CN213482670U - 一种基于fpga与usb通信的运动控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于运动控制器技术领域，公开了一种基于FPGA与USB通信的运动控制器，包括电源模块、时钟模块和FPGA主控模块，所述FPGA主控模块交互式连接有USB接口模块，所述USB接口模块与上位机交互式相连接；所述FPGA主控模块的输入端依次连接有电平转换模块和差分单端转换模块，所述差分单端转换模块的输入端通过光耦隔离输入模块与光栅编码器相连；所述FPGA主控模块的输出端连接有脉冲电压转换模块，所述脉冲电压转换模块的输出端通过光耦隔离输出模块与电机驱动器相连；所述FPGA主控模块用于在接收到所述电机运行的速度指令后，启动速度控制并发送脉冲到所述脉冲电压转换模块，之后经过所述光耦输出到所述电机驱动器，以驱动电机运行。提升了人机交互的灵活性。

Description

一种基于FPGA与USB通信的运动控制器

技术领域

本实用新型属于运动控制器技术领域，涉及一种基于FPGA与USB通信的运动控制器。

背景技术

运动控制(Motion Control)通常是指在复杂条件下将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。

运动控制器就是控制电动机的运行方式的专用控制器：比如电动机在由行程开关控制交流接触器而实现电动机拖动物体向上运行达到指定位置后又向下运行，或者用时间继电器控制电动机正反转或转一会停一会再转一会再停。

现在普遍使用PC机加PCI总线接口的运动控制卡进行伺服电机的运动控制。运动控制卡一般使用DSP和FPGA两个处理器完成运动控制的运算，结构较为复杂且成本较高。运动控制卡通过PCI接口安装在PC机的PCI插槽上，通过线缆外接到伺服驱动器接线盒上。可以看出，传统的PCI接口的运动控制器系统限制了人机交互的灵活性，使得在人机交互时须使用带有 PCI接口的计算机。

发明内容

本实用新型在于提供一种基于FPGA与USB通信的运动控制器，用于解决现有技术中传统的PCI接口的运动控制器系统限制了人机交互的灵活性的问题。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

一种基于FPGA与USB通信的运动控制器，包括电源模块、时钟模块和FPGA主控模块，所述FPGA主控模块交互式连接有USB接口模块，所述 USB接口模块与上位机交互式相连接；

所述FPGA主控模块的输入端依次连接有电平转换模块和差分单端转换模块，所述差分单端转换模块的输入端通过光耦隔离输入模块与光栅编码器相连；所述FPGA主控模块的输出端连接有脉冲电压转换模块，所述脉冲电压转换模块的输出端通过光耦隔离输出模块与电机驱动器相连；

所述电源模块用于向该运动控制器中的各模块供电；

所述USB接口模块用于将所述上位机发送的电机运行的速度指令或电机运行的相对位置指令传送至所述FPGA主控模块；

所述差分单端转换模块用于将所述光栅编码器发来的方波信号转换为单端式方波信号；

所述电平转换模块用于将所述单端式方波信号转换为所述FPGA主控模块可接收的电压值；

所述脉冲电压转换模块用于接收所述FPGA主控模块发送的脉冲信号，并将其通过所述光耦隔离输出模块输出到所述电机驱动器。

所述FPGA主控模块用于在接收到所述电机运行的速度指令后，启动速度控制并发送脉冲信号到所述脉冲电压转换模块，之后经过所述光耦隔离输出模块输出到所述电机驱动器，以驱动电机运行；

或在接收到所述电机运行的相对位置指令后，或位置控制并发送脉冲信号到所述脉冲电压转换模块，之后经过所述光耦隔离输出模块到所述电机驱动器，以驱动电机运行；并将接收到所述单端式方波信号与所述电机运行的相对位置指令进行比较，并发送相应的脉冲信号，直至所述电机到达指定位置。

