CN207994963U - 一种基于fpga的伺服运动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，包括依次连接且数据双向传输的伺服驱动模块、通信总线模块和运动控制模块；所述伺服驱动模块包括依次连接的电源管理模块、母线电压采样电路、控制模块、光电耦合器、电机驱动电路、电机和编码器；所述电机驱动电路还单独连接有电流采样电路；所述电流采样电路和编码器均与控制模块相连接；所述通信总线模块与控制模块相连接。本实用新型所达到的有益效果：本系统控制频率高，系统高度集成且成本低；运动控制模块使用FPGA做运算，引脚布置灵活降低成本；使用EtherCAT现场总线通信协议，速度较快，可以方便地组成线型、星型或者任意组合的拓扑结构。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于FPGA的伺服运动控制系统，属于伺服控制技术领域。
背景技术
目前现有技术中的伺服控制系统，比较常见的是采用工业PC机、DSP等，在现场总线通信协议方面常用的CANopen、Modbus等总线协议，速度较慢，在组成拓扑结构方面比较受限制，效率低。
实用新型内容
为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于FPGA的伺服运动控制系统，控制频率高，系统高度集成且成本低。
为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：
一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，包括依次连接且数据双向传输的伺服驱动模块、通信总线模块和运动控制模块；所述伺服驱动模块、通信总线模块和运动控制模块均独自安装在电路板上；所述电路板之间通过设置在边缘的板对板连接件相连接；所述伺服驱动模块包括依次连接的电源管理模块、母线电压采样电路、控制模块、光电耦合器、电机驱动电路、电机和编码器；所述电机驱动电路还单独连接有电流采样电路；所述电流采样电路和编码器均与控制模块相连接；所述通信总线模块与控制模块相连接；所述运动控制模块通过通信总线模块将控制信号发送给控制模块；所述控制模块通过通信总线模块接收控制信号，采集母线电压、相电流、编码器信号后输出信号给光电耦合器；所述光电耦合器用于隔离保护控制模块；所述光电耦合器将控制信号输出给电机驱动电路，控制电机运转，进行相应的速度和位置控制。
前述的一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，所述运动控制模块采用FPGA芯片。
前述的一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，所述通信总线模块采用EtherCAT从站芯片。
前述的一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，电源管理模块使用MPS系列电源管理模块。
前述的一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，控制模块采用Xilinx的Kintex系列FPGA芯片。
前述的一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，光电耦合器采用东芝的TLP715高速光耦。
前述的一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，电机采用永磁同步电机或无刷直流电机。
前述的一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，EtherCAT从站芯片采用Microchip的LAN9252。
本实用新型所达到的有益效果：本系统控制频率高，系统高度集成且成本低；运动控制模块使用FPGA做运算，相比于市面上常见的工业PC机、DSP等，运算速度大幅度提高，并且FPGA引脚布置灵活，降低成本；使用EtherCAT现场总线通信协议，相比于市面上常用的CANopen、Modbus等总线协议，EtherCAT速度较快，可以方便地组成线型、星型或者任意组合的拓扑结构；本系统完全符合EtherCAT协议，可以与其他EtherCAT驱动器混合使用，灵活性强，适用范围广。
附图说明
图1是本实用新型的系统框图；
图2是电路板的结构分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
本系统如图1所示，包括依次连接且数据双向传输的伺服驱动模块、通信总线模块和运动控制模块。运动控制模块采用FPGA芯片。通信总线模块采用EtherCAT从站芯片。
伺服驱动模块、通信总线模块和运动控制模块均独自安装在电路板上。电路板之间通过设置在边缘的板对板连接件相连接。采用模块化设计，各模块电路板分离，中间用螺丝等固定件连接，使用灵活方便，维护成本低，可适配各功能模块。当某一模块发生故障时，可以单独更换。伺服驱动模块可以根据实际功率要求等更换，以满足实际要求。运动控制模块可以根据实际运算要求，更换带有不同型号的芯片的模块。通信总线模块可以根据现场要求更换EtherCAT、CANopen和Modbus等通信总线模块。使用灵活，板子上配有板对板连接件，安装灵活，拆卸方便。整体体积较小，重量轻，适合各种环境安装。
在本实施例中，板对板连接件采用凸起结构，凸起能够放置在上一个凸起的底部。电路板与电路板的四周通过螺母进行连接固定。
伺服驱动模块包括依次连接的电源管理模块、母线电压采样电路、控制模块、光电耦合器、电机驱动电路、电机和编码器。
本实施例中，电源管理模块使用MPS系列电源管理模块。母线电压采样电路采用大功率封装单电阻采样法。控制模块采用Xilinx的Kintex系列FPGA芯片。光电耦合器采用东芝的TLP715高速光耦。电机驱动电路采用IR2103S半桥驱动器和IRFS3607大功率MOS管。电机采用永磁同步电机或无刷直流电机编码器采用高精度光电编码器电流采样电路采用MCP6024四通道运放进行相电流采样。EtherCAT从站芯片采用Microchip的LAN9252。
电机驱动电路还单独连接有电流采样电路。电流采样电路和编码器均与控制模块相连接。通信总线模块与控制模块相连接。
工作流程：系统打开电源后，FPGA运动控制模块计算出命令信号，通过EtherCAT通信总线。将控制命令传给单片机，控制模块采取母线电压、电机相电流和编码器信号，进行闭环控制。
具体地：运动控制模块通过通信总线模块将控制信号发送给控制模块。其中FPGA用在执行运动控制算法，充分利用其硬件计算能力，可以大幅度提高运动控制频率，FPGA执行运动控制算法后，通过EtherCAT总线将控制信号发送给控制模块。
控制模块通过通信总线模块接收控制信号，采集母线电压、相电流、编码器信号，通过控制模块内的闭环控制程序，计算出控制信号，输出信号给光电耦合器。光电耦合器在这里起到隔离的作用，可以保护控制模块。光电耦合器将控制信号输出给电机驱动电路，控制电机运转，进行相应的速度和位置控制。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，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技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，包括依次连接且数据双向传输的伺服驱动模块、通信总线模块和运动控制模块；所述伺服驱动模块、通信总线模块和运动控制模块均独自安装在电路板上；所述电路板之间通过设置在边缘的板对板连接件相连接；
所述伺服驱动模块包括依次连接的电源管理模块、母线电压采样电路、控制模块、光电耦合器、电机驱动电路、电机和编码器；所述电机驱动电路还单独连接有电流采样电路；所述电流采样电路和编码器均与控制模块相连接；
所述通信总线模块与控制模块相连接；
所述运动控制模块通过通信总线模块将控制信号发送给控制模块；所述控制模块通过通信总线模块接收控制信号，采集母线电压、相电流、编码器信号后输出信号给光电耦合器；所述光电耦合器用于隔离保护控制模块；所述光电耦合器将控制信号输出给电机驱动电路，控制电机运转，进行相应的速度和位置控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，所述运动控制模块采用FPGA芯片。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，所述通信总线模块采用EtherCAT从站芯片。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，电源管理模块使用MPS系列电源管理模块。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，控制模块采用Xilinx的Kintex系列FPGA芯片。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，光电耦合器采用东芝的TLP715高速光耦。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，电机采用永磁同步电机或无刷直流电机。
8.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的伺服运动控制系统，其特征是，EtherCAT从站芯片采用Microchip的LAN9252。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108075692A (zh) * | 2017-12-30 | 2018-05-25 | 南京工程学院 | 一种基于fpga的伺服运动控制系统 |
| CN110032091A (zh) * | 2019-04-17 | 2019-07-19 | 国家康复辅具研究中心 | 智能助行器控制电路 |
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