CN111240252A - 一种基于fpga的多编码器数据交互系统及方法 - Google Patents

一种基于fpga的多编码器数据交互系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于FPGA的多编码器数据交互系统及方法，在FPGA芯片内部的编码器通信模块例化一个串行通信模块和多个针对不同类型串行通信编码器进行数据交互的编码器模块；所述编码器模块的数量与外接的伺服电机轴端编码器的数量相匹配，且每个所述编码器模块都支持多种类型的伺服电机轴端编码器；各伺服电机轴端编码器通过对应的编码器模块连接至所述串行通信模块，所述串行通信模块与伺服驱动器连接，以建立多个伺服电机轴端编码器与伺服驱动器之间的数据传输通道。本发明的有益效果是：可以减少线材需求、减小布线复杂度、降低干扰的影响，同时不限制使用编码器或光栅尺的类型；同时保证各编码器位置反馈采样点的一致性。

Description

一种基于FPGA的多编码器数据交互系统及方法
技术领域
本发明涉及伺服驱动器与编码器等位置检测装置之间的适配技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的多编码器数据交互系统及方法。
背景技术
在现代高精度伺服驱动器控制系统中，有需要同时采集电机轴端位置反馈和被控制对象端位置反馈的需求。电机轴端位置反馈通常采用旋转编码器等装置来检测，被控制对象端位置反馈通常采用光栅尺等装置来检测。伺服驱动器主要通过被动接收脉冲信号或者串行通信的方式来获取位置反馈。其中，串行通信需要有数据交互的过程，且由伺服驱动器主动发起；同时，不同厂家的编码器交互内容也不相同。
在单轴伺服控制系统中，在同时需要电机轴端位置反馈和被控制对象端位置反馈的情况下，需要分别与1个电机轴端编码器和1个被控制对象端光栅尺进行通信链接。
在多轴伺服控制系统中，需要分别与多个电机轴端编码器进行通信链接，在需要被控制对象端位置反馈的情况下，还需要与1个被控制对象端光栅尺进行通信链接。
在上述使用过程中，每个编码器或者光栅尺都需要通过物理连线的方式与伺服驱动器连接，同时伺服驱动器上需要放置多个物理端口。增加了电柜布线的复杂度，增加了干扰引入的路径。同时在电柜与被控制对象距离较远的情况下，线材的需求量就会成倍增加。
在串行通信编码器可以设定通信地址的条件下，可以将各编码器按照RS485的网络进行组网连接，通过给各编码器设定不同的地址来进行寻址链接。在此种应用过程中，可以减小电柜布线的复杂度，节省线材的用量，但是对组网的编码器功能上有特定要求，以及伺服驱动器与各串行编码器进行数据交互在时间上有先后顺序，不能保证位置反馈采样点的一致性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于FPGA的多编码器数据交互系统及方法；一种基于FPGA的多编码器数据交互系统，应用于多数量多类型伺服电机轴端编码器与伺服驱动器之间的数据交互过程中，其特征在于：在FPGA芯片内部的编码器通信模块例化一个串行通信模块和多个针对不同类型串行通信编码器进行数据交互的编码器模块；所述编码器模块的数量与外接的伺服电机轴端编码器的数量相匹配，且每个所述编码器模块都支持多种类型的伺服电机轴端编码器；各伺服电机轴端编码器通过对应的编码器模块连接至所述串行通信模块，所述串行通信模块与伺服驱动器连接，以建立多个伺服电机轴端编码器与伺服驱动器之间的数据传输通道。
进一步地，每个所述编码器模块中包括：第一多路选择器、第二多路选择器、第三多路选择器和编码器子模块；所述编码器子模块中包括多个针对不同类型编码器的编码器单元，使每个所述编码器模块可以匹配多种类型的编码器；
所述编码器子模块中的各所述编码器单元的数据输出端口分别与所述第一多路选择器、所述第三多路选择器的对应数据输入端口连接，各所述编码器单元的数据输入接口分别于所述第二多路选择器的对应数据输出端口连接；所述第一多路选择器输出端口及所述第二多路选择器的输入端口均与对应的伺服电机轴端编码器电性连接；
