KR20190045601A - An extendable embedded multi-asis motion controller with industrial electric noise immunity - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다관절 로봇 등을 움직이는 서보 모터들을 제어하는 임베디드(embedded) 다축(Multi-Axis) 모션(Motion) 제어기에 관한 것으로서, 임베디드 다축 모션 제어기를 사용하는 목적에 맞게 축제어장치 수와 입/출력장치 수를 늘리거나 줄일 수 있도록, 임베디드 다축 모션 제어기를 제어보드, 축제어보드 및 입/출력보드 등으로 분리 구성하고 이들을 서로 연결하여 연동하는 인터페이스를 구성함으로써, 이 인터페이스를 통해 제어보드, 축제어보드 및 입/출력보드들이 연동되는 구조를 갖도록 하는, 산업 전기잡음 내성을 갖는 확장형 임베디드 다축 모션 제어기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로 포장로봇, 적재로봇, 가공로봇, 포장기 등의 제어에 사용되는 임베디드 다축 모션 제어기는 축제어(서보 모터 제어) 외에 기구부의 이동 한계점과 이동 대상 물체와 작업환경을 감지하는 다수의 입력장치 및 부수적인 제어를 담당하는 다수의 출력장치를 구비하고 있다. In general, the embedded multiaxis motion controller used for controlling the packaging robot, the loading robot, the processing robot, and the packing machine is composed of a plurality of input devices for sensing the moving limit of the mechanical part, the moving object and the working environment, And a plurality of output devices that are responsible for incidental control.
종래 기술인 특허 문헌1에는 다축 모션 제어 회로는 호스트 컴퓨터로부터 다축 모션 시스템의 제어명령을 수신하고 상기 제어 명령에 상응하는 응답을 출력하는 외부 인터페이스 모듈; 하나 이상의 보간방법을 이용하여 다축 보간을 수행하는 보간 모듈; 다축 모션 시스템의 단말장치(End Effector)를 주어진 위치로 이동시키기 위한 역 키네메틱스 계산을 수행하는 역 키네메틱스 계산 모듈; 속도 파형을 생성하여 출력하는 펄스 적분모듈로 출력하는 속도 파형 생성 모듈; 매 샘플링 시간마다 발생한 펄스를 누적하여 PID 제어 모듈로 출력하는 펄스 적분 모듈; 모터의 회전 방향과 위치 정보를 생성하여 PID 제어 모듈로 출력하는 피드백 카운터 모듈; 데이터 변환 모듈로 상기 모터의 위치 제어 신호를 출력하는 PID 제어 모듈; 상기 모터의 입력 특성에 상응하도록 출력 데이터를 변환하는 데이터 변환 모듈; 및 상기 모듈 중 하나 이상으로 클럭을 생성하여 출력하는 클럭 발생 모듈을 포함하는 다축 모션 제어 회로 및 장치가 기재되어 있다.In the prior
일반적으로 임베디드 다축 모션 제어기로는 도 1에 도시된 바와 같이 마이크로 컨트롤러와 축제어기와 입/출력장치들을 하나 또는 두 개의 보드로 제작하여 하나의 기구물에 장착하는 일체형 임베디드 다축 모션 제어기와, 도 2에 도시된 것처럼 다축 모션 제어기 기능을 제어보드와 축제어보드 그리고 몇 개의 입/출력보드로 구성하고 이들 보드들을 연결하여 연동하도록 하는 인터페이스를 통해 연동함으로써 동작되는 확장형 임베디드 다축 모션 제어기가 있다. As shown in FIG. 1, the embedded multi-axis motion controller generally includes an integrated multi-axis motion controller for mounting a microcontroller, a focal plane and input / output devices on one or two boards, As shown, there is an expandable embedded multi-axis motion controller that operates by interlocking the multi-axis motion controller functions with a control board, a flare board, and a few input / output boards and connecting them to each other.
