CN116540639B - 一种多轴实时运动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴实时运动控制系统，包括MCB控制模块、MIOB控制模块、FIOB控制模块、高速光纤环网总线和高速串行现场总线；所述MCB控制模块为主控制单元，通过所述高速光纤环网总线与所述MIOB控制模块通讯；所述MIOB控制模块为高速数据采集单元，通过所述高速串行现场总线与所述FIOB控制模块通讯；所述FIOB控制模块为现场设备数据采集模块。本发明简化了系统布线，缩短了传输延迟，提高了系统的控制带宽和稳定性，解决了传统的多轴控制系统实时性受限制、总线速度单一的缺点。

Description

一种多轴实时运动控制系统

技术领域

本发明属于运动控制技术领域，特别是涉及一种多轴实时运动控制系统。

背景技术

随着现代科技的进步和工业的发展，半导体前道/后道检测设备、多轴多测量维度设备、多自由度高精密运动设备等对运动控制系统的要求也越来越高。运动控制系统需要满足高可靠、高实时、高带宽、低延迟、低抖动、高同步和高速高精度等特性。

目前，市场上商用的运动控制系统主要面对的是通用或专用领域，在运动控制系统硬件、控制算法和数据通讯性能上已经愈来愈无法满足高端场合的使用需求。市面上商用的运动控制系统在硬件系统上分为以下三大类：

以单片机或者MCU为控制核心的运动控制系统；

以专用控制芯片ASIC为控制核心的运动控制系统；

基于PC架构的运动控制系统。

以单片机或者MCU为控制核心的运动控制系统，受MCU的计算性能影响，只能适用于简单控制系统，控制精度低，处理速度慢。以专用控制芯片ASIC为控制核心的运动控制系统，则多轴协作能力差，且依赖于专用运动控制IC，灵活性差。基于PC架构的运动控制系统，受限于操作系统，其实时性无法做到最优化。且商用的运动控制系统功能较集中，没有根据实时性的等级进行控制系统单元模块的明确划分，导致控制架构不够灵活。

同时，商用的运动控制系统多采用网络化总线通讯，实现了一网到底的设备互联，但通讯带宽仍较低，比如常用的EtherCAT总线、CAN总线、Profinet总线等，无法满足大数据的实时传输。且一个系统只有一种现场总线，高速和低速设备混在在一起，无法同时兼顾，且现场总线模块无法做到距离现场设备最优的区域布置，尤其是现场设备输出模拟信号，对信号采集质量有很大影响。

发明内容

基于此，本发明提供了一种多轴实时运动控制系统，该系统可简化布线，缩短传输延迟，提高控制带宽及稳定性，且控制架构灵活，扩展性强。

为解决上述技术问题，实现上述技术效果，本发明通过以下技术方案实：

一种多轴实时运动控制系统，采用MCB+MIOB+FIOB的硬件拓扑结构，包括MCB控制模块、MIOB控制模块和FIOB控制模块，以及高速光纤环网总线和高速串行现场总线；其中，

所述MCB控制模块为主控制单元，通过所述高速光纤环网总线与所述MIOB控制模块通讯；

所述MIOB控制模块为高速数据采集单元，通过所述高速串行现场总线与所述FIOB控制模块通讯；

所述FIOB控制模块为现场设备数据采集模块。

进一步的，还包括PC机、精密多轴伺服系统、现场IO设备和EtherCAT从站模块；

所述MCB控制模块的一端与PC机通讯连接，所述MCB控制模块的另一端通过所述高速光纤环网总线与多个所述MIOB控制模块通讯连接；

所述MIOB控制模块或与所述精密伺服系统通讯连接，或与所述EtherCAT从站模块通讯连接，或通过所述高速串行现场总线与多个所述FIOB控制模块通讯连接；

所有所述FIOB控制模块分别与各自对应的所述现场IO设备通讯连接。

进一步的，所述MCB控制模块采用SoC+FPGA的硬件架构；所述MCB控制模块的内部包括SoC芯片、第一FPGA芯片、以太网通讯接口、第一存储单元、第一时钟管理单元、第一电源管理单元、第一复位电路、第一高速光纤通讯接口和串口通讯单元。

进一步的，所述MIOB控制模块采用Xilinx高性能FPGA，所述MIOB控制模块的内部包括第二FPGA芯片、第二高速光纤通讯接口、第二存储单元、第二时钟管理单元、第二电源管理单元、第二复位电路、温度监测单元、DSP数据计算单元、EtherCAT主站模块、同步管理单元、高速Encoder采集单元、驱动器控制命令接口和第二高速串行现场总线接口。

