CN111309669B

CN111309669B - 一种可编程电机运动控制片上系统

Info

Publication number: CN111309669B
Application number: CN202010085310.3A
Authority: CN
Inventors: 杨大胜; 王薇; 魏彬; 唐艳丽; 郑慧娴; 何超
Original assignee: Ningbo Zhongkong Microelectronics Co ltd
Current assignee: Ningbo Zhongkong Microelectronics Co ltd
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2020-02-10
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2040-02-10
Also published as: CN111309669A

Abstract

本发明提供了一种可编程电机运动控制片上系统，至少包括：中央处理器CPU、运动控制器模块、电机控制器模块、通讯模块；前述各个模块通过片内总线进行连接；前述各个模块均设置有对应的寄存器；其中：所述中央处理器通过片内总线向运动控制器模块和/或电机控制模块下达控制指令；所述运动控制器模块接收CPU下达的控制指令，并将该控制指令转化成电机控制信号后向外输出，和/或将该控制指令转化成电机控制信号后通过片内总线发送给电机控制器模块，和/或将该控制指令转化为周期性的电机控制命令通过通讯模块周期性地往片外发送；所述电机控制器模块接收CPU下达的控制指令直接驱动电机；或用于接收运动控制模块发送的电机控制信号。

Description

一种可编程电机运动控制片上系统

技术领域

本发明属于片上控制系统领域，具体涉及兼具运动控制和电机控制的一种可编程电机运动控制片上系统。

背景技术

目前常见的运动控制器，实现上通常采用如下的一些方式：

通用处理器芯片+FPGA/DSP实现运动控制+电机控制芯片。该方案实现成本高，结构复杂。

集成了运动控制功能的SoC+电机控制芯片。该方案适当地简化了系统结构，但是仍然需要多颗芯片的适配。

专用的运动控制+电机控制芯片。该方案从另一个简化了控制端的结构，但是专用芯片只能支持寄存器的操作命令，而无法完成自主的可编程。其应用模式也相对单一。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可编程电机运动控制片上系统。

本发明的技术方案如下：

一种可编程电机运动控制片上系统，至少包括：中央处理器CPU、运动控制器模块、电机控制器模块、通讯模块；前述各个模块通过片内总线进行连接；前述各个模块均设置有对应的寄存器；其中：

所述中央处理器CPU，用于通过片内总线向运动控制器模块和/或电机控制模块下达控制指令；

所述运动控制器模块，用于接收CPU下达的控制指令，并将该控制指令转化成电机控制信号后向外输出，和/或将该控制指令转化成电机控制信号后通过片内总线发送给电机控制器模块，和/或将该控制指令转化为周期性的电机控制命令通过通讯模块周期性地往片外发送；

所述电机控制器模块，用于接收CPU下达的控制指令直接驱动电机；或用于接收运动控制模块发送的电机控制信号，并将该电机控制信号转化为电机驱动信号向外输出；

所述通讯模块，用于通过片内总线接收周期性的电机控制命令，并将其周期性地往片外发送。

可选地，所述运动控制器模块解析所述CPU下达的控制指令，通过其对应的寄存器配置可以选择将所述控制指令转换为脉冲加方向或双脉冲的电机控制信号，也可转换为周期性的电机控制命令通过通讯模块周期性地往片外发送；一个运动控制器模块可以同时实现3轴及以上的加减速控制和插补控制。

可选地，所述电机控制信号可以通过所述片上系统的管脚向外输出，也可以通过片内总线输出到电机控制器模块。

可选地，通过配置所述电机控制器模块对应的寄存器，所述电机控制器模块可以接受来自CPU的控制指令直接驱动电机，或也可接受来自运动控制器模块的电机控制信号，转化为电机驱动信号向外输出。

