CN201600591U - 高集成度嵌入式网络运动控制器 - Google Patents

Abstract

一种高集成度嵌入式网络运动控制器，包括微控制器以及分别与微控制器相连的控制信号输出单元、运动反馈单元、外围电路单元、通信接口单元，所述微控制器包括一个数字信号处理芯片和一个可编程逻辑控制芯片，所述控制信号输出单元包括用来输出数字控制信号的PWM信号单元和用来输出模拟控制信号的D/A转换器，所述微控制器通过控制信号输出单元与电机驱动器相连；所述运动反馈单元包括位置反馈处理电路单元和速度反馈处理电路单元，所述微控制器的输入端通过运动反馈单元与电机相连；所述微控制器通过通信接口单元与外部设备相连。本实用新型是一种结构简单紧凑、集成度高、制造使用方便、适应范围广、可对交直流电机及步进电机都能做精确位置和速度控制的高集成度嵌入式网络运动控制器。

Description

高集成度嵌入式网络运动控制器

技术领域

本实用新型属于运动控制设备领域，特指一种运动控制器。

背景技术

当前，运动控制器以其特有的灵活性和优秀的运动轨迹控制能力使许多工业生产设备焕发出勃勃生机，可以说只要有电机应用的场合就离不开运动控制器。但是，目前的运动控制器却有着很多不足之处：(1)、目前的运动控制器虽然可以做到同时控制多个电机的运动轨迹，但却要求所有的电机或均为交直流电机、或均为步进电机。因为开环控制系统主要应用于步进电机，不带反馈，而闭环反馈系统主要应用于交直流电机，所以现有的运动控制器要么是单纯的闭环/半闭环控制模式，要么是开环控制模式，不能做到同时适用于开、闭环两种控制模式。(2)、传统的运动控制器在具体使用时需要分别为其设计多种不同的软件和硬件，从而使开发周期增长、开发成本增加，增大了用户掌握和使用运动控制器的难度；(3)、在步进电机的开环运动控制器中，常采用一些专用的中大规模集成电路，如8253、8254等，用于控制脉冲输出频率和脉冲输出数量以实现步进电机的速度和位置定位，这往往导致脉冲不够均匀或脉冲计数不准确、微控制器所需周边器件比较多，以致影响到整个系统的稳定性和可靠性。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种结构简单紧凑、集成度高、制造使用方便、适应范围广、可对交直流电机及步进电机都能做精确位置和速度控制的高集成度嵌入式网络运动控制器。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种高集成度嵌入式网络运动控制器，其特征在于：包括微控制器以及分别与微控制器相连的控制信号输出单元、运动反馈单元、外围电路单元、通信接口单元，所述微控制器包括一个数字信号处理芯片和一个可编程逻辑控制芯片，所述控制信号输出单元包括用来输出数字控制信号的PWM信号单元和用来输出模拟控制信号的D/A转换器，所述微控制器通过控制信号输出单元与电机驱动器相连；所述运动反馈单元包括位置反馈处理电路单元和速度反馈处理电路单元，所述微控制器的输入端通过运动反馈单元与电机相连；所述微控制器通过通信接口单元与外部设备相连。

作为本实用新型的进一步改进：

所述通信接口单元包括CAN总线收发器、RS422/485总线收发器和RS232总线收发器，所述微控制器通过CAN总线收发器与上位机相连，所述微控制器通过RS422/485总线收发器与绝对式编码器相连，所述微控制器通过RS232总线收发器与陀螺相连。

所述外围电路单元包括光电隔离IO信号单元以及用于保存运动控制过程中重要参数的EEPROM。

与现有技术相比，本实用新型的优点就在于：

(1)本实用新型无须针对开环与闭环控制分别设计软件和硬件，而可按照统一的闭环控制系统设计软件和硬件，从而缩短了开发周期、降低了开发成本。

(2)本实用新型在开环系统引入内部位置反馈的电路结构，使用户可以根据需要，实现同一运动控制器通用于闭环控制和传统的开环控制两种情况，可以控制多种伺服电机，扩展了运动控制器的功能，且方便用户掌握和使用运动控制器。

(3)本实用新型可以实现在系统编程，开放性、互换性、可移植性和扩展性强；可通过在PC机上经简单编程而实现运动控制，不一定需要专门的控制软件，还可从软件上进行完善和轨迹插补，能方便地建立高层应用程序对机器人、机床等设备的控制连接，实现高性能和小型化。

(4)本实用新型的运动控制器采用DSP和CPLD相结合的具体方案，具有外围器件少、硬件结构简单、系统集成度高和柔性度高、能够实现多种规划模式配合PID+前馈伺服算法等优点，可在电路板上集成三类(交直流、步进电机)四台或更多电机的运动控制电路，且电机的类型可任意组合采用。

