CN208224776U - 一种运动控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型机器人控制领域，公开了一种运动控制器，信号隔离耦合器与所述的信号处理器电性连接，信号处理器与所述的继电信号输出控制器电性连接；复位按钮与所述的停止锁存复位控制器连接，停止锁存复位控制器与所述的信号处理器和继电信号输出控制器电性连接；继电信号输出控制器与FPGA控制组件无线连接；FPGA控制组件连接多路功率驱动及信号采集组件；多路功率驱动及信号采集组件通过导线连接步进电机/编码器组。本实用新型通过继电器的转换，使高频变压器失电，使得输出继电器保持停止状态，当按一次复位按钮，再通过同一继电器的转换，使变压器持续得电，输出继电器保持工作状态，大大提高了设备使用的安全性。

Description

一种运动控制器

技术领域

本实用新型属于机器人控制领域，尤其涉及一种运动控制器。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

目前的运动控制器，只能作为一种开关量输出，即当有物体遮挡时控制器发出信号使设备停止工作，当遮挡物离开时，控制器发出信号启动设备运转。

步进电机是一种将数字脉冲转换为相应位移增量的电磁机械。在正常工作状态下，电机位移输出与数字脉冲输入严格同步，具有较高的控制精度，且控制简单，启停迅速，性能稳定，广泛应用于数控系统、机器人等领域。随着工业自动化的深入发展，越来越多的设备上同时需要多个轴相互配合协同完成空间轨迹的运动控制，如多轴机械加工中心、多关节机械手等设备。各个轴上电机如何协同控制及其实现方法，这是多轴电机控制器需要研究解决的问题。

传统的步进电机控制器通常采用专用数字芯片作为主控芯片，目前主流的控制芯片为DSP数字信号处理器，同时再辅以必要的外围分立芯片作为数据处理和通讯的接口。这类主控芯片通常能够实现较为复杂的电机控制算法，但由于专用数字芯片内部硬件资源的限制以及控制算法的串行运行特点，单芯片很难满足多轴步进电机的协同控制需要。

在现有技术中，往往采用单轴电机控制器分别控制各轴，容易出现无法同步的问题，还存在结构复杂、系统成本高的问题。因此，需要一种单芯片同时对多个轴进行同步控制的多轴步进电机控制器系统。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有技术不能通过电器的转换，使高频变压器失电，使得输出继电器保持停止状态。不能对运动信号再通过同一继电器的转换，使变压器持续得电，输出继电器保持工作状态；不能在意外情况下及时停止机器人，不能提高了机器人使用的安全性。

现有技术中，往往采用单轴电机控制器分别控制各轴，容易出现无法同步的问题，还存在结构复杂、系统成本高的问题的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供运动控制器，旨在解决目前的安全光幕控制器，只能作为一种开关量输出，只能作为一种开关量输出，当有物体遮挡时只能短时间停止工作，当遮挡物离开时，设备继续运转，如果遇到紧急情况，不能及时停车，存在安全隐患的问题。

本实用新型是这样实现的，一种运动控制器，所述的运动控制器包括信号隔离耦合器、信号处理器、继电信号输出控制器、复位按钮、停止锁存复位控制器；

所述的信号隔离耦合器与所述的信号处理器电性连接，所述的信号处理器与所述的继电信号输出控制器电性连接；

所述的复位按钮与所述的停止锁存复位控制器连接，停止锁存复位控制器与所述的信号处理器和继电信号输出控制器电性连接；

继电信号输出控制器与FPGA控制组件无线连接；

FPGA控制组件连接多路功率驱动及信号采集组件；

多路功率驱动及信号采集组件通过导线连接步进电机/编码器组。

进一步，所述FPGA控制组件，包括Nios II微处理器、CAN控制器IP核、多路步进电机控制IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路步进电机控制IP核通过片内Avalon总线分别连通Nios II微处理器、CAN控制器IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAGUART；所述多路步进电机控制IP核连接多路功率驱动和位置及电流采集电路。

进一步，所述CAN控制器IP核，一端通过CAN通信接口电路连接上位机，另一端通过片内Avalon总线连接Nios II微处理器，用于实现Nios II微处理器与上位机之间的串行通讯；

所述Nios II微处理器，用于与上位机的数据交互，将上位机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路步进电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴步进电机控制器的状态信息反馈给上位机；

所述步进电机控制IP核，包括Avalon总线接口组件、速度剖面产生组件、细分电流计算组件、电流调节器、PWM输出组件、AD接口控制组件、电流调理组件、位置反馈处理组件和用于实现步进电机电流细分驱动和轨迹运动控制的时序规划组件；