可选地，所述中央处理器CPU可对所述运动控制器模块、电机控制器模块、通讯模块各自对应的寄存器进行配置，以实现：选择a、仅输出电机控制信号控制片外的电机驱动器；选择b、仅输出电机驱动信号直接驱动电机；选择c、仅通过总线向各总线电机周期性地输出电机控制命令；选择d、自由配置多个轴实现混合的控制输出模式。

可选地，所述电机控制模块内拥有4路独立的电机控制子模块；一路电机控制器子模块可以实现1个轴的电机控制功能。

可选地，所述单个电机控制子模块内部包含PIPO单元、ADC单元、算法单元，该些单元用于电机的闭环控制；其中：PIPO单元支持输入捕获、输入测量、正交编码、SVPWM功能；ADC单元包含2路ADC和ADC控制器；算法单元包括有FOC算法。

可选地，所述中央处理器CPU设置有模块使能寄存器，该述寄存器用于对运动控制器模块、电机控制器模块、通讯模块的使能情况进行配置。

可选地，所述运动控制器模块设置有运动控制器模式选择寄存器；通过设置该述寄存器，可以选择将所述控制指令转换为脉冲加方向或双脉冲的电机控制信号，也可转换为周期性的电机控制命令通过通讯模块周期性地往片外发送。

可选地，所述电机控制器模块设置有电机控制输入选择寄存器；通过设置该述寄存器对电机控制器的输入信号进行配置，使得所述电机控制器可接受来自CPU的控制指令直接驱动电机，或也可接受来自运动控制器模块的电机控制信号，转化为电机驱动信号向外输出。

可选地，所述通讯模块设置有通讯模块选择寄存器；通过设置该述寄存器可对输出接口进行选择。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的运动控制器模块不仅支持将运动控制指令转换为脉冲+方向或者双脉冲的电机控制信号，用于外接电机驱动器实现电机驱动，同时也支持将运动控制指令转换为总线型命令，并按照用户设定周期定时外发实现总线型的电机控制。一个运动控制器模块可同时实现3轴及以上的联动和插补控制，此外运动控制器模块也可用于将运动控制指令经内部总线转发给电机控制模块，然后直接驱动电机，实现了内部的互通。将原来多种芯片组合实现的功能集成在一个片上系统中，只需要通过寄存器配置即可实现全部功能，大大降低了设计的成本和难度，也提升了多轴控制的可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图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为本发明具体实施例一种可编程电机运动控制片上系统的整体内部资源架构图；

图2为本发明具体实施例一种可编程电机运动控制片上系统的结构框图；

图3为本发明具体实施例该片上系统的运行流程图；

图4为本发明具体实施例该片上系统的一种使用方式，输出电机驱动信号直接驱动电机；

图5为本发明具体实施例该片上系统的一种使用方式，输出电机控制信号控制片外的电机驱动器；

图6为本发明具体实施例该片上系统的一种使用方式，通过总线向各总线电机周期性地输出电机控制命令；

图7为本发明具体实施例该片上系统的一种使用方式，输出带有4轴运动模式的电机控制信号，可直接驱动4轴电机；

图8为本发明具体实施例该片上系统的一种使用方式，可以自由配置各轴实现混合的电路设计。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2，本实施例公开了一种可编程电机运动控制片上系统，至少包括：中央处理器CPU、运动控制器模块、电机控制器模块、通讯模块；前述各个模块通过片内总线进行连接，实现交互；前述各个模块均设置有对应的寄存器；其中：

其中，所述片内总线包括片内高速总线和片内低速总线，其中片内高速总线指AHB总线，片内低速总线指APB总线。可通过寄存器编程的方式，配置系统功能，在本片上系统上实现电机控制、运动控制、总线型运动控制功能。公共资源包括本片上系统集成的Flash、SRAM存储器、通用定时器等。这些资源通过片内总线由CPU、运动控制模块、电机控制等模块共享。