各编码器模块中的第三多路选择器的数据输出端分别与所述串行通信模块电性连接；所述第一多路选择器、所述第二多路选择器及所述第三多路选择器的选择信号线均连接至所述串行通信模块，伺服驱动器通过所述串行通信模块对各编码器模块中的多路选择器进行选择设定。
进一步地，所述FPGA芯片通过非隔离接口电路与各伺服电机轴端编码器电性连接，通过隔离电路与伺服驱动器电性连接。
进一步地，每个编码器模块中，所述第一多路选择器、所述第二多路选择器和所述第三多路选择器的类型一样，且具体类型与所述编码器子模块中的编码器单元的个数相匹配。
进一步地，一种基于FPGA的多编码器数据交互方法，应用于所述的一种基于FPGA的多编码器数据交互系统中，所述一种基于FPGA的多编码器数据交互方法，包括如下步骤：
S101：根据实际外接的伺服电机轴端编码器的数量，在FPGA芯片内部的编码器通信模块例化相同数量的编码器模块；并按照各伺服电机轴端编码器的物理接口的位置顺序依次将各编码器模块编号为1～N；其中，N为所述编码器模块的总个数；
S102：初始化：伺服驱动器发送包含1～N个物理接口的编码器类型的请求数据到串行通信模块；串行通信模块依据接收到的编码器类型的请求数据发送1～N物理接口的编码器类型的类型选择信号至各编码器模块；以此来初始化各编码器模块中编码器子模块使用的多路选择器；同时编码器模块返回响应数据给伺服驱动器，表示初始化设置完成；其中，包含编码器类型的请求数据和响应数据的格式使用厂家自定的格式；
S103：周期通信阶段：伺服驱动器发送包含触发信号的请求数据到串行通信模块，串行通信模块依据接收到的包含触发信号的请求数据生成触发信号，触发信号同时输出给所有的编码器模块；
S104：各编码器模块中的编码器子模块均内置有对应类型编码器位置请求数据；各编码器模块接收到所述触发信号后，被第一多路选择器选中的编码器单元输出的对应类型编码器位置请求数据被发送到对应的伺服电机轴端编码器，伺服电机轴端编码器输出的编码器响应数据被第二多路选择器选中的编码器单元接收并解析，被第三多路选择器选中的编码器单元输出的解析数据被作为各编码器模块的输出数据；所述输出数据即为伺服电机轴端编码器的位置和状态数据；其中，包含触发信号的请求数据和响应数据的格式使用厂家自定的格式；
S105：按照1～N的顺序将各个编码器模块获取的对应伺服电机轴端编码器的位置和状态数据依次填充到串行通信模块内部的1～N个存储单元；串行通信模块将1～N个存储单元中存储的位置和状态数据打包反馈给伺服驱动器。
进一步地，所述编码器子模块接收到完整数据时，需要同时发起对相应伺服电机轴端编码器的数据交互过程，或者延时预设时间后重新开始对伺服电机轴端编码器返回脉冲的计数。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：可以减少线材需求、减小布线复杂度、降低干扰的影响，同时不限制使用编码器或光栅尺的类型；同时保证各编码器位置反馈采样点的一致性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种基于FPGA的多编码器数据交互系统的结构图；
图2是编码器模块内部结构示意图；
图3和图4均为是本发明实施例中一种基于FPGA的多编码器数据交互系统的数据交互原理示意图；
图5是本发明实施例中串行通信模块原理示意图；
1-编码器模块、2-伺服电机轴端编码器、3-伺服驱动器、4-串行通信模块；
11-第一多路选择器、12-第二多路选择器、13-第三多路选择器、14-编码器子模块。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种基于FPGA的多编码器数据交互系统及方法；
所述一种基于FPGA的多编码器数据交互系统，应用于多数量多类型伺服电机轴端编码器与伺服驱动器之间的数据交互过程中；
请参考图1，图1是本发明实施例中一种基于FPGA的多编码器数据交互系统的结构图；包括：在FPGA芯片内部的编码器通信模块例化一个串行通信模块4和多个针对不同类型串行通信编码器进行数据交互的编码器模块1；所述编码器模块1的数量与外接的伺服电机轴端编码器2的数量相匹配，且每个所述编码器模块1都支持多种类型的伺服电机轴端编码器2；各伺服电机轴端编码器2通过对应的编码器模块1连接至所述串行通信模块4，所述串行通信模块4与伺服驱动器3连接，以建立多个伺服电机轴端编码器2与伺服驱动器3之间的数据传输通道。