进一步，所述信号隔离耦合器的输入端连接外部运动数字信号输入器。

进一步，所述继电信号输出控制器的输出端与外部机器人运动部件电连接。

本实用新型的优点及积极效果为：

本实用新型在现有运动控制器方案的基础上，增加了继电器信号输出保持与信号复位功能，增加一个手动复位按钮，每次运动信号给控制器输入停止信号时，通过一个继电器的转换，使高频变压器失电，使得输出继电器保持停止状态。当按一次复位按钮，且运动信号端给控制器启动信号时，再通过同一继电器的转换，使变压器持续得电，输出继电器保持工作状态；可以在意外情况下及时停止设备，当确认安全后再手动复位以进行正常生产，大大提高了机器人使用的安全性。

本实用新型充分利用了FPGA丰富可编程硬件资源，实现了单片FPGA同时控制多路步进电机，解决了传统控制器只能控制一路或两路的问题，同时也较好地解决多个电机之间的同步问题，实现了多轴步进电机控制系统的高度集成化，减小了控制系统体积，降低了成本，提高了系统稳定性。

采用组件化和IP设计思想，将各组件作为独立体系设计，不仅在FPGA内部嵌入NiosII微处理器使FPGA具备数字信号处理和事务性协调处理功能，同时在NiosII微处理器周围通过纯硬件逻辑单元的形式(步进电机控制IP核)构建多路步进电机控制功能组件，并配置与现场总线通信有关的功能组件，整个系统结构简洁清晰，便于系统扩展以及升级维护。

设计的步进电机控制IP核，可实现步进电机的精确控制，而且控制参数可根据用户需求由微处理器灵活设置，具有较广的适用性。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的运动控制器的工作原理图；

图2是本实用新型实施例提供的运动控制器的示意图；

图中：1、信号隔离耦合器；2、信号处理器；3、继电信号输出控制器；4、复位按钮；5、停止锁存复位控制器。

图3是本实用新型实施例提供的FPGA控制组件连接示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的实用新型内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

参见图1-图3所示：本实用新型实施例提供的运动控制器，包括信号隔离耦合器1、信号处理器2、继电信号输出控制器3、复位按钮4、停止锁存复位控制器5；

所述的信号隔离耦合器1与所述的信号处理器2电性连接，所述的信号处理器2与所述的继电信号输出控制器3电性连接；

所述的复位按钮4与所述的停止锁存复位控制器5连接，该停止锁存复位控制器5与所述的信号处理器2和继电信号输出控制器3电性连接。

所述信号隔离耦合器的输入端连接外部安全光幕数字信号输入装置。

所述继电信号输出控制器的输出端与外部工作设备电连接。

所述外部工作设备的输出端与安全光幕数字信号输入装置连接。

下面结合工作原理对本实用新型进一步说明。

本实用新型的运动控制器内部原理可大致分为信号隔离耦合、信号处理、继电器信号输出、信号保持信号复位四部分。运动指令传输过来的数字信号经过信号隔离，起到安全保护的作用，然后经过信号处理部分，控制继电器信号输出，期间，通过增加的信号保持、信号复位功能组件，达到停止锁存手动复位的目的。

具体原理图参见图1，运动指令发来的数字信号经过R3、U1传输到IC2，经过信号处理驱动三极管Q1、Q2交替导通，经过高频变压器将直流电逆变成高频交流电，然后经过ZL1、ZL2两组整流桥，驱动J1、J2继电器动作，完成信号输出。为实现所述停止锁存手动复位功能，增加了手动复位按钮和J3等元件组成的功能组件，当J1、J2无输出时，J3线圈得电保持，相应的触点动作，变压器失电，J1、J2保持无输出状态。当复位按钮按下，J3失电，相应触点动作，变压器得电，当运动指令有信号输出时，J1、J2得电动作，J3保持失电状态，此时实现无输出保持状态。

现有技术方案当运动指令给控制器施加信号时，控制器有信号输出，当施加信号断开时，输出信号立即断开，只能作为一种开关量输出，当有物体遮挡时只能短时间停止工作，当遮挡物离开时，机器人继续运转，如果遇到紧急情况，不能及时停车，带来安全隐患。

下面结合具体分析对本发明作进一步描述。

继电信号输出控制器与FPGA控制组件无线连接；

FPGA控制组件连接多路功率驱动及信号采集组件；

多路功率驱动及信号采集组件通过导线连接步进电机/编码器组。

所述FPGA控制组件，包括Nios II微处理器、CAN控制器IP核、多路步进电机控制IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路步进电机控制IP核通过片内Avalon总线分别连通Nios II微处理器、CAN控制器IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路步进电机控制IP核连接多路功率驱动和位置及电流采集电路。