일체형 임베디드 다축 모션 제어기는 한 개 또는 두 개의 PCB(인쇄회로기판) 보드에 마이크로 컨트롤러, 축제어기 및 입/출력장치들을 구성하고 PCB 보드 형태에 맞추어 기구물을 제작하는 형태로서 가장 경제적인 구조라는 장점이 있으나, 축제어기 수를 늘리거나 입/출력장치 수를 늘리거나 줄이려면 PCB 보드와 기구물을 다시 제작해야 하는 문제점이 있다.All-in-one embedded multi-axis motion controller is one of the most economical structures to construct microcontroller, fader and input / output devices on one or two PCB (printed circuit board) However, there is a problem that it is necessary to re-manufacture the PCB board and the apparatus in order to increase the number of fades and increase or decrease the number of input / output devices.
확장형 임베디드 다축 모션 제어기는 제어보드와 축제어보드와 입/출력보드가 분리 제작되고 각 보드에 맞추어 기구물이 제작되므로 축제어기 수와 입/출력장치 수가 정해진 일체형 임베디드 다축 모션 제어기와 달리 사용 목적에 따라 축제어기 수를 늘리려면 축제어보드 수를 늘리면 되고 입/출력장치 수를 늘리려면 입/출력보드 수를 늘리면 되므로 다양한 축제어기 수와 다양한 입/출력장치 수를 만들 수 있는 장점이 있다.Expanded embedded multi-axis motion controller is different from unified multi-axis motion controller in which control board, boarder board and input / output board are manufactured separately, The number of I / O boards can be increased by increasing the number of I / O boards and increasing the number of I / O boards by increasing the number of I / O boards.
그러나, 제어보드와 축제어보드를 연결하는 인터페이스 및 제어보드와 입/출력보드를 연결하는 인터페이스를 적합하게 제작하는 표준화된 규격이 없어 독자적 방법으로 설계해야 하는 문제점, 이들 연결 인터페이스가 보드들 간에 데이터 전송의 병목현상을 일으키는 문제점, 인터페이스의 제한으로 인한 입/출력장치 수의 제한을 초래하는 문제점, 및 이들 인터페이스를 통해 산업현장의 전기잡음이 유입되어 장치의 오동작을 발생시킬 수 있다는 문제점이 있다. However, there is no standardized standard for appropriately designing an interface for connecting a control board and a board-to-board and an interface for connecting a control board and an input / output board. Therefore, There is a problem that it causes a bottleneck of transmission, a problem that limits the number of input / output devices due to limitation of interfaces, and a problem that electric noise of an industrial site is introduced through these interfaces and malfunction of the device occurs.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 축제어기가 16개 이하의 임베디드 다축 모션 제어기에 적합한 확장형 임베디드 다축 모션 제어기로, 제어보드에 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 두어 축제어 전용 명령을 처리할 수 있도록 하여 축제어 명령 수를 줄이고, 제어보드와 축제어보드 간의 연결 인터페이스로 주소버스와 데이터버스와 리셋, 입/출력 외에 축제어 칩 선택, 긴급정지, 홈 동작제어, 수동동작제어, 축제어동작 알림 등을 추가하여 축제어 주소 선정 및 명령과 데이터 전송을 빠르게 함으로써 제어보드와 축제어보드 간에 데이터 전송의 병목현상을 일으키는 문제점을 줄이고, 제어보드와 축제어보드 간의 연결 인터페이스 신호선들을 라인 드라이버(Line Driver)로 증폭하여 산업 전기잡음에 대한 신호대잡음비를 높게 하여 제어보드와 축제어보드 간의 연결 인터페이스에 유입되는 산업현장 전기잡음에 따른 오동작이 발생하는 문제를 해결하며, 제어보드와 입/출력보드 간의 연결 인터페이스는 산업표준인 I2C(Inter Integrated Circuit) 버스 통신방식 3회선을 사용하여 데이터 전송 대역폭(Bandwidth)을 늘려서 데이터 송수신 병목현상을 일으키는 문제점을 해결하고, 정전용량을 낮추는 리피터 버퍼(Repeater Buffer)를 두어 입/출력장치 수의 제한을 해결하고, 바이패스 커패시터(Bypass Capacitor)와 산업현장 전기잡음을 고속방전하는 TVS(Transient Voltage Suppression) 소자를 연동시켜서 제어보드와 입/출력보드 간의 연결 인터페이스에 유입되는 산업 전기잡음을 접지로 우회시켜서 산업현장 전기잡음에 따른 오동작이 발생하는 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to solve the problems of the prior art described above, and it is an object of the present invention to provide an expandable embedded multi-axis motion controller suitable for 16 or fewer embedded multi-axis motion controllers, Dedicated commands can be processed to reduce the number of command words, and the interface between the control board and the board controller can be used for address bus, data bus, reset and input / output as well as flip chip selection, emergency stop, Operation control, and notification of the operation of the bus word, thereby