请参阅图2，图2是本发明实施例中编码器模块地内部结构示意图；每个所述编码器模块1中包括：第一多路选择器11、第二多路选择器12、第三多路选择器13和编码器子模块14；所述编码器子模块14中包括多个针对不同类型编码器的编码器单元，使每个所述编码器模块1可以匹配多种类型的编码器；
所述编码器子模块14中的各所述编码器单元的数据输出端口分别与所述第一多路选择器11、所述第三多路选择器13的对应数据输入端口连接，各所述编码器单元的数据输入接口分别于所述第二多路选择器12的对应数据输出端口连接；所述第一多路选择器(11)输出端口及所述第二多路选择器(12)的输入端口均与对应的伺服电机轴端编码器(2)电性连接；
各编码器模块1中的第三多路选择器13的数据输出端分别与所述串行通信模块4电性连接；所述第一多路选择器11、所述第二多路选择器12及所述第三多路选择器13的选择信号线均连接至所述串行通信模块4，伺服驱动器3通过所述串行通信模块4对各编码器模块1中的多路选择器进行选择设定。
所述FPGA芯片通过非隔离接口电路与各伺服电机轴端编码器2电性连接，通过隔离电路与伺服驱动器3电性连接。
每个编码器模块1中，所述第一多路选择器11、所述第二多路选择器12和所述第三多路选择器13的类型一样，且具体类型与所述编码器子模块14中的编码器单元的个数相匹配。
一种基于FPGA的多编码器数据交互方法，应用于所述的一种基于FPGA的多编码器数据交互系统中；
请参考图3和图4，图3和图4均为所述一种基于FPGA的多编码器数据交互方法地原理示意图，以三个编码器模块(编码器模块1、编码器模块2和编码器模块3)为例，所述一种基于FPGA的多编码器数据交互方法，包括如下步骤：
S101：根据实际外接的伺服电机轴端编码器2的数量，在FPGA芯片内部的编码器通信模块例化相同数量的编码器模块1；并按照各伺服电机轴端编码器2的物理接口的位置顺序依次将各编码器模块1编号为1～N；其中，N为所述编码器模块1的总个数；
S102：初始化：伺服驱动器3发送包含1～N个物理接口的编码器类型的请求数据到串行通信模块4；串行通信模块4依据接收到的编码器类型的请求数据发送1～N物理接口的编码器类型的类型选择信号至各编码器模块1；以此来初始化各编码器模块1中编码器子模块14使用的多路选择器；同时编码器模块1返回响应数据给伺服驱动器3，表示初始化设置完成；其中，包含编码器类型的请求数据(即图1和图2中的选择设置信号)和响应数据的格式使用厂家自定的格式；
S103：周期通信阶段：伺服驱动器3发送包含触发信号的请求数据到串行通信模块4，串行通信模块4依据接收到的包含触发信号的请求数据生成触发信号，触发信号同时输出给所有的编码器模块1；
S104：各编码器模块1中的编码器子模块14均内置有对应类型编码器位置请求数据；各编码器模块1接收到所述触发信号后，被第一多路选择器11选中的编码器单元输出的对应类型编码器位置请求数据被发送到对应的伺服电机轴端编码器2，伺服电机轴端编码器2输出的编码器响应数据被第二多路选择器12选中的编码器单元接收并解析，被第三多路选择器13选中的编码器单元输出的解析数据被作为各编码器模块1的输出数据；所述输出数据即为伺服电机轴端编码器2的位置和状态数据；其中，包含触发信号的请求数据和响应数据的格式使用厂家自定的格式；
S105：按照1～N的顺序将各个编码器模块1获取的对应伺服电机轴端编码器2的位置和状态数据依次填充到串行通信模块4内部的1～N个存储单元；串行通信模块4将1～N个存储单元中存储的位置和状态数据打包反馈给伺服驱动器3。
如图5所示，如图5为编码器模块i(即1～N个编码器模块中的第i个编码器模块)与串行通信模块4的数据交互原理图，串行通信模块4包括：存储单元、周期触发和选择设定三个部分，存储单元有N个，用于存储1～N个编码器模块1发送的位置和状态数据；