所述CAN控制器IP核，一端通过CAN通信接口电路连接上位机，另一端通过片内Avalon总线连接Nios II微处理器，用于实现Nios II微处理器与上位机之间的串行通讯；

所述Nios II微处理器，用于与上位机的数据交互，将上位机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路步进电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴步进电机控制器的状态信息反馈给上位机；

所述步进电机控制IP核，包括Avalon总线接口组件、速度剖面产生组件、细分电流计算组件、电流调节器、PWM输出组件、AD接口控制组件、电流调理组件、位置反馈处理组件和用于实现步进电机电流细分驱动和轨迹运动控制的时序规划组件。

下面结合原理对本实用新型作进一步描述。

本实用新型实施例提供的运动控制器包括：

通过CAN通信接口与上位机连接，至少集成有一组步进电机控制IP核，用于与上位机的通信，将上位机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路步进电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴步进电机控制器的状态信息反馈给上位机的FPGA控制组件；

与FPGA控制组件互逆连接，至少集成一组功率驱动和位置及电流采集电路，用于步进电机的功率驱动，以及将电机位置及电流的实时信号采集并反馈给FPGA控制组件的多路功率驱动及信号采集组件；

与多路功率驱动及信号采集组件互逆连接，至少设置一组步进电机/编码器，用于步进电机转子位置的实时检测的步进电机/编码器组；

所述FPGA控制组件，包括Nios II微处理器、CAN控制器IP核、多路步进电机控制IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路步进电机控制IP核通过片内Avalon总线分别连通Nios II微处理器、CAN控制器IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路步进电机控制IP核连接多路功率驱动和位置及电流采集电路。

所述CAN控制器IP核，一端通过CAN通信接口电路连接上位机，另一端通过片内Avalon总线连接Nios II微处理器，用于实现Nios II微处理器与上位机之间的串行通讯。

所述Nios II微处理器，用于与上位机的数据交互，将上位机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路步进电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴步进电机控制器的状态信息反馈给上位机。

所述步进电机控制IP核，包括Avalon总线接口组件、速度剖面产生组件、细分电流计算组件、电流调节器、PWM输出组件、AD接口控制组件、电流调理组件、位置反馈处理组件和时序规划模块；用于实现步进电机电流细分驱动和轨迹运动的控制；

所述Avalon总线接口组件，用于与Nios II微处理器的数据交互，接收Nios II微处理器过来的配置信息和运行信息，并将状态信息反馈给Nios II微处理器；

所述速度剖面产生组件用于根据配置信息和运行信息进行梯形速度剖面参数的运算，实时计算出每一个步进脉冲的控制周期，并生成步进脉冲信号CP和转向信号Dir；

所述细分电流计算组件用于根据步进脉冲信号CP和转向信号Dir计算步进电机两相绕组电流的给定值Ia*和Ib*；

所述AD接口控制组件用于控制外部的双通道AD转换器完成模数转换，以读取外部AD转换器的电流采样结果；

所述电流调理组件用于根据电流采样结果计算出步进电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；

所述电流调节器用于根据两相绕组电流的给定值Ia*和Ib*和反馈值Ia和Ib分别进行电流PI闭环运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；

所述PWM输出组件用于根据脉冲占空比信号Duty和转向信号Dir，以生成相应绕组电流控制所需的PWM信号；

所述位置反馈处理组件用于获取当前电机转子位置信息；

所述时序规划组件用于Avalon总线接口组件、速度剖面产生组件、细分电流计算组件、电流调节器、PWM输出组件、AD接口控制组件、电流调理组件、位置反馈处理组件的时序调度，使得它们按照一定的顺序执行以完成步进电机的控制。

所述功率驱动及信号采集组件，包括电平转换电路、驱动电路、功率H桥电路、电流传感器、电流调理电路、AD转换电路和位置调理电路；所述步进电机控制IP核输出的PWM信号经电平转换电路后接驱动电路的输入端；