(5)可以将多个本实用新型的高集成度嵌入式网路运动控制器通过CAN总线组网，并连接到上位机，实现多点远程网络控制。

附图说明

图1是本实用新型的框架结构示意图；

图2是利用本实用新型组成多轴联动运动控制系统的示意图；

图3是本实用新型具体实施例中数字信号处理芯片的电路原理示意图；

图4是本实用新型具体实施例中可编程逻辑控制芯片的电路原理示意图；

图5是本实用新型具体实施例中四路二阶抗混迭滤波滤波器的电路原理示意图；

图6是本实用新型具体实施例中光电隔离IO信号单元的电路原理示意图。

图例说明

1、微控制器；11、数字信号处理芯片；12、可编程逻辑控制芯片；2、控制信号输出单元；21、PWM信号单元；22、D/A转换器；3、电机驱动器；4、电机；5、运动反馈单元；51、位置反馈处理电路单元；52、速度反馈处理电路单元；6、外围电路单元；61、光电隔离IO信号单元；62、EEPROM；7、上位机；8、电源；9、通信接口单元；91、CAN总线收发器；92、RS422/485总线收发器；93、RS232总线收发器。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本实用新型做进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型的高集成度嵌入式网络运动控制器，包括微控制器1以及分别与微控制器1相连的控制信号输出单元2、运动反馈单元5、外围电路单元6、通信接口单元9，电源8为整个运动控制器供电。上述组件均可集中安装在一块电路板上(例如80mm×62mm的电路板)。微控制器1包括一个数字信号处理芯片11和一个可编程逻辑控制芯片12，数字信号处理芯片11是整个运动控制板的控制核心，用来协调各IO输入输出端口和通信端口工作，根据插补算法输出的指令和运动反馈单元5反馈的数据实现运动控制算法。可编程逻辑控制芯片12是整个运动控制板的逻辑核心，用于实现A/D和D/A转换器选通信号的译码功能，实现频率测量和计数功能，并对测量结果输出进行选通译码，生成四路脉冲+方向信号。微控制器1的输出端通过控制信号输出单元2与电机驱动器3相连，微控制器1的输入端通过运动反馈单元5与电机4相连。控制信号输出单元2包括PWM信号单元21和D/A转换器22，运动反馈单元5主要包括位置反馈处理电路单元51和速度反馈处理电路单元52。外围电路单元6主要包括光电隔离IO信号单元61和EEPROM62。通信接口单元9主要包括CAN总线收发器91、RS422/485总线收发器92和RS232总线收发器93。可编程逻辑控制芯片12可用于译码输出和捕获输入，可对位置反馈处理电路单元51的编码器进行计数，对增量式编码器进行四细分，也可实现定量脉冲输出PWM数字信号，通过脉冲+方向信号来控制步进电机和交直流伺服电机。参见图2，使用时，数字信号处理芯片11根据所加工的轨迹进行规划，得到各轴的插补点序列数据，利用插补算法计算出每轴在当前插补周期内的位置指令，再通过各轴的运动控制算法计算出驱动执行机构的指令信息，由驱动执行机构走出各插补点的位置，实际走出的位置信息在反馈给运动控制单元，实现多轴联动的闭环控制。形成的控制环路为：微控制器1→控制信号输出单元2→电机驱动器3→电机4→运动反馈单元5→微控制器1。

本实施例中，数字信号处理芯片11采用DSP(Digital Signal Processor)，DSP的具体电路如图3所示。DSP的型号为TMS320F2812，为整个运动控制板的控制核心。TMS320F2812的工作频率高达150MHz，对外接口具有12路差分信号输入，均可用于频率测量和计数功能；具有4组差动输出的脉冲+方向信号，可用于4轴联动机床的控制。其中端口P1和P7与控制信号输出单元2相连，P1与PWM信号单元21相连，用于输出PWM数字信号(PWM：Pulse-WidthModulation脉宽调制信号)，P7为DSP的串行外设总线接口SPI(Serial PeripheralInterface)，用于连接D/A转换器22(Digital to Analog Converter)，输出模拟形式的D/A控制信号。P2和P5与运动反馈单元5相连，用于接收增量式编码器信号，得到相对的角位置信息。P3、P4和P6与外围电路单元6相连，其中P3用于通用IO输入，P4用于通用IO输出，P3、P4用于接收光电隔离IO信号；P6与EEPROM 62(电可擦除只读程序存储器EEPROM：Electric Erasable Program Read Only Memory)相连，用于保存需掉电保护的重要参数；P8、P9和P10与通信接口单元9相连，其中P8接一路RS422/485总线收发器92，用于接收串行输出的绝对式编码器，P9接一路RS422/485总线收发器92和一路RS232总线收发器93，RS232总线收发器93接口可连接相应的陀螺输出接口，P10接CAN总线收发器91，用于组成多节点的运动控制器网络和与上位机7连接，实现多点远程控制。采用CAN总线后，40米的传输距离内其位速率可高达1Mbps，在低速5kbps的位速率下传输距离可达10千米。