其中，中央处理器CPU，负责本片上系统整体控制功能的管理实现，具体如控制任务的调度、配置参数管理、信号的输入输出等。所述中央处理器CPU的关键寄存器有模块使能寄存器(MOD_EN)，主要对片内各个模块(如运动控制器模块、电机控制器模块、通讯模块等)的使能情况进行配置。通过AHB(Advanced High performance Bus)总线访问读写运动控制模块、电机控制模块和通讯模块的内部寄存器。中央处理器目前主要由集成的32位CPU内核实现，CPU可控制各个模块的使能状态，实现多种电机运动控制功能，也可以直接设置电机控制模块的参数，用于对外驱动电机。

其中，所述运动控制器模块解析所述CPU下达的控制指令，所述运动控制器模块的关键寄存器有运动控制器模式选择寄存器(MC_MOD)，通过其对应的寄存器配置可以选择将所述控制指令转换为脉冲加方向或双脉冲的电机控制信号，也可转换为周期性的电机控制命令通过通讯模块周期性地往片外发送；一个运动控制器模块可以同时实现3轴及以上的加减速控制和插补控制。所述电机控制信号可以通过所述片上系统的管脚向外输出，也可以通过片内总线输出到电机控制器模块。

运动控制模块可通过AHB总线接口与CPU进行通讯，在系统中主要负责基于G代码指令集的自动读取并执行，在读取过程中，它可以针对不定长的指令进行自动判断，通过识别指令标识符，自动的切换读取指令的条数，通过执行标准或者非标准的G代码指令，完成相应的运动控制功能。其次，它还可以提供寄存器访问的方式，直接执行来自CPU的运动控制指令。运动控制模块能够同时控制4个伺服电机或步进电机的运动控制。它以脉冲串形式输出，能对伺服电机或步进电机进行位置控制、插补驱动、速度控制等。此外，运动控制模块支持作为控制器挂接总线型电机，通过总线接口下发插补数据，其内部拥有指令转换单元，支持G代码或运动控制命令的解析(拆分成插补线段)或转发。该命令可通过片内总线发送至通讯模块，并根据寄存器设置由指定接口发送到外部总线型电机。运动控制模块也可配置成DMA模式，将FLASH中的成块指令搬运到SRAM中执行，以减少CPU的开销。

其中，电机控制器模块的关键寄存器有电机控制输入选择寄存器(MT_SEL)，可对电机控制器的输入信号进行配置，可以接受来自CPU的控制指令直接驱动电机，或也可接受来自运动控制器模块的电机控制信号，转化为电机驱动信号向外输出。电机控制模块内拥有4路独立的电机控制子模块，一路电机控制器子模块可以实现1个轴的电机控制功能。

单个电机控制器子模块内部包含PIPO单元、ADC单元、算法单元，该些单元主要用于电机的闭环控制，其中PIPO单元支持输入捕获、输入测量、正交编码、SVPWM等功能，ADC单元包含2路ADC和ADC控制器，算法单元主要有FOC算法等。设置电机控制输入选择寄存器，电机控制模块可直接读取CPU控制指令实现电机闭环控制，对应的输出可直接用于驱动电机。本模块也可接收运动控制模块的输出信号，当设置为内部运动控制+电机控制模式时，4个运动控制模块分别与4路电机控制子模块建立连接，电机控制信号输出可直接驱动4路电机实现独立运动或者插补联动。

通讯模块主要负责将电机控制命令通过对外接口周期性地往片外发送，关键寄存器有通讯模块选择寄存器(COMM_SEL)，通过该寄存器配置可选择输出接口(如CANopen接口、MODBUS接口、EtherCAT接口等)，并在对应输出接口(通讯接口)寄存器中，设置相应波特率、校验方法等参数，即可实现对外通讯。其中CAN接口能够支持CANopen，网口可以支持MODBUS、EtherCAT。