所述驱动电路的输出端接功率H桥电路的输入端；

所述功率H桥电路的输出端接两相步进电机的一相绕组；

所述电流传感器串联在步进电机绕组回路中，用于绕组电流的采集，依次通过电流调理电路、AD转换电路和电平转换电路后接步进电机控制IP核的电流信号输入。

所述步进电机后端设置有光电编码器用于采集电机转子位置信号，依次通过位置调理电路、电平转换电路后接步进电机控制IP核的转子位置信号输入。

所述速度剖面产生组件根据Avalon总线接口组件的配置信息和运行信息；

首先计算出速度剖面各阶段所需的控制参数；按梯形速度剖面运行时，则加速阶段、匀速阶段和减速阶段的加速度a1、a2、a3分别为：

其中，启动速度为Fs，匀速速度为Fc，停止速度为Fe，加速步数为N1，匀速步数为N2，减速步数为N3；

其次实时计算出每一个步进脉冲的控制周期；由步进电机工作原理及运动学方程，得加速阶段、匀速阶段和减速阶段每个步进脉冲的步进周期Δti、Δtj和Δtk分别为：

最后生成相应的步进脉冲信号CP和转向信号Dir；步进电机在高速运行时，步进周期Δt的数值在us甚至ns量级，用计算出的步进周期Δt除以计数器的基本计数单位T，得到一个计数初值c0，将这个值写入到计数器中，并使之开始减1计数；

比较器的值为计数初值c0的一半；当计数器计数值大于比较器的值时，脉冲信号CP输出为低；反之输出为高；同时根据每个步进脉冲的控制周期Δt的符号，确定转向信号Dir值；若控制周期Δt为正，则转向信号Dir为1，否则为0。

细分电流计算组件根据Avalon总线接口组件的配置信息、速度剖面产生组件的步进脉冲信号CP和转向信号Dir，计算步进电机两相绕组电流的给定值Ia*和Ib*；步进电机绕组电流采用微步细分驱动方式时，其运算公式如下：

式(3)中，Imax为电机的绕组电流峰值，N为微步细分数，由微处理器通过Avalon总线接口组件设定；s为当前所需要的步数，由速度剖面产生组件输出的步进脉冲信号CP和方向信号Dir决定，当方向信号为1时，检测到步进脉冲信号的上升沿时步数s加1，否则s减1；

电流调理组件根据AD接口控制组件输出的两相绕组电流采样结果，依次进行数字滤波、零点漂移校正补偿、逆电流调理转换运算和锁存处理，计算得到步进电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；

电流调节器根据细分电流计算组件的两相绕组电流给定值Ia*和Ib*、电流调理组件的两相绕组电流反馈值Ia和Ib、以及Avalon总线接口组件的调节器控制参数，完成两路电流闭环算法运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；电流调节算法采用PI控制，其运算公式如下：

式(4)中，Kp、Ki为电流调节器的比例系数和积分系数，T为电流调节器的控制周期，由微处理器通过Avalon总线接口组件设置。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种运动控制器，其特征在于，所述的运动控制器包括信号隔离耦合器、信号处理器、继电信号输出控制器、复位按钮、停止锁存复位控制器；

信号隔离耦合器与所述的信号处理器电性连接，信号处理器与所述的继电信号输出控制器电性连接；

复位按钮与所述的停止锁存复位控制器连接，停止锁存复位控制器与所述的信号处理器和继电信号输出控制器电性连接；

继电信号输出控制器与FPGA控制组件无线连接；

FPGA控制组件连接多路功率驱动及信号采集组件；

多路功率驱动及信号采集组件通过导线连接步进电机/编码器组。

2.如权利要求1所述的运动控制器，其特征在于，所述FPGA控制组件，包括Nios II微处理器、CAN控制器IP核、多路步进电机控制IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路步进电机控制IP核通过片内Avalon总线分别连通Nios II微处理器、CAN控制器IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路步进电机控制IP核连接多路功率驱动和位置及电流采集电路。

3.如权利要求2所述的运动控制器，其特征在于，所述CAN控制器IP核，一端通过CAN通信接口电路连接上位机，另一端通过片内Avalon总线连接Nios II微处理器，用于实现NiosII微处理器与上位机之间的串行通讯；

所述Nios II微处理器，用于与上位机的数据交互，将上位机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路步进电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴步进电机控制器的状态信息反馈给上位机；

所述步进电机控制IP核，包括Avalon总线接口组件、速度剖面产生组件、细分电流计算组件、电流调节器、PWM输出组件、AD接口控制组件、电流调理组件、位置反馈处理组件和用于实现步进电机电流细分驱动和轨迹运动控制的时序规划组件。

4.如权利要求1所述的运动控制器，其特征在于，所述信号隔离耦合器的输入端连接外部运动数字信号输入器。

5.如权利要求1所述的运动控制器，其特征在于，所述继电信号输出控制器的输出端与外部机器人运动部件电连接。