本实施例中，可编程逻辑控制芯片12采用CPLD(Complex Programmable Logic Device)，CPLD的具体电路如图4所示，所选型号为LC4512，是整个运动控制板的逻辑信号处理单元，可用于外部输入信号测频和计数、信号译码、脉冲+方向的输出等功能。其中端口P11、P12和P13接DSP，用于与DSP之间的并行数据的接口和译码，其中P11为数据线，P12为地址线，P13为读写和选通控制线；P14为频率测量和计数信号接口，与差动信号接收器相连，接收其由差动转换成的单端信号，实现频率测量和计数功能；P15为4组脉冲+方向信号输出，与差动信号发送器相连，可用于控制四轴联动的数控机床。

本实施例中，运动反馈单元电路5包括位置反馈处理电路单元51、速度反馈处理电路单元52以及相关的信号处理电路单元，其中位置反馈处理电路单元51的输入端可连接增量式编码器信号，也可通过某种通信方式连接绝对式编码器，通信方式可采用422或者485，只需选择相应的芯片即可，输出端接微控制器1的CPLD。速度反馈处理电路单元52包括A/D采样电路和四路二阶抗混迭滤波电路，A/D芯片选用TLC3574，可采集四路模拟电压信号，电压范围为±10V，其输入端可接测速发电机的模拟电压信号或电机电流反馈信号。如图5所示，为四路二阶抗混迭滤波滤波器电路图，高精度运算放大器采用OPA4277，其中输入端口FILTER_IN接模拟信号输入，FILTER_OUT为滤波输出端口接A/D转换器。采样信号进入A/D采样之前，经过了一级截止频率为1kHz的二阶抗混迭滤波器，可有效降低输入信号的噪声干扰。

本实施例中，控制信号输出单元电路2的控制信号可以是DSP事件管理器产生的光电隔离的PWM数字信号，用来控制PWM输入型的电机驱动器3；其所产生的四象限隔离的PWM数字信号可用于驱动直流伺服电机、无刷直流电机等，也可以外接D/A转换器22产生模拟控制D/A信号控制模拟电压输入型的电机驱动器3，D/A芯片选用12位芯片DAC7612，可输出两路模拟信号并经过二阶有源滤波器进行滤波，输出电压范围为-10V~+10V；控制信号输出电路的输出端连接电机驱动器3输出给电机4的控制信号。

本实施例中，外围电路单元6包括光电隔离IO信号单元61、EEPROM62等，如图6所示，为光电隔离IO信号单元61的示意图，达林顿光耦采用PS2802-4，其带负载能力达50mA，可直接驱动小型继电器，也可用于控制电机驱动器的使能等，四路光电隔离输入信号可用作行程开关或其它开关信号，从而省去了继电器驱动环节。

由上可知，本实用新型的高集成度嵌入式网络运动控制器既有数字PWM信号输出，又有模拟信号输出，可适用于多种类型的电机驱动器3相连。本实用新型既可以与增量式编码器相连又可通过RS422/485总线收发器92与绝对式编码器相连，可根据运动控制系统的需要灵活选用多种类型的角位置传感器。具有丰富的差动输入接口，既可作为RS422接收，又可作为增量式编码器输入还可以进行频率测量和计数功能。本实用新型既有RS422/485总线收发器92，又有RS232总线收发器93，方便与绝对式编码器、陀螺等传感器相连，根据需要进行灵活配置。本实用新型带有256kbit的EEPROM，可用于保存运动控制过程中的重要参数，可有效防止系统突然断电之后的数据丢失。

以上所述仅是本实用新型的一种实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种高集成度嵌入式网络运动控制器，其特征在于：包括微控制器(1)以及分别与微控制器(1)相连的控制信号输出单元(2)、运动反馈单元(5)、外围电路单元(6)、通信接口单元(9)，所述微控制器(1)包括一个数字信号处理芯片(11)和一个可编程逻辑控制芯片(12)，所述控制信号输出单元(2)包括用来输出数字控制信号的PWM信号单元(21)和用来输出模拟控制信号的D/A转换器(22)，所述微控制器(1)通过控制信号输出单元(2)与电机驱动器(3)相连；所述运动反馈单元(5)包括位置反馈处理电路单元(51)和速度反馈处理电路单元(52)，所述微控制器(1)的输入端通过运动反馈单元(5)与电机(4)相连；所述微控制器(1)通过通信接口单元(9)与外部设备相连。

2.根据权利要求1所述的高集成度嵌入式网络运动控制器，其特征在于：所述通信接口单元(9)包括CAN总线收发器(91)、RS422/485总线收发器(92)和RS232总线收发器(93)，所述微控制器(1)通过CAN总线收发器(91)与上位机(7)相连，所述微控制器(1)通过RS422/485总线收发器(92)与绝对式编码器相连，所述微控制器(1)通过RS232总线收发器(93)与陀螺相连。

3.根据权利要求1所述的高集成度嵌入式网络运动控制器，其特征在于：所述外围电路单元(6)包括光电隔离IO信号单元(61)以及用于保存运动控制过程中重要参数的EEPROM(62)。

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