reducing the problem of causing a bottleneck in the data transfer between the control board and the board board by speeding up the selection of the bus address and the command and data transmission, Signal lines are amplified by a line driver to increase the signal-to-noise ratio for industrial electrical noise (I2C) inter-integrated circuit (I2C) bus, which is an industry standard, and solves the problem of erroneous operation due to industrial field electric noise introduced into the connection interface between the control board and the board- Communication system Three lines are used to increase the data transmission bandwidth to solve the problem of causing data transmission and reception bottleneck and to solve the limitation of the number of input / output devices by providing a repeater buffer for lowering the capacitance, Bypass capacitors and a TVS (Transient Voltage Suppression) element that discharges industrial field electric noise at high speed can bypass the industrial electric noise flowing into the connection interface between the control board and the input / output board to the ground, And a problem that a malfunction occurs in accordance with the operation of the apparatus.
또한, 본 발명은 사용자 인터페이스를 제공하기 위한 GUI(Graphic User Interface) 처리보드와 차동(Differential) I2C 신호 케이블 또는 이더넷으로 연결되어 GUI를 제공하도록 하는 또 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a GUI through a GUI (Graphic User Interface) processing board for providing a user interface and a differential I2C signal cable or Ethernet.
상기한 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 산업 전기잡음 내성을 갖는 확장형 임베디드 다축 모션 제어기는, 마이크로 컨트롤러, 메인 버스, 메모리장치, 입출력시스템제어장치, 이더넷장치 등을 포함하는 제어보드; 축제어장치를 포함하는 축제어보드; 및 입출력장치를 포함하는 입출력보드를 포함하되, 상기 제어보드는, 축제어 명령 중 빈번하게 사용되는 보간연산을 포함하는 소정의 명령들을 처리하도록 프로그램되는 FPGA; 및 제어보드측 제어버스 인터페이스에서 축제어칩을 선택하면 선택된 축제어칩 내의 주소를 지정하고 주소버스 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 제어보드측 주소버스 인터페이스와, 선정된 주소에 쓰기 동작을 할 때 데이터버스 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 제어보드측 데이터버스 인터페이스, 및 상기 제어보드에서 상기 축제어보드로 가는 제어버스에 축제어칩 선택, 긴급정지, 수동동작제어, 홈 귀환 동작을 처리하는 제어 신호선을 추가하고 제어버스 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 상기 제어보드측 제어버스 인터페이스를 포함하여 구성되는 제어보드측 축제어보드 연결 인터페이스를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided an expansion type embedded multiaxis motion controller having an industrial electrical noise immunity, including: a control board including a microcontroller, a main bus, a memory device, an input / output system controller, and an Ethernet device; A fancy speech board including a fancy speech unit; And an input / output board including an input / output device, wherein the control board includes: an FPGA programmed to process predetermined instructions including an interpolation operation frequently used in a firing command; And a control board side address bus interface for selecting a fader chip on the control board side control bus interface to increase the signal to noise ratio by specifying an address in the selected fader chip and amplifying the address bus signal, A control board side data bus interface for amplifying a bus signal to increase a signal to noise ratio, and a control signal line for processing a control bus to the control board from the control board to emergency stop, emergency stop, manual operation control, And a control board side control bus interface configured to amplify a control bus signal to increase a signal-to-noise ratio.