进一步的，所述FIOB控制模块采用CPLD作为主处理器，所述FIOB控制模块内部包括CPLD处理器、第三电源管理单元、第三时钟管理、第三高速串行现场总线接口、模数转换单元、数模转换单元、IO处理单元和第三复位电路。

进一步的，所述高速光纤环网总线基于Xilinx FPGA的高速GTX接口，在Aurora8B10B Ip核的基础上制定光纤环网总线协议，以满足1个所述MCB控制模块和多个所述MIOB控制模块高速通讯的环形拓扑结构需求，实现了高速光纤一缆到底的互联。

进一步的，所述光纤环网总线协议包含了数据报头段、MIOB辨识标志段、数据段、校验段，确保了整个传输过程的稳定可靠。

进一步的，所述高速光纤环网总线采用10Gb的光纤收发器和多模光纤，通讯距离最大300m。

进一步的，所述MCB控制模块通过所述高速光纤环网总线与多个所述MIOB控制模块进行数据交互，采用串行通讯方式，所述MCB控制模块发出的数据从第一个所述MIOB控制模块依次传输至最后一个所述MIOB控制模块，再由最后一个所述MIOB控制模块将所述MCB控制模块待读取数据依次传至第一个所述MIOB控制模块，最后传输至所述MCB控制模块。

进一步的，所述高速串行现场总线为高速多节点主从结构的RS485总线。

本发明采用了MCB+MIOB+FIOB的硬件架构，运动控制系统的功能区分更明确，设备间的互联关系更简单，极大的简化了系统的布线。

本发明对运动控制系统的强实时性模块和弱实时性模块进行了功能的划分，分别采用高带宽低抖动的光纤总线和现场设备总线，缩短了传输延迟提高了系统的控制带宽和稳定性。

本发明的高速光纤环网总线，实现了一主多从的控制拓扑，扩展性强，可根据系统复杂程度进行灵活的扩展，可以应用于半导体前道/后道检测设备、多轴多测量维度设备、多自由度高精密运动设备等，适用范围广。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的多轴实时运动控制系统的控制架构示意图。

图2为本发明的多轴实时运动控制系统的硬件架构示意图。

图3为本发明的多轴实时运动控制系统的高速光纤环网总线的拓扑图。

图中标号说明：1、PC机；2、网线；3、MCB控制模块；4、高速光纤环网总线；5、MIOB控制模块；6、高速串行现场总线；7、FIOB控制模块；8、EtherCAT总线；9、精密伺服系统；10、现场IO设备；11、EtherCAT从站模块；12、伺服线缆；13、现场设备线缆。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

参见图1所示，本发明的实施例提供了一种多轴实时运动控制系统，包括MCB控制模块3、MIOB控制模块5和FIOB控制模块7，以及高速光纤环网总线4和高速串行现场总线6；其中，

所述MCB控制模块3为主控制单元，通过所述高速光纤环网总线4与所述MIOB控制模块5通讯；MCB(Main Control Block)中文名称为主控制模块，相当于多轴实时运动控制系统的大脑，包含了运动控制算法、控制逻辑及高算力强实时的硬件平台；

所述MIOB控制模块5为高速数据采集单元，通过所述高速串行现场总线6与所述FIOB控制模块7通讯；MIOB(Main IO Block)中文名称为主IO模块，负责高实时、高速高精度及敏感信号的数据采集，并通过高速高速光纤接口将数据实时传送给MCB；

所述FIOB控制模块7为现场设备数据采集模块；FIOB(Field IO Block)中文名称为现场IO模块，用于现场设备的数据采集，体积小巧，近现场设备放置，将模拟信号数字化、离散的数字IO信号集中化，并通过高速串行总线传送给MIOB，然后由MIOB统一管理后再发送给MCB。

同时，本实施例中还包括PC机1、精密多轴伺服系统9、现场IO设备10和EtherCAT从站模块11；

所述MCB控制模块3的一端通过网线2与PC机1通讯连接，所述MCB控制模块3的另一端通过所述高速光纤环网总线4与多个所述MIOB控制模块5通讯连接；

所述MIOB控制模块5或通过伺服线缆12与所述精密伺服系统9通讯连接，或通过EtherCAT总线8与所述EtherCAT从站模块11通讯连接，或通过所述高速串行现场总线6与多个所述FIOB控制模块7通讯连接；