所述FPGA主控模块包括相连的USB传输模块和CMD指令解析模块，所述CMD指令解析模块的输入端连接有中断信号发生器，输出端分别与插补控制模块、速度控制模块和位置控制模块相连；所述插补控制模块的输出端分别与直线插补模块、圆弧插补模块、位模式插补模块相连，所述插补控制模块与所述中断信号发生器相连接的支路输入端还分别与所述直线插补模块、圆弧插补模块、位模式插补模块相连接，所述速度控制模块与位置控制模块相连接的支路输出端还分别与所述直线插补模块、圆弧插补模块、位模式插补模块相连接；

所述USB传输模块用于接受所述电机运行的速度指令或电机运行的相对位置指令，并传送至所述CMD命令解析模块；

所述CMD命令解析模块用于接收并根据指令的类别启动相应的模式，并经所述插补控制模块控制所述直线插补模块、圆弧插补模块和位模式插补模块中的一个或多个模块启动；或在接收到所述中断信号发生器发来的中断信号后控制该运动控制器停止工作。

所述USB传输模块选用型号为CY68013的单片机芯片。

所述时钟模块用于向所述FPGA主控模块提供时钟振荡。

所述光耦隔离输入模块用于对所述光栅编码器发送的方波信号传输进行电气隔离；

所述光耦隔离输出模块用于对所述FPGA主控模块发送的脉冲信号进行电气隔离。

所述电源模块还用于向所述光栅编码器供电。

所述FPGA主控模块的型号为altera品牌的EP4C10F17C8。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供一种基于FPGA与USB通信的运动控制器，包括电源模块、时钟模块和FPGA主控模块，所述FPGA主控模块通过USB接口模块来与上位机交互式相连接。光栅编码器通过光耦隔离输入模块依次经过差分单端转换模块和电平转换模块与所述FPGA主控模块的输入端相连，所述差分单端转换模块的输入端与相连；所述FPGA主控模块的输出端连接有脉冲电压转换模块，所述脉冲电压转换模块的输出端通过光耦隔离输出模块与电机驱动器相连，电机驱动器用于控制电机动作。当FPGA主控模块接收到所述电机运行的速度指令后，启动速度控制并发送脉冲到所述脉冲电压转换模块，之后经过所述光耦输出到所述电机驱动器，以驱动电机运行；或在接收到所述电机运行的相对位置指令后，或位置控制并发送脉冲到所述脉冲电压转换模块，之后经过所述光耦输出到所述电机驱动器，以驱动电机运行；并将接收到所述光栅编码器信号与所述电机运行的相对位置指令进行比较，并发送相应的脉冲信号，直至所述电极到达指定位置。

本实用新型通过USB接口模块实现通信功能，数据传输可靠，运行稳定；并且通过采用FPGA主控模块，使电路有了更大的灵活性，对电机的动作控制更加可靠，并可根据需要更改程序，以使与上位机的互动灵活性大大提升。

附图说明

图1为本实用新型的总体结构图；

图2为本实用新型中FPGA主控模块的结构示意图；

图3为本实用新型中FPGA主控模块与USB芯片在slave fifo连接模式下的连接关系。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细的说明。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型提供一种基于FPGA与USB通信的运动控制器，参见图1，包括电源模块、时钟模块和FPGA主控模块，所述FPGA主控模块交互式连接有USB接口模块，所述USB接口模块与上位机交互式相连接；所述FPGA 主控模块的输入端依次连接有电平转换模块和差分单端转换模块，所述差分单端转换模块的输入端通过光耦隔离输入模块与光栅编码器相连；所述 FPGA主控模块的输出端连接有脉冲电压转换模块，所述脉冲电压转换模块的输出端通过光耦隔离输出模块与电机驱动器相连；所述电源模块用于向该运动控制器中的各模块供电；所述USB接口模块用于将所述上位机发送的电机运行的速度指令或电机运行的相对位置指令传送至所述FPGA主控模块；所述差分单端转换模块用于将所述光栅编码器发来的方波信号转换为单端式方波信号；所述电平转换模块用于将所述单端式方波信号转换为所述FPGA 主控模块可接收的电压值；所述脉冲电压转换模块用于接收所述FPGA主控模块发送的脉冲信号，并将其通过所述光耦隔离输出模块输出到所述电机驱动器。