또한, 상기 축제어보드는, 상기 제어보드가 읽기 동작을 할 때 상기 축제어보드에서 상기 제어보드로 전달할 데이터버스 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 축제어보드측 데이터버스 인터페이스와, 상기 제어보드에서 상기 축제어보드로 보낸 명령의 처리 결과를 상기 축제어보드에서 상기 제어보드로 전달하는 제어 신호선과 연속 보간용 인터럽트 요구 신호선을 추가한 제어버스 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 축제어보드측 제어버스 인터페이스를 포함하여 구성되는 축제어보드측 제어보드 연결 인터페이스를 포함한다.Also, the board-to-board may include a bus board-side data bus interface for amplifying a data bus signal to be transferred from the board board to the control board when the control board performs a read operation to increase a signal-to-noise ratio, And a control bus line for adding a control signal line for transferring the processing result of the command sent to the board board to the control board from the board board to the control board and a control bus signal to which an interruption request signal line for continuous interpolation is added to increase the signal- Side control board connection interface configured to include a control bus interface.
또한, 상기 제어보드에 구비되는 제어보드측 입출력보드 연결 인터페이스 및 상기 입출력보드에 구비되는 입출력보드측 제어보드 연결 인터페이스는 서로의 인터페이스를 위하여, 고속으로 동작하며 극소정전용량을 갖는 TVS, 극소용량 바이패스 커패시터가 구비되어 산업현장 전기잡음을 접지로 우회시키는 전기잡음 우회접지장치 및 I2C 정전용량을 낮추는 리피터 버퍼를 각각 구비하면서, 400Kbps로 통신하는 I2C 버스 3회선을 사용하여 데이터 통신 대역폭을 증대시키도록 구성되는 것을 특징으로 한다.Also, the control board side input / output board connection interface provided on the control board and the input / output board side control board connection interface provided on the input / output board are connected to each other through a TVS, To increase data communication bandwidth using three lines of I2C bus communicating at 400 Kbps, each equipped with an electric noise bypassing grounding device and a repeater buffer for lowering I2C capacitance, equipped with a pass capacitor to bypass industrial field electrical noise to ground .
또한, 본 발명은 상기 제어보드와 GUI 처리보드를 I2C 버스로 연결하는 케이블의 경우에, 케이블 구간이 산업현장에서 무선으로 방사되는 전기잡음 유기에 대한 내성을 갖도록 상기 제어보드와 상기 GUI 처리보드에 각각 구비되어 케이블 구간이 차동 신호로 변환된 I2C 버스 구간으로 되도록 변환하는 I2C 차동신호 변환역변환 장치를 갖는 것을 특징으로 한다.In the case of a cable connecting the control board and the GUI processing board to the I2C bus, the cable section is connected to the control board and the GUI processing board so as to have immunity against electric noise emission radiated in the industrial field wirelessly. And an I2C differential signal conversion inverse converter for converting the cable section into an I2C bus section converted into a differential signal.
또한, 상기 입출력보드는, 내부에 I2C 정전용량을 낮추는 리피터 버퍼를 추가하여 입출력장치 수를 확장하는 것을 특징으로 한다.The input / output board may further include a repeater buffer for lowering the I2C electrostatic capacity therein to expand the number of input / output devices.
따라서 본 발명의 산업 전기잡음 내성을 갖는 확장형 임베디드 다축 모션 제어기는 제어보드와 축제어보드 간의 연결 인터페이스에서 발생되는 데이터 전송 병목현상을 없애어 다수의 축제어보드를 제어보드에 연결할 수 있게 하며, 제어보드와 입/출력보드 간의 연결 인터페이스에서 발생하는 데이터 병목현상을 줄이고 연결할 수 있는 입/출력장치 수의 제한을 늘려서 충분한 입/출력장치 수를 제공하여 다양한 축제어보드 수와 다양한 입/출력보드 수를 갖는 임베디드 다축 모션 제어기를 제공하는 효과가 있다.Therefore, the extended embedded multi-axis motion controller having industrial noise immunity of the present invention eliminates the data transfer bottleneck occurring at the connection interface between the control board and the board control board, thereby connecting a plurality of board control boards to the control board. The number of input / output devices can be reduced by reducing the number of input / output devices that can be connected and reducing the data bottleneck caused by the interface between the board and the input / output board. And an embedded multi-axis motion controller.