所有所述FIOB控制模块7分别通过现场设备线缆13与各自对应的所述现场IO设备10通讯连接。

在本实施例中，所述精密多轴伺服系统9由多个驱动器、多个电机和多个编码器组成，每个所述电机分别对应至少一个所述驱动器和所述编码器。

在本实施例中，所述现场IO设备10主要为如压力、光电、位移、电压及电流等各类传感器，也可以为网络设备、输入输出接口、信号采集仪等输入输出设备。

在本实施例中，所述MCB控制模块3采用SoC+FPGA的高可靠、高实时、强运算能力的硬件架构；参见图2所示，所述MCB控制模块3的内部包括SoC芯片、第一FPGA芯片、以太网通讯接口、第一存储单元、第一时钟管理单元、第一电源管理单元、第一复位电路、第一高速光纤通讯接口和串口通讯单元。

基于以上的硬件架构，所述MCB控制模块3的主要功能包括：实时计算任务实现、非实时任务实现、电源管理、数据存储、时钟管理，所述以太网通讯接口通过以太网与所述PC机1通讯连接，所述第一高速光纤通讯接口通过所述高速光纤环网总线4与所述MIOB控制模块5的通讯连接；

在本实施例中，例如轨迹规划、控制算法、解耦控制等实时计算任务由所述SoC芯片中的DSP核实现；例如数据管理、文件系统以及非实时任务由所述SoC芯片中的ARM核实现。

在本实施例中，所述MIOB控制模块5采用Xilinx高性能FPGA，参见图2所示，所述MIOB控制模块5的内部包括第二FPGA芯片、第二高速光纤通讯接口、第二存储单元、第二时钟管理单元、第二电源管理单元、第二复位电路、温度监测单元、DSP数据计算单元、EtherCAT主站模块、同步管理单元、高速Encoder采集单元、驱动器控制命令接口和第二高速串行现场总线接口。

基于以上的硬件架构，所述MIOB控制模块5的主要功能包括：高速Encoder数据采集、多轴数据同步管理、驱动器控制命令设置、电源管理、数据存储、时钟管理，所述第二高速光纤通讯接口通过所述高速光纤环网总线4与所述MCB控制模块3的所述第一高速光纤通讯接口通讯连接，所述第二高速串行现场总线接口通过所述高速串行现场总线6与所述FIOB控制模块7通讯连接，所述第二高速串行现场总线接口通过所述高速串行现场总线6与其他的所述MIOB控制模块5中的所述第二高速串行现场总线接口通讯连接。

在本实施例中，所述FIOB控制模块7采用CPLD作为主处理器，参见图2所示，所述FIOB控制模块7内部包括CPLD处理器、第三电源管理单元、第三时钟管理、第三高速串行现场总线接口、模数转换单元、数模转换单元、IO处理单元和第三复位电路。

基于以上的硬件架构，所述FIOB控制模块7的主要功能包括：对现场各传感器的数据采集、高速模数转换、高速数模转换、IO隔离、电源管理、数据存储、时钟管理，所述第三高速串行现场总线接口通过所述高速串行现场总线6与所述MIOB控制模块5的所述第二高速串行现场总线接口通讯连接，所述第三高速串行现场总线接口通过所述高速串行现场总线6与其他的所述FIOB控制模块7内的所述第三高速串行现场总线接口通讯连接。

从上述实施例可以看出，本发明首先采用了MCB+MIOB+FIOB的硬件控制架构构建系统，将运动控制系统的实时控制单元、高速数据处理单元、低速数据处理单元进行了有效的划分，这使得运动控制系统的功能区分更明确，设备间的互联关系更简单，极大的简化了系统的布线，解决了传统的多轴控制系统实时性受限制、总线速度单一的缺点。

本发明其次在MCB控制模块中采用了高可靠、高实时、强运算能力的SoC+FPGA的硬件架构和基于模型的开发思想，实现了高带宽低抖动的多轴运动控制系统，实时计算模块（轨迹规划、控制算法、解耦控制等）在SoC的DSP核中实现，数据管理、文件系统和非实时的任务在SoC的ARM核中实现，这充分发挥SoC的综合处理和实时信号处理的优势，可以取代PC机，减少了硬件成本，缩小了控制器的体积。