初始化阶段，伺服驱动器3通过串行通信模块4发送选择设置信号给编码器模块i，以对编码器模块i中的多路选择器进行初始化；
周期通信阶段，伺服驱动器3根据预设周期发送触发信号给串行通信模块4，进而由串行通信模块4同时发送给所有的编码器模块(包括编码器模块i)；
编码器模块i接收到触发信号后，将采集的第i个伺服电机轴端编码器的位置和状态数据存储至串行通信模块中的第i个存储单元；
串行通信模块4将1～N个存储单元中的数据打包后统一反馈至伺服驱动器3。
所述编码器子模块14接收到完整数据时，需要同时发起对相应伺服电机轴端编码器2的数据交互过程，或者延时预设时间后重新开始对伺服电机轴端编码器2返回脉冲的计数。
在本发明实施例中，所述编码器单元包括：脉冲输出单元、多摩川串行485通信单元、尼康串行485通信单元以及BISS串行422通信单元。
脉冲输出单元只需要接收外接的编码器的脉冲输出，输出编码器的位置信息和状态信息；多摩川串行485通信单元、尼康串行485通信单元以及BISS串行422通信单元等3个编码器单元均实现了与外接地编码器特定格式的串行数据交互，且数据交互的过程由各所述编码器单元发起，各编码器单元输出外接伺服电机轴端编码器的位置信息和状态信息。
使用时，所述编码器单元发起对对应类型编码器的数据交互，以获取对应类型编码器返回的数据，并提取对应类型编码器的位置信息及状态信息；同时，并行实现编码器返回脉冲的脉冲输出单元，此单元能够在受控的情况下输出当前脉冲计数值、状态信息并重新开始计数。各编码器子模块返回的位置信息和状态信息通过多路选择器输出每个编码器模块需要返回的位置信息和状态信息。
FPGA内部的每个编码器子模块依据多路选择器的选择，建立被选定编码器单元与外接的编码器之间交互的数据通道；其中，脉冲输出单元只需要建立单向的仅接收数据通道。同时，被选定的编码器单元输出的位置信息和状态信息也通过多路选择器连接到编码器模块的输出，以此来构建各编码器模块的响应数据。
所述一种基于FPGA的多编码器数据交互系统还包括电源；电源给所述FPGA芯片、非隔离接口电路及隔离接口电路供电；非隔离接口电路与外接各伺服电机轴端编码器或者光栅尺进行电性连接；隔离接口电路与外接的伺服驱动器进行电性连接。
所述隔离接口电路由非隔离差分信号收发器与隔离耦合器件组合实现或者由非隔离差分信号收发器与编码器组合实现；
其中，隔离接口电路由非隔离差分信号收发器与隔离耦合器件组合实现时，隔离接口电路与伺服驱动器进行物理连接的信号线中需要包含电源线，由伺服驱动器提供电源，供隔离耦合器件使用，隔离耦合器件可以使用光耦等器件来实现。
隔离接口电路由非隔离差分信号收发器与变压器组合实现时，隔离接口电路与伺服驱动器进行物理连接的信号线中不需要包含电源线。
本发明的有益效果是：在被控制对象机构侧设置本系统，将单轴或多轴伺服控制系统中所使用的各电机轴端编码器和被控制对象端光栅尺物理端口就近与本发明中的多编码器数据交互系统上非隔离物理端口电路进行连接，隔离物理端口与电柜中的伺服驱动器上的物理端口进行连接。可以减少线材需求、减小布线复杂度、降低干扰的影响，同时不限制使用编码器或光栅尺的类型；同时保证各编码器位置反馈采样点的一致性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的多编码器数据交互系统，应用于多数量多类型伺服电机轴端编码器与伺服驱动器之间的数据交互过程中，其特征在于：在FPGA芯片内部的编码器通信模块例化一个串行通信模块(4)和多个针对不同类型串行通信编码器进行数据交互的编码器模块(1)；所述编码器模块(1)的数量与外接的伺服电机轴端编码器(2)的数量相匹配，且每个所述编码器模块(1)都支持多种类型的伺服电机轴端编码器(2)；各伺服电机轴端编码器(2)通过对应的编码器模块(1)连接至所述串行通信模块(4)，所述串行通信模块(4)与伺服驱动器(3)连接，以建立多个伺服电机轴端编码器(2)与伺服驱动器(3)之间的数据传输通道。