本实用新型提供一种基于FPGA与USB通信的运动控制器，包括电源模块、时钟模块和FPGA主控模块，所述FPGA主控模块通过USB接口模块来与上位机交互式相连接。光栅编码器通过光耦隔离输入模块依次经过差分单端转换模块和电平转换模块与所述FPGA主控模块的输入端相连，所述差分单端转换模块的输入端与相连；所述FPGA主控模块的输出端连接有脉冲电压转换模块，所述脉冲电压转换模块的输出端通过光耦隔离输出模块与电机驱动器相连，电机驱动器用于控制电机动作。当FPGA主控模块接收到所述电机运行的速度指令后，启动速度控制并发送脉冲到所述脉冲电压转换模块，之后经过所述光耦隔离输出模块输出到所述电机驱动器，以驱动电机运行；或在接收到所述电机运行的相对位置指令后，或位置控制并发送脉冲到所述脉冲电压转换模块，之后经过所述光耦输出到所述电机驱动器，以驱动电机运行；并将接收到所述光栅编码器信号与所述电机运行的相对位置指令进行比较，并发送相应的脉冲信号，直至所述电极到达指定位置。

本实用新型通过USB接口模块实现通信功能，数据传输可靠，运行稳定；并且通过采用FPGA主控模块，使电路有了更大的灵活性，对电机的动作控制更加可靠，并可根据需要更改程序，以使与上位机的互动灵活性大大提升。

具体地，所述FPGA主控模块用于在接收到所述电机运行的速度指令后，启动速度控制并发送脉冲信号到所述脉冲电压转换模块，之后经过所述光耦输出到所述电机驱动器，以驱动电机运行；或在接收到所述电机运行的相对位置指令后，或位置控制并发送脉冲信号到所述脉冲电压转换模块，之后经过所述光耦隔离输出模块到所述电机驱动器，以驱动电机运行；并将接收到所述单端式方波信号与所述电机运行的相对位置指令进行比较，并发送相应的脉冲信号，直至所述电机到达指定位置。

如图2所示，所述FPGA主控模块包括相连的USB传输模块和CMD指令解析模块，所述CMD指令解析模块的输入端连接有中断信号发生器，输出端分别与插补控制模块、速度控制模块和位置控制模块相连；所述插补控制模块的输出端分别与直线插补模块、圆弧插补模块、位模式插补模块相连，所述插补控制模块与所述中断信号发生器相连接的支路输入端还分别与所述直线插补模块、圆弧插补模块、位模式插补模块相连接，所述速度控制模块与位置控制模块相连接的支路输出端还分别与所述直线插补模块、圆弧插补模块、位模式插补模块相连接；所述USB传输模块用于接受所述电机运行的速度指令或电机运行的相对位置指令，并传送至所述CMD命令解析模块；所述CMD命令解析模块用于接收并根据指令的类别启动相应的模式，并经所述插补控制模块控制所述直线插补模块、圆弧插补模块和位模式插补模块中的一个或多个模块启动；或在接收到所述中断信号发生器发来的中断信号后控制该运动控制器停止工作。