所述中央处理器CPU可对所述运动控制器模块、电机控制器模块、通讯模块各自对应的寄存器进行配置，以实现：选择a、仅输出电机控制信号控制片外的电机驱动器；选择b、仅输出电机驱动信号直接驱动电机；选择c、仅通过总线向各总线电机周期性地输出电机控制命令；选择d、自由配置多个轴实现混合的控制输出模式。

如图3为本发明具体实施例该片上系统的运行流程图。

本片上系统中，CPU作为整体系统主控，具体任务包括任务调度、安全保证、参数管理等功能，在执行电机运动控制前，需要完成各模块初始化，并对模块使能寄存器(MOD_EN)、各模块对应的寄存器进行设置。在收到运行指令后，CPU首先会对模块使能寄存器(MOD_EN)进行分析，以进入对应的工作模式。

在整体任务管理和功能块调度中，最主要的寄存器如下：

(1)当MOD_EN[2]为1时，系统进入独立电机控制模式，在该模式下，可对电机控制的启动、加减速、停止等进行控制，由CPU下发控制指令到电机控制模块，该模块内部实现如电流环、速度环等控制，CPU同时读取模块反馈数据，并进行进程管理、错误管理。1个电机控制模块可直接用于驱动电机。片内4个电机控制模块可相互独立工作，同时驱动4路电机，4轴性能相同，如图4所示。电机控制模块同时支持片外运动控制信号的输入，用于实现电机驱动，具体可通过MT_SEL寄存器进行输入信号的配置。

(2)当MOD_EN[1]为1时，系统进入独立脉冲型运动控制模式，在该模式下，可通过运动控制器模式选择寄存器对输出模式进行配置，总共有8种脉冲输出方式，具体如下表所示。在独立运动控制模式下，可选择根据G代码指令处理方式，也可由CPU直接下发功能要求指令，由运动控制模块进行解析和执行。

在脉冲型运动控制模式下可实现：速度控制、插补控制、单轴位置控制等功能，可以运行固定速度驱动，直线加/减速驱动，S曲线加/减速驱动；实现2轴/3轴直线插补，平面圆弧插补，1/2/3/4轴位插补。单轴可变速运行、多段速运行、中断减速停止、中断单速定长进给、中断两速定位、中断两速定长进给等。处理后的运动控制信号，可经过内部总线经GPIO口外发到片外，用户控制外部驱动器进行多种运动控制。如图5所示。

(3)当MOD_EN[0]为1时，系统进入独立总线型运动控制模式，在该模式下，相较于2中的脉冲型控制方式，在运动控制模块内部又进行了运动控制指令的转换，根据周期配置寄存器的设置，将运动控制指令周期性发送至片内总线上，并由CPU根据通讯模块选择寄存器的配置，将指令发送至通讯模块，通讯模块内部可独立进行CANopen、MODBUS、EtherCAT等通讯协议的解析和处理。通讯协议的输出，可直接外挂总线型电机，实现多轴控制。如图6所示。

(4)当MOD_EN[2:1]为1时，系统进入运动控制+电机控制模式，该模式下，运动控制模块和电机控制模块通过内部总线建立专用通道，运动控制指令不再对外输出，而是将指令信号直接发送至电机控制模块，运动控制模块支持至少3轴速度、插补等控制，每轴信号可与4路电机控制模块进行选通，任意组合4轴输出，每一个电机控制模块独立对运动控制信号进行处理和运算，并独立输出至片外电机。如图7所示。

除上述4种模式外，本片上系统同时预留内部4个模块的其他多种组合方式实现其他功能，如输出脉冲型运动控制信号的同时，同步输出总线型运动控制信号，以获得本地与远端多轴控制特性等功能，仅需要对模块使能寄存器(MOD_EN)进行编程即可实现对应功能，如图8所示。

需要说明的是，本实施例中，电机控制器模块可接受CPU命令，也可接受运动控制器控制信号进行电机驱动，其驱动控制对象包含步进电机、永磁同步电机、直流无刷电机等所有常用电机的驱动控制，这些不同类型的电机控制也应该在本发明保护范围内。