本实施例中，参见图2所示，所述MCB控制模块3通过所述高速光纤环网总线4与多个所述MIOB控制模块5进行数据交互，采用串行通讯方式，所述MCB控制模块3发出的数据从第一个所述MIOB控制模块5依次传输至最后一个所述MIOB控制模块5，再由最后一个所述MIOB控制模块5将所述MCB控制模块3待读取数据依次传至第一个所述MIOB控制模块5，最后传输至所述MCB控制模块3。

在本发明的实施例中专门对所述高速光纤环网总线4进行了设计，实现了一种多从的总线拓扑结构。所述高速光纤环网总线4基于Xilinx FPGA的高速GTX接口，在Aurora8B10B Ip核的基础上制定光纤环网总线协议，以满足1个所述MCB控制模块3和多个所述MIOB控制模块5高速通讯的环形拓扑结构需求，实现了高速光纤一缆到底的互联。所述高速光纤环网总线4采用10Gb的光纤收发器和多模光纤，通讯距离最大300m。所述光纤环网总线协议包含了数据报头段、MIOB辨识标志段、数据段、校验段，确保了整个传输过程的稳定可靠。

本发明的多轴实时运动控制系统可以在1个伺服控制周期内(50us)完成多个运动轴的信息采集、多轴的控制算法计算和多轴的同步输出(同步精度≤5ns)。通过获取多个轴的运动信息结合特定的控制算法，继而实现多轴间的空间解耦、立体空间的运动轨迹规划和3D补偿等功能。由于本多轴间的同步精度高，多轴间动作一致性强，使得多轴间联动协同工作更简单。

本实施例中，所述高速光纤环网总线4在FPGA内部实现，其通讯环路的数据处理单元主要包括数据接收、解析、新数据回传。参见图3所示，所述高速光纤环网总线4的拓扑结构具体如下：

每个MIOB控制模块5内均配置有GTX接口、数据处理单元、第一IP核、第二IP核；并且，每个MIOB控制模块5均配备2个光纤收发器，其中一个是用于向上一级模块收发光纤的第一光纤收发器，另一个是用于向下一级模块收发光纤的第二光纤收发器，2个光纤收发器的光纤接收接口和光纤发送接口均与MIOB控制模块5内的GTX接口连接；

数据下传时，MCB控制模块3先将数据传输至第1个MIOB控制模块5的第一光纤收发器，第1个MIOB控制模块5的第一光纤收发器通过其内部的光纤接收接口将数据依次经第1个MIOB控制模块5内的GTX接口、第一IP核传输至第1个MIOB控制模块5内的数据处理单元，第1个MIOB控制模块5的数据处理单元在自身处理数据的同时，将数据依次经第1个MIOB控制模块5内的第二IP核、GTX接口传输至第1个MIOB控制模块5的第二光纤收发器，MIOB控制模块5的第二光纤收发器通过其内部的光纤发送接口将数据传输至第2个MIOB控制模块5的第一光纤收发器，以此类推，直至第n个MIOB控制模块5内的数据处理单元接收到数据，并进行数据处理；其中n为自然数。

数据上传时，第n个MIOB控制模块5内的数据处理单元将MCB控制模块3待读取的数据依次经第n个MIOB控制模块5内的第一IP核、GTX接口传输至第n个MIOB控制模块5的第一光纤收发器，第n个MIOB控制模块5的第一光纤收发器通过其内部的光纤接发送口将待读取数据传输至第n-1个MIOB控制模块5的第二光纤收发器，第n-1个MIOB控制模块5的第二光纤收发器通过其内部的光纤接收接口将待读取数据依次经第n-1个MIOB控制模块5内部的GTX接口、第二IP核传输至第n-1个MIOB控制模块5内的数据处理单元，第n-1个MIOB控制模块5内的数据处理单元将自身的待读取数据以及收到的待读取数据依次经第n-1个MIOB控制模块5内的第一IP核、GTX接口传输至第n-1个MIOB控制模块5的第一光纤收发器，以此类推，直至所有MIOB控制模块5的待读取数据均通过第1个MIOB控制模块5的第一光纤收发器的光纤接发送口传输至MCB控制模块3；其中n为自然数。

本实施例中，参见图2所示，所述MIOB控制模块5通过所述高速串行现场总线6与多个所述FIOB控制模块7进行数据交互，采用串行通讯方式，数据从第一个所述FIOB控制模块7依次传输至最后一个所述FIOB控制模块7，再由最后一个所述FIOB控制模块7将所述MIOB控制模块5待读取数据依次传至第一个所述FIOB控制模块7，最后传输至所述MIOB控制模块5。

