CN205375072U - 一种独立式多轴运动控制器 - Google Patents

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黄宬
王洪荣
钟毅
张志鹏
鄢均
江泽华
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Abstract

本实用新型公开了一种独立式多轴运动控制器,包括供电单元电路、主控制单元电路、人机交互电路、运动控制单元电路和扩展单元电路五个部分。本实用新型具有以下有益效果:支持多轴的脉冲/方向控制和标准的位置控制、速度控制、转矩(电流)控制以及开环控制,具备在线变速/变位置功能;任意两轴之间可做点位控制和直线插补、圆弧插补等运动轨迹的控制;允许宽范围的供电电压输入提供稳定的输出,可以连接绝对式/增量式的光电编码器,接收AD采样信号和开关量信号,并具备指示灯和外接液晶触摸屏的状态显示和简单的人机交互功能。

Description

一种独立式多轴运动控制器
技术领域
本实用新型涉及一种独立式多轴运动控制器。
背景技术
运动控制器主要是用来对多电机运动系统中的多台电机进行协同控制,并与PC机相通讯,实现更高级的人机交互和运动控制。
目前运动控制器类型大致分为两种,一种是基于PC标准总线的运动控制器,通常也成为运动控制卡,它在硬件设计上采用板卡方式,采用“金手指”与PC机相连接。这种结构的运动控制器不易长时间在恶劣的工作环境下工作,另外,在智能化要求不高的情况下,要与PC机配套使用的特点使得运动控制系统的研发应用成本无疑被大大增加了。
另一种控制器是独立式运动控制器。它采用专用芯片实现对多台电机的顺序逻辑控制和运动控制,能够独立出PC机工作,也可以与PC机协同工作,在保证在恶劣环境下长时间运动控制稳定的同时,实现运动系统更加智能化,人性化。由于目前这样的独立式运动控制器产品尚不够成熟,造价成本比较高,独立式运动控制器所使用的专用芯片对用户二次编程使用的语言提出了特殊的要求。
实用新型内容
针对上述问题,本实用新型提供一种基于ARM的独立式多轴运动控制器。
本实用新型的方案为:
一种独立式多轴运动控制器,包括供电单元电路、主控制单元电路、人机交互电路、运动控制单元电路和扩展单元电路五个部分,供电单元电路、人机交互电路、运动控制单元电路和扩展单元电路分别与主控制单元电路相连接;所述主控制单元电路包括数字信号处理芯片DSP、RISC微处理器ARM和现场可编程门阵列FPGA,数字信号处理芯片DSP分别与RISC微处理器ARM和现场可编程门阵列FPGA连接。
所述供电单元电路允许24V和48V两种电压等级供电,并能稳定的提供5V、12V等多种电压输出,满足主控制单元电路、人机交互电路、运动控制单元电路和扩展单元电路对不同电压等级的供电需求。
所述人机交互电路提供多种通讯端口,将采集到的图像、声音送至RISC微处理器ARM处理,生成的视频、音频文件保存到人机交互电路中。
所述运动控制单元电路采集与系统运动相关的编码计数信号、AD采样信号和IO开关信号,送至数字信号处理芯片DSP处理;将主控制电路发送的控制信号进行放大处理和DA转换,驱动电机或开关量控制器件工作;运动控制单元电路还包括CAN通讯接口。
所述扩展单元电路是以现场可编程门阵列FPGA为控制核心,用以扩展数字信号处理芯片DSP有限的硬件功能资源;其还包括直接驱动小型的继电器或电磁阀的大电流的开关量输出接口。所述数字信号处理芯片DSP检测运动控制单元电路检测到的编码计数脉冲信号、IO开关量信号以及AD采样信号,产生驱动电机和其它执行机构所需的PWM信号、IO开关信号和模拟量控制信号。
RISC微处理器ARM以SPI总线方式与数字信号处理芯片DSP相连接。
现场可编程门阵列FPGA与数字信号处理芯片DSP采用EMIF接口进行通信。
通过上述技术方案,本实用新型具有以下有益效果:支持多轴的脉冲/方向控制和标准的位置控制、速度控制、转矩(电流)控制以及开环控制,具备在线变速/变位置功能;任意两轴之间可做点位控制和直线插补、圆弧插补等运动轨迹的控制;允许宽范围的供电电压输入提供稳定的输出,可以连接绝对式/增量式的光电编码器,接收AD采样信号和开关量信号,并具备指示灯和外接液晶触摸屏的状态显示和简单的人机交互功能;通过有线或无线以太网和RS232端口可以连接至PC机,也支持SCI、SPI、CAN、I2C等多种总线与其它设备的通讯;可以进行图像和语音的采集和播放,通过内置USB接口,可读写保存的视频音频文件。
附图说明
图1是本实用新型的电子设计总体结构框图。
图2是本实用新型的主控制单元电路的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图给出本实用新型较佳实施例,以详细说明本实用新型的技术方案。
图1为本实用新型的电子设计总体结构框图。独立式多轴运动控制器按照实现的功能进行划分,主要包括供电单元电路110、主控制单元电路120、人机交互电路130、运动控制单元电路140和扩展单元电路150五个部分。
供电单元电路110允许24V和48V两种电压等级供电,并能稳定的提供5V、12V等多种电压输出,满足主控制单元电路120、人机交互电路130、运动控制单元电路140和扩展单元电路150对不同电压等级的供电需求。同时,供电单元电路110预留了多种电压等级的输出接口,可作为整机系统的供电中转使用,为整机的接线布局创造便利条件。
主控制单元电路120由一组控制芯片组成,这些控制芯片分别负责不同的信息处理任务和计算控制量。图2为主控制单元电路120的结构框图,主要由数字信号处理芯片DSP121、RISC微处理器ARM122和现场可编程门阵列FPGA123组成。
数字信号处理芯片DSP121是处理电机运动控制信息的主要控制芯片,也是主控制单元电路120的核心。数字信号处理芯片DSP121可以检测运动控制单元电路140检测到的编码计数脉冲信号、IO开关量信号以及AD采样信号,产生驱动电机和其它执行机构所需的PWM信号、IO开关信号和模拟量控制信号。用户通过主控制单元电路120可以修改数字信号处理芯片DSP121内部的控制参数设定,数字信号处理芯片DSP121也会回传控制参数和运行信息,并转送至主控制单元电路120进行存储。
RISC微处理器ARM122以SPI总线方式与数字信号处理芯片DSP121相连接。在脱离上位机监控的场合,RISC微处理器ARM122可以对人机交互电路130所采集的语音、图像信息进行处理生成音频、视频文件,并读取数字信号处理芯片DSP121的运动控制信息,通过人机交互电路130实时进行信息的发送、显示和存储。
现场可编程门阵列FPGA123是对数字信号处理芯片DSP121硬件功能的扩展,它与数字信号处理芯片DSP121采用EMIF接口进行通信,使得数字信号处理芯片DSP121硬件资源有限的情况下可以检测更多的编码计数和开关量信息。
人机交互电路130包括提供多种通讯端口,可以以有线或无线的方式轻松实现上位机系统与运动控制器主控制单元电路120的远程和现场通信。它将采集到的图像、声音送至RISC微处理器ARM122处理,生成的视频、音频文件则会保存到人机交互电路130中。
运动控制单元电路140采集与系统运动相关的编码计数信号、AD采样信号和IO开关信号,送至数字信号处理芯片DSP121处理。运动控制单元电路140也会将主控制电路发送的控制信号进行放大处理和DA转换,驱动电机或开关量控制器件工作。运动控制单元电路140也提供了必要的CAN等通讯接口,用户可直接修改数字信号处理芯片DSP121中的运动控制参数。
扩展单元电路150与运动控制单元电路140的功能、硬件资源大体类似,除不具有模数转换和通讯接口外,它以现场可编程门阵列FPGA123为控制核心,扩展了数字信号处理芯片DSP121有限的硬件功能资源。它提供大电流的开关量输出接口,可直接驱动小型的继电器或电磁阀工作。
以上诸实施例仅供说明本实用新型之用,而非对本实用新型的限制,有关技术领域的技术人员,在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下,还可以作出各种变换或变化,因此所有等同的技术方案也应该属于本实用新型的范畴应由各权利要求限定。