本实施例中，具体定义的片内总线、外部接口、存储器、指令集位宽等，这些是属于本发明已验证的实施例的特殊设计。使用别的替代方案(如采用wishbone片内总线，16位指令集)，也应该在本发明保护范围内。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种可编程电机运动控制片上系统，其特征在于，至少包括：中央处理器CPU、运动控制器模块、电机控制器模块、通讯模块；前述各个模块通过片内总线进行连接；前述各个模块均设置有对应的寄存器；其中：

所述运动控制器模块，用于接收CPU下达的控制指令，并将该控制指令转化成电机控制信号后向外输出，和/或将该控制指令转化成电机控制信号后通过片内总线发送给电机控制器模块，和/或将该控制指令转化为周期性的电机控制命令通过通讯模块周期性地往片外发送；所述运动控制器模块解析所述CPU下达的控制指令，通过其对应的寄存器配置可以选择将所述控制指令转换为脉冲加方向或双脉冲的电机控制信号，也可转换为周期性的电机控制命令通过通讯模块周期性地往片外发送；一个运动控制器模块可以同时实现3轴及以上的加减速控制和插补控制；

2.如权利要求1所述的一种可编程电机运动控制片上系统，其特征在于，所述电机控制信号可以通过所述片上系统的管脚向外输出，也可以通过片内总线输出到电机控制器模块。

3.如权利要求1所述的一种可编程电机运动控制片上系统，其特征在于，通过配置所述电机控制器模块对应的寄存器，所述电机控制器模块可以接受来自CPU的控制指令直接驱动电机，或也可接受来自运动控制器模块的电机控制信号，转化为电机驱动信号向外输出。

4.如权利要求1所述的一种可编程电机运动控制片上系统，其特征在于，所述中央处理器CPU可对所述运动控制器模块、电机控制器模块、通讯模块各自对应的寄存器进行配置，以实现：选择a、仅输出电机控制信号控制片外的电机驱动器；选择b、仅输出电机驱动信号直接驱动电机；选择c、仅通过总线向各总线电机周期性地输出电机控制命令；选择d、自由配置多个轴实现混合的控制输出模式。

5.如权利要求1所述的一种可编程电机运动控制片上系统，其特征在于，所述电机控制模块内拥有4路独立的电机控制子模块；一路电机控制器子模块可以实现1个轴的电机控制功能。

6.如权利要求5所述的一种可编程电机运动控制片上系统，其特征在于，所述单个电机控制子模块内部包含PIPO单元、ADC单元、算法单元，该些单元用于电机的闭环控制；其中：PIPO单元支持输入捕获、输入测量、正交编码、SVPWM功能；ADC单元包含2路ADC和ADC控制器；算法单元包括有FOC算法。

7.如权利要求1所述的一种可编程电机运动控制片上系统，其特征在于，所述中央处理器CPU设置有模块使能寄存器，所述寄存器用于对运动控制器模块、电机控制器模块、通讯模块的使能情况进行配置。

8.如权利要求1所述的一种可编程电机运动控制片上系统，其特征在于，所述运动控制器模块设置有运动控制器模式选择寄存器；通过设置所述寄存器，可以选择将所述控制指令转换为脉冲加方向或双脉冲的电机控制信号，也可转换为周期性的电机控制命令通过通讯模块周期性地往片外发送。

9.如权利要求1所述的一种可编程电机运动控制片上系统，其特征在于，所述电机控制器模块设置有电机控制输入选择寄存器；通过设置所述寄存器对电机控制器的输入信号进行配置，使得所述电机控制器可接受来自CPU的控制指令直接驱动电机，或也可接受来自运动控制器模块的电机控制信号，转化为电机驱动信号向外输出。

10.如权利要求1所述的一种可编程电机运动控制片上系统，其特征在于，所述通讯模块设置有通讯模块选择寄存器；通过设置所述寄存器可对输出接口进行选择。