또한, 연결 인터페이스로 유입되는 산업현장 전기잡음에 대한 보호 및 내성을 제공하여 연결 인터페이스로 유입되는 산업현장 전기잡음으로 인한 임베디드 다축 모션 제어기의 오동작 발생을 감소시킴으로써 다축 모션 제어기의 오동작으로 인한 제품불량과 기계부품의 훼손으로 인한 생산 중단 등의 피해를 대폭 감소시키는 효과가 있다.In addition, it provides protection and immunity against industrial field electric noise introduced into the connection interface, thereby reducing the occurrence of malfunction of the embedded multi-axis motion controller due to the industrial field electric noise introduced into the connection interface, It has the effect of drastically reducing the damage caused by the breakdown of the machine parts and the production interruption.
또한, 본 발명의 산업 전기잡음 내성을 갖는 확장형 임베디드 다축 모션 제어기는 GUI 처리보드를 연결하는 I2C 케이블에 방사성 전기잡음 내성을 갖는 차동 I2C 신호로 통신하는 기능을 제공하는 다른 효과가 있다.Further, the scalable embedded multi-axis motion controller with industrial electrical noise immunity of the present invention has another effect of providing the function of communicating the I2C cable connecting the GUI processing board with a differential I2C signal having radioactive electrical noise immunity.
도 1은 종래의 일체형 임베디드 다축 모션 제어기의 구성도이고,
도 2는 종래의 확장형 임베디드 다축 모션 제어기의 구성도이고,
도 3은 모터를 구동하는 서보 드라이버와 인버터에 내장된 IGBT에서 발생하는 잡음 그래프로서, 모터를 구동하기 위해 450V/20A 및 5KHz 스위칭 속도로 IGBT를 구동할 때 발생하는 주파수대역에 대한 잡음신호 크기 그래프이고,
도 4는 국가기술표준원의 KC 61000-4-4 전기자기 적합성 제4-4부 전기적 과도현상/버스트 내성시험 규격의 시험신호 발생 파형 도형이고,
도 5는 본 발명의 제어보드와 축제어보드 간의 연결 인터페이스 구성도이고,
도 6은 본 발명의 제어보드와 입출력보드 간의 연결 인터페이스 구성도이며,
도 7은 본 발명의 모션 제어기와 GUI 처리보드 간의 연결 인터페이스 구성도이다.1 is a configuration diagram of a conventional integrated type multi-axis motion controller,
FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional extended-type embedded multi-axis motion controller,
Fig. 3 is a noise graph generated by a servo driver for driving a motor and an IGBT built in an inverter. Fig. 3 is a graph showing a noise signal magnitude for a frequency band generated when an IGBT is driven at 450V / 20A and 5KHz switching speeds for driving a motor ego,
FIG. 4 is a waveform diagram of test signal generation waveforms of the electrical transient phenomenon / burst immunity test specification of KC 61000-4-4 Electromagnetic Compatibility Section 4-4 of the National Institute of Standards and Technology,
FIG. 5 is a configuration diagram of a connection interface between the control board and the board control board of the present invention,
6 is a configuration diagram of a connection interface between the control board and the input / output board of the present invention,
7 is a connection interface diagram between the motion controller and the GUI processing board of the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 하며, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may obscure the subject matter of the present invention. .
도 5는 본 발명의 제어보드와 축제어보드 간의 연결 인터페이스 구성도이고, 도 6은 본 발명의 제어보드와 입출력보드 간의 연결 인터페이스 구성도이며, 도 7은 본 발명의 모션 제어기와 GUI 처리보드 간의 연결 인터페이스 구성도이다. 6 is a diagram illustrating a connection interface between a control board and an input / output board of the present invention, and FIG. 7 is a diagram illustrating a connection interface between a motion controller and a GUI processing board according to the present invention. Connection interface.