所述USB传输模块选用型号为CY68013的单片机芯片。

所述时钟模块用于向所述FPGA主控模块提供时钟振荡。

所述光耦隔离输入模块用于对所述光栅编码器发送的方波信号传输进行电气隔离；所述光耦隔离输出模块用于对所述FPGA主控模块发送的脉冲信号进行电气隔离。

所述电源模块还用于向所述光栅编码器供电。

所述FPGA主控模块的型号为altera品牌的EP4C10F17C8。

实施例

当上位机发送电机运行的速度指令到USB接口模块，USB接口模块将该电机运行的速度指令传送FPGA主控模块，FPGA主控模块在接收到指令后，控制该运动控制器处于速度模式下，并启动速度控制，具体为：FPGA 主控模块根据该电机运行的速度指令、按照一定的速度频率发送脉冲信号到脉冲电压转换模块，以进行脉冲电压转换。其中，FPGA主控模块输出的脉冲信号一般是高电平为0V、低电平为3.3V，转换后则是高电平为5V、低电平为0V；经过转换后的脉冲信号经过光耦隔离输出模块输送至外部的电机驱动器，以此驱动电机按照指令给的速度运行。

当上位机发送电机运行的相对位置指令到USB接口模块，USB接口模块将该电机运行的相对位置指令传送FPGA主控模块，FPGA主控模块在接收到指令后，控制该运动控制器处于位置模式下，并启动位置控制，具体为： FPGA主控模块根据该电机运行的相对位置指令、按照一定的速度频率发送脉冲信号到脉冲电压转换模块，以进行脉冲电压转换；经过转换后的脉冲信号经过光耦隔离输出模块输送至外部的电机驱动器，以此驱动电机按照指令向指定的位置运行。与此同时，电机开始运行，光栅编码器开始工作并发送差分式方波信号或者单端式方波信号，此方波信号的类别主要取决于外部编码器，光耦隔离输入模块将差分式方波信号或者单端式方波信号发送至差分单端转换模块进行转换，如果光栅编码器输出的是差分式方波信号则转换为单端式方波信号，如果光栅编码器输出的是单端式方波信号则无需转换。随后再传送至电平转换，将脉冲信号转换为FPGA可接收的电压值，并传至FPGA主控模块；FPGA主控模块将接收到光栅编码器发送的脉冲信号通过计数辫向产生计数值与上位机发送的位置命令信号进行比较，当位置命令信号等于编码器信号的计数值时，即停止发送脉冲，即控制电机停止动作；否则，保持发送反向脉冲或者正向脉冲，不断调整电机位置直到电机到达指定位置。

更具体地，在USB接口模块将该电机运行的速度指令传送FPGA主控模块后，USB传输模块接收到指令信号传送至CMD指令解析模块，CMD指令解析模块根据指令判断并控制该运动控制器处在位置控制模式或者速度控制模式，并根据不同的模式和运动指令启动插补控制模块开始工作。插补在数控系统中不可或缺，当工件或者刀具进行直线运动或者圆弧运动时，为了使其精度更高、控制速度更快，就会启动直线插补模块或者圆弧插补模块；当工件或者刀具需要从起点位置移动到终点位置时，位模式插补模块则开始工作，以保证其位置的精确性和高速控制性。

而当工作到指令要求的状态或者发生紧急停止信号时，中断信号发生器产生中断，使该运动控制器停止工作，直到接收到下一个指令。

其中，在slave fifo连接模式下，FPGA主控模块与USB芯片的具体连接关系如图3所示，

IFCLK：USB芯片输出的时钟，可作为通讯的同步时钟；

FLAGA、FLAGB、FLAGC：USB芯片内部输出的fifo缓存的状态信息，如满，空等；

SLCS：USB芯片内部的fifo缓存的片选信号，由FPGA主控模块控制，当slcs输出高时不可进行传输；

SLOE：USB芯片内部的fifo缓存的输出使能，由FPGA主控模块控制，当sloe无效时，数据线不输出有效数据；

SLRD：USB芯片内部的fifo缓存读信号，由FPGA主控模块控制；

SLWR：USB芯片内部的fifo缓存写信号，由FPGA主控模块控制；

PKEND：包结束信号，由FPGA主控模块控制；

FD[15:0]：为数据线；

FIFOADR[1:0]：选择USB芯片内部的fifo缓存四个端点的地址线，由 FPGA主控模块控制。

本实用新型的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本实用新型说明书而对本实用新型技术方案采取的任何等效的变换，均为本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于FPGA与USB通信的运动控制器，其特征在于，包括电源模块、时钟模块和FPGA主控模块，所述FPGA主控模块交互式连接有USB接口模块，所述USB接口模块与上位机交互式相连接；

