的驱动指令,每个驱动指令对应一个伺服电机,驱动指令包括伺服电机的编号、该伺服电机中驱动轴的位置信息以及控制指令。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路,其特征在于,所述控制指令包括正转、反转以及对应的转动圈数或时间。
5.根据权利要求3所述的基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路,其特征在于,所述多个伺服运动控制卡接收到驱动信息后,每个伺服运动控制卡从驱动信息中解析出驱动指令,判断是否存在用于控制该伺服运动控制卡对应的伺服电机的驱动指令,如存在该驱动指令,则将该驱动指令作为所述控制信息。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路,其特征在于,所述判断是否存在用于控制该伺服运动控制卡对应的伺服电机的驱动指令,包括:
每个伺服运动控制卡中保存有与该伺服运动控制卡对应的伺服电机的编号;伺服运动控制卡分别将保存的伺服电机的编号,与每个驱动指令中的伺服电机的编号进行匹配,若匹配成功,则将匹配成功的驱动指令作为控制该伺服运动控制卡对应的伺服电机的驱动指令。
7.根据权利要求3所述的基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路,其特征在于,所述控制信息通过第二以太网接口发送给对应伺服电机的伺服驱动器之后,伺服驱动器从控制信息中解析出该伺服电机中驱动轴的位置信息以及控制指令,通过驱动轴的位置信息以及控制指令对伺服电机进行控制。
8.根据权利要求7所述的基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路,其特征在于,所述通过驱动轴的位置信息以及控制指令对伺服电机进行控制,包括:
当伺服驱动器接收到对应的伺服电机的驱动指令后,首先获取伺服电机当前驱动轴的位置信息,判断该位置信息与驱动指令中要的驱动轴的位置信息是否一致,如果不一致,则进行对应调整。
9.根据权利要求1所述的基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路,其特征在于,所述伺服驱动器在伺服电机工作期间,定期将伺服电机驱动轴的位置信息通过第二以太网接口、第一以太网接口发送给上位机,以使上位机通过所述实时位置信息对伺服电机进行调控。
10.根据权利要求1所述的基于FPGA的伺服运动控制卡接口电路,其特征在于,所述第一以太网接口、第二以太网接口均采用千兆级别的传输网口。
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