도 5 내지 7에 도시된 바와 같이, 본원발명의 산업 전기잡음 내성을 갖는 확장형 임베디드 다축 모션 제어기는, 마이크로 컨트롤러(100), 메인 버스(110), 메모리장치(120), 입출력시스템제어장치(130), 이더넷장치(140) 등을 포함하는 제어보드(10); 축제어장치를 포함하는 축제어보드(20); 및 입출력장치를 포함하는 입출력보드(30);를 포함한다.5 to 7, the expansion type embedded multiaxis motion controller with industrial electrical noise immunity according to the present invention includes a
메인 버스(100)에는 주소버스(111), 데이터버스(112), 제어버스(113)가 포함된다.The
제어보드(10)는, 보간연산을 포함하는 축제어 명령 중 빈번하게 사용되는 명령을 처리하도록 프로그램되는 FPGA(300); 및 제어보드측 제어버스 인터페이스(173)에서 축제어칩을 선택하면 선택된 축제어칩 내의 주소를 지정하고 주소버스(111) 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 제어보드측 주소버스 인터페이스(171)와, 선정된 주소에 쓰기 동작을 할 때 데이터버스(112) 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 제어보드측 데이터버스 인터페이스(172), 및 제어보드(10)에서 축제어보드(20)로 가는 제어버스(113)에 축제어칩 선택, 긴급정지, 수동동작제어, 홈 귀환 동작을 처리하는 제어 신호선을 추가하고 제어버스(113) 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 제어보드측 제어버스 인터페이스(173)로 구성되는 제어보드측 축제어보드 연결 인터페이스(170)를 포함한다.The control board (10) includes: an FPGA (300) programmed to process a frequently used command among a fancy command that includes an interpolation operation; And a control board side
축제어보드(20)는, 제어보드(10)가 읽기 동작을 할 때 축제어보드(20)에서 제어보드(10)로 전달할 데이터버스(112) 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 축제어보드측 데이터버스 인터페이스(182)와, 제어보드(10)에서 축제어보드(20)로 보낸 명령의 처리 결과를 축제어보드(20)에서 제어보드(10)로 전달하는 제어 신호선과 연속 보간용 인터럽트 요구 신호선을 추가한 제어버스(113) 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 축제어보드측 제어버스 인터페이스(183)로 구성되는 축제어보드측 제어보드 연결 인터페이스(180)를 포함한다.The
도 5는 도 2에 도시된 종래의 확장형 임베디드 다축 모션 제어기에 있어서 본 발명의 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 연결 인터페이스를 설명하기 위해 필요한 부분만 도시한 도면이므로, 도 5에 나타내지 않은 도 2의 장치들 모두 도 5에 포함된 것으로 봐야 한다. 5 is a diagram showing only a portion necessary for explaining the connection interface between the
도 2에 도시된 바와 같은 종래 확장형 임베디드 다축 모션 제어기는 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 연결 인터페이스가 데이터 전송 병목현상을 일으키는 문제점과 제어보드(10)와 입출력보드(30) 간의 연결 인터페이스가 데이터 전송 병목현상을 일으키는 문제점이 있다. 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 연결 인터페이스의 데이터 전송 병목현상은 송수신할 수 있는 데이터 용량을 제한하게 되어 사용할 수 있는 축제어보드(20) 수를 제한하게 된다. 따라서 다수의 축제어보드(20)를 제어보드(10)에 연결하여 사용하기 위해서는 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 연결 인터페이스의 데이터 전송을 빠르게 하여 데이터 전송 병목현상이 발생하는 문제점을 해결하여야 한다. The conventional extended embedded multiaxial motion controller as shown in FIG. 2 has a problem that a connection interface between the
본 발명에서 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 데이터 전송을 빠르게 하는 방법으로 FPGA(300)를 사용하고, 제어보드(10)에서 축제어보드(20)에 내장된 축제어칩을 직접 지정하고 축제어칩(142)의 주소에 직접 데이터를 쓰고 읽을 수 있도록 축제어칩 선택과 축제어칩 내 주소를 지정하여 데이터 송수신하는 방법을 제공한다. In the present invention, the FPGA 300 is used as a method of speeding up data transfer between the