所述FPGA主控模块的输入端依次连接有电平转换模块和差分单端转换模块，所述差分单端转换模块的输入端通过光耦隔离输入模块与光栅编码器相连；所述FPGA主控模块的输出端连接有脉冲电压转换模块，所述脉冲电压转换模块的输出端通过光耦隔离输出模块与电机驱动器相连；

所述电源模块用于向该运动控制器中的各模块供电；

所述USB接口模块用于将所述上位机发送的电机运行的速度指令或电机运行的相对位置指令传送至所述FPGA主控模块；

所述差分单端转换模块用于将所述光栅编码器发来的方波信号转换为单端式方波信号；

所述电平转换模块用于将所述单端式方波信号转换为所述FPGA主控模块可接收的电压值；

所述脉冲电压转换模块用于接收所述FPGA主控模块发送的脉冲信号，并将其通过所述光耦隔离输出模块输出到所述电机驱动器。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA与USB通信的运动控制器，其特征在于，所述FPGA主控模块用于在接收到所述电机运行的速度指令后，启动速度控制并发送脉冲信号到所述脉冲电压转换模块，之后经过所述光耦隔离输出模块输出到所述电机驱动器，以驱动电机运行；

或在接收到所述电机运行的相对位置指令后，或位置控制并发送脉冲信号到所述脉冲电压转换模块，之后经过所述光耦隔离输出模块到所述电机驱动器，以驱动电机运行；并将接收到所述单端式方波信号与所述电机运行的相对位置指令进行比较，并发送相应的脉冲信号，直至所述电机到达指定位置。

3.根据权利要求1或2所述的基于FPGA与USB通信的运动控制器，其特征在于，所述FPGA主控模块包括相连的USB传输模块和CMD指令解析模块，所述CMD指令解析模块的输入端连接有中断信号发生器，输出端分别与插补控制模块、速度控制模块和位置控制模块相连；所述插补控制模块的输出端分别与直线插补模块、圆弧插补模块、位模式插补模块相连，所述插补控制模块与所述中断信号发生器相连接的支路输入端还分别与所述直线插补模块、圆弧插补模块、位模式插补模块相连接，所述速度控制模块与位置控制模块相连接的支路输出端还分别与所述直线插补模块、圆弧插补模块、位模式插补模块相连接；

所述USB传输模块用于接受所述电机运行的速度指令或电机运行的相对位置指令，并传送至所述CMD命令解析模块；

所述CMD命令解析模块用于接收并根据指令的类别启动相应的模式，并经所述插补控制模块控制所述直线插补模块、圆弧插补模块和位模式插补模块中的一个或多个模块启动；或在接收到所述中断信号发生器发来的中断信号后控制该运动控制器停止工作。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA与USB通信的运动控制器，其特征在于，所述USB传输模块选用型号为CY68013的单片机芯片。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA与USB通信的运动控制器，其特征在于，所述时钟模块用于向所述FPGA主控模块提供时钟振荡。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA与USB通信的运动控制器，其特征在于，所述光耦隔离输入模块用于对所述光栅编码器发送的方波信号传输进行电气隔离；

所述光耦隔离输出模块用于对所述FPGA主控模块发送的脉冲信号进行电气隔离。

7.根据权利要求1所述的基于FPGA与USB通信的运动控制器，其特征在于，所述电源模块还用于向所述光栅编码器供电。

8.根据权利要求1所述的基于FPGA与USB通信的运动控制器，其特征在于，所述FPGA主控模块的型号为altera品牌的EP4C10F17C8。

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