Claims (5)

1.一种独立式多轴运动控制器,其特征在于,包括供电单元电路(110)、主控制单元电路(120)、人机交互电路(130)、运动控制单元电路(140)和扩展单元电路(150)五个部分,供电单元电路(110)、人机交互电路(130)、运动控制单元电路(140)和扩展单元电路(150)分别与主控制单元电路(120)相连接;所述主控制单元电路(120)包括数字信号处理芯片DSP(121)、RISC微处理器ARM(122)和现场可编程门阵列FPGA(123),数字信号处理芯片DSP(121)分别与RISC微处理器ARM(122)和现场可编程门阵列FPGA(123)连接;RISC微处理器ARM(122)以SPI总线方式与数字信号处理芯片DSP(121)相连接;现场可编程门阵列FPGA(123)与数字信号处理芯片DSP(121)采用EMIF接口进行通信。
2.根据权利要求1所述的独立式多轴运动控制器,其特征在于,所述供电单元电路(110)允许24V和48V两种电压等级供电,并能稳定的提供5V和12V电压输出,满足主控制单元电路(120)、人机交互电路(130)、运动控制单元电路(140)和扩展单元电路(150)对不同电压等级的供电需求。
3.根据权利要求1所述的独立式多轴运动控制器,其特征在于,所述人机交互电路(130)提供多种通讯端口,将采集到的图像、声音送至RISC微处理器ARM(122)处理,生成的视频、音频文件保存到人机交互电路(130)中。
4.根据权利要求1所述的独立式多轴运动控制器,其特征在于,所述运动控制单元电路(140)采集与系统运动相关的编码计数信号、AD采样信号和IO开关信号,送至数字信号处理芯片DSP(121)处理;将主控制电路发送的控制信号进行放大处理和DA转换,驱动电机或开关量控制器件工作;运动控制单元电路(140)还包括CAN通讯接口。
5.根据权利要求1所述的独立式多轴运动控制器,其特征在于,所述扩展单元电路(150)是以现场可编程门阵列FPGA(123)为控制核心,用以扩展数字信号处理芯片DSP(121)有限的硬件功能资源;其还包括直接驱动小型的继电器或电磁阀的大电流的开关量输出接口。
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