2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的多编码器数据交互系统，其特征在于：每个所述编码器模块(1)中包括：第一多路选择器(11)、第二多路选择器(12)、第三多路选择器(13)和编码器子模块(14)；所述编码器子模块(14)中包括多个针对不同类型编码器的编码器单元，使每个所述编码器模块(1)可以匹配多种类型的编码器；
所述编码器子模块(14)中的各所述编码器单元的数据输出端口分别与所述第一多路选择器(11)、所述第三多路选择器(13)的对应数据输入端口连接，各所述编码器单元的数据输入接口分别于所述第二多路选择器(12)的对应数据输出端口连接；所述第一多路选择器(11)输出端口及所述第二多路选择器(12)的输入端口均与对应的伺服电机轴端编码器(2)电性连接；
各编码器模块(1)中的第三多路选择器(13)的数据输出端分别与所述串行通信模块(4)电性连接；所述第一多路选择器(11)、所述第二多路选择器(12)及所述第三多路选择器(13)的选择信号线均连接至所述串行通信模块(4)，伺服驱动器(3)通过所述串行通信模块(4)对各编码器模块(1)中的多路选择器进行选择设定。
3.如权利要求1所述的一种基于FPGA的多编码器数据交互系统，其特征在于：所述FPGA芯片通过非隔离接口电路与各伺服电机轴端编码器(2)电性连接，通过隔离电路与伺服驱动器(3)电性连接。
4.如权利要求1所述的一种基于FPGA的多编码器数据交互系统，其特征在于：每个编码器模块(1)中，所述第一多路选择器(11)、所述第二多路选择器(12)和所述第三多路选择器(13)的类型一样，且具体类型与所述编码器子模块(14)中的编码器单元的个数相匹配。
5.一种基于FPGA的多编码器数据交互方法，应用于如权利要求1～4任一所述的一种基于FPGA的多编码器数据交互系统中，其特征在于：所述一种基于FPGA的多编码器数据交互方法，包括如下步骤：
S101：根据实际外接的伺服电机轴端编码器(2)的数量，在FPGA芯片内部的编码器通信模块例化相同数量的编码器模块(1)；并按照各伺服电机轴端编码器(2)的物理接口的位置顺序依次将各编码器模块(1)编号为1～N；其中，N为所述编码器模块(1)的总个数；
S102：初始化：伺服驱动器(3)发送包含1～N个物理接口的编码器类型的请求数据到串行通信模块(4)；串行通信模块(4)依据接收到的编码器类型的请求数据发送1～N物理接口的编码器类型的类型选择信号至各编码器模块(1)；以此来初始化各编码器模块(1)中编码器子模块(14)使用的多路选择器；同时编码器模块(1)返回响应数据给伺服驱动器(3)，表示初始化设置完成；其中，包含编码器类型的请求数据和响应数据的格式使用厂家自定的格式；
S103：周期通信阶段：伺服驱动器(3)发送包含触发信号的请求数据到串行通信模块(4)，串行通信模块(4)依据接收到的包含触发信号的请求数据生成触发信号，触发信号同时输出给所有的编码器模块(1)；
S104：各编码器模块(1)中的编码器子模块(14)均内置有对应类型编码器位置请求数据；各编码器模块(1)接收到所述触发信号后，被第一多路选择器(11)选中的编码器单元输出的对应类型编码器位置请求数据被发送到对应的伺服电机轴端编码器(2)，伺服电机轴端编码器(2)输出的编码器响应数据被第二多路选择器(12)选中的编码器单元接收并解析，被第三多路选择器(13)选中的编码器单元输出的解析数据被作为各编码器模块(1)的输出数据；所述输出数据即为伺服电机轴端编码器(2)的位置和状态数据；其中，包含触发信号的请求数据和响应数据的格式使用厂家自定的格式；
S105：按照1～N的顺序将各个编码器模块(1)获取的对应伺服电机轴端编码器(2)的位置和状态数据依次填充到串行通信模块(4)内部的1～N个存储单元；串行通信模块(4)将1～N个存储单元中存储的位置和状态数据打包反馈给伺服驱动器(3)。
6.如权利要求5所述的一种基于FPGA的多编码器数据交互方法，其特征在于：所述编码器子模块(14)接收到完整数据时，需要同时发起对相应伺服电机轴端编码器(2)的数据交互过程，或者延时预设时间后重新开始对伺服电机轴端编码器(2)返回脉冲的计数。
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