本实施例中，所述高速串行现场总线6为高速多节点主从结构的RS485总线。

从上述实施例可以看出，本发明系统对强实时性模块和弱实时性模块进行了功能的划分，分别采用高带宽低抖动的光纤环网总线和现场设备总线，缩短了传输延迟提高了系统的控制带宽和稳定性。并且，本发明的所设计的光纤环网总线实现了一主多从的控制拓扑，扩展性强，可根据系统复杂程度进行灵活的扩展，适用范围广。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种多轴实时运动控制系统，其特征在于：包括PC机（1）、MCB控制模块（3）、MIOB控制模块（5）、FIOB控制模块（7）、高速光纤环网总线（4）、高速串行现场总线（6）、精密多轴伺服系统（9）、现场IO设备（10）和EtherCAT从站模块（11）；其中，

所述高速光纤环网总线（4）基于Xilinx FPGA的高速GTX接口，在Aurora 8B10B Ip核的基础上制定光纤环网总线协议，所述高速光纤环网总线（4）采用10Gb的光纤收发器和多模光纤，通讯距离最大300m；

所述高速串行现场总线（6）为高速多节点主从结构的RS485总线；

所述MCB控制模块（3）为主控制单元，所述MCB控制模块（3）的一端与PC机（1）通讯连接，所述MCB控制模块（3）的另一端通过所述高速光纤环网总线（4）与所述MIOB控制模块（5）通讯连接；

所述MCB控制模块（3）通过所述高速光纤环网总线（4）与多个所述MIOB控制模块（5）进行数据交互，采用串行通讯方式，所述MCB控制模块（3）发出的数据从第一个所述MIOB控制模块（5）依次传输至最后一个所述MIOB控制模块（5），再由最后一个所述MIOB控制模块（5）将所述MCB控制模块（3）待读取数据依次传至第一个所述MIOB控制模块（5），最后传输至所述MCB控制模块（3）；

所述MIOB控制模块（5）为高速数据采集单元，所述MIOB控制模块（5）或与所述精密多轴伺服系统（9）通讯连接，或与所述EtherCAT从站模块（11）通讯连接，或通过所述高速串行现场总线（6）与所述FIOB控制模块（7）通讯连接；

所述MIOB控制模块（5）通过所述高速串行现场总线（6）与多个所述FIOB控制模块（7）进行数据交互，采用串行通讯方式，数据从第一个所述FIOB控制模块（7）依次传输至最后一个所述FIOB控制模块（7），再由最后一个所述FIOB控制模块（7）将所述MIOB控制模块（5）待读取数据依次传至第一个所述FIOB控制模块（7），最后传输至所述MIOB控制模块（5）；

所述FIOB控制模块（7）为现场设备数据采集模块，所有所述FIOB控制模块（7）分别与各自对应的所述现场IO设备（10）通讯连接。

2.根据权利要求1所述的多轴实时运动控制系统，其特征在于：所述MCB控制模块（3）采用SoC+FPGA的硬件架构；所述MCB控制模块（3）的内部包括SoC芯片、第一FPGA芯片、以太网通讯接口、第一存储单元、第一时钟管理单元、第一电源管理单元、第一复位电路、第一高速光纤通讯接口和串口通讯单元。

3.根据权利要求1所述的多轴实时运动控制系统，其特征在于：所述MIOB控制模块（5）采用FPGA，所述MIOB控制模块（5）的内部包括第二FPGA芯片、第二高速光纤通讯接口、第二存储单元、第二时钟管理单元、第二电源管理单元、第二复位电路、温度监测单元、DSP数据计算单元、EtherCAT主站模块、同步管理单元、高速Encoder采集单元、驱动器控制命令接口和第二高速串行现场总线接口。

4.根据权利要求1所述的多轴实时运动控制系统，其特征在于：所述FIOB控制模块（7）采用CPLD作为主处理器，所述FIOB控制模块（7）内部包括CPLD处理器、第三电源管理单元、第三时钟管理、第三高速串行现场总线接口、模数转换单元、数模转换单元、IO处理单元和第三复位电路。

5.根据权利要求1所述的多轴实时运动控制系统，其特征在于：所述光纤环网总线协议包含了数据报头段、MIOB辨识标志段、数据段、校验段。