또한 긴급정지, 수동동작제어, 홈귀환 동작을 처리하는 제어 신호선을 제어 버스에 추가하고 축제어보드(20)가 제어보드(10)에서 보낸 명령의 처리 결과를 제어보드(10)로 보내는 제어 신호선 및 연속보간용 인터럽트 요구 신호선을 제어 버스에 추가하여 명령처리 결과를 제어보드(10)에서 바로 알아서 다음 명령을 보낼 수 있도록 함으로써 데이터 전송을 빠르게 하여 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 연결 인터페이스에서 발생하는 병목현상을 줄이는 장치를 제공한다.A control signal line for processing an emergency stop, a manual operation control, and a home return operation is added to the control bus, and a control signal line for sending the processing result of the command sent from the
도 5에 도시된 바와 같이, 종래 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 연결 인터페이스에서 발생하는 데이터 전송 병목현상은 본 발명의 FPGA(300)와 제어보드측 축제어보드 연결 인터페이스(170) 및 축제어보드측 제어보드 연결 인터페이스(180)를 통해 감소시키고, 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간에 연결 인터페이스에 유입되는 산업현장 전기잡음은 제어보드측 축제어보드 연결 인터페이스(170)와 축제어보드측 제어보드 연결 인터페이스(180)를 통해 감소시키도록 한다.5, the data transfer bottleneck phenomenon occurring at the connection interface between the
FPGA(300)는 제어보드(10) 내에 구비되어 축제어 명령 중에서 빈번하게 사용되는 보간연산 등을 마이크로 컨트롤러(100)에서 수행하지 않고 FPGA(300) 자체에서 처리하도록 프로그램하여 축제어 명령어의 처리 속도를 높이고, 단위 시간당 처리해야 하는 축제어 명령 수를 줄여 준다. 따라서 FPGA(300)는 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 연결 인터페이스로 전달할 축제어 명령 수를 줄여 줌으로써 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 연결 인터페이스에서 발생하는 데이터 전송 병목현상을 감소하게 된다. The FPGA 300 is provided in the
따라서 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 연결 인터페이스는 본 발명의 제어보드측 주소버스 인터페이스(171), 제어보드측 데이터버스 인터페이스(172) 및 제어보드측 제어버스 인터페이스(173)와, 축제어보드측 데이터버스 인터페이스(182), 축제어보드측 제어버스 인터페이스(183)를 사용한 직접 주소 지정 데이터 입출력 방식의 가장 빠른 데이터 송수신 장치로 구성되고, 축제어 전용 제어인 축제어칩 선택, 긴급정지, 수동동작제어, 홈 귀환과 연속 보간용 인터럽트 요구신호 제어로 축제어 명령이 빠르게 처리되도록 하여 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 연결 인터페이스에서 발생하는 데이터 전송 병목현상을 대폭 완화하도록 한다.Therefore, the connection interface between the
또한, 주소버스(111) 신호와 데이터버스(112) 신호 및 제어버스(113) 신호를 라인 드라이버(Line Driver)로 증폭하여 신호대잡음비를 향상시킴으로써 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 연결 인터페이스에 유입될 수 있는 전기잡음에 대한 내성을 강화하여 산업현장에서 발생하는 전기잡음이 제어보드(10)와 축제어보드(20)의 연결 인터페이스로 유입되어 모션 제어기가 오동작하게 되는 빈도를 줄이도록 한다.In addition, by amplifying the
즉, 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 연결 인터페이스에 산업현장에서 발생되는 전기잡음에 대한 보호/내성을 주는 장치로 전기잡음에 대한 신호대잡음비를 증대시키는 장치로 제공한다. 신호대잡음비를 증대시키는 장치는 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 연결 인터페이스에 사용되는 버스 신호선 중 출력 측에 해당하는 버스 신호선에 라인 드라이버로 신호 전류를 10배 정도 증폭시켜서 증폭되기 전 신호대잡음비에 비하여 10배 이상 향상시킴으로써 제어보드(10)와 축제어보드(20) 간의 연결 인터페이스의 산업현장 전기잡음에 대한 보호/내성을 10배 정도 증대시킨다.That is, the present invention provides an apparatus for increasing the signal-to-noise ratio of electrical noise by providing a protection / immunity against electrical noise generated at an industrial site in a connection interface between the
도 6은 도 2의 종래 확장형 임베디드 다축 모션 제어기에서 본 발명의 제어보드(10)와 입출력보드(30) 간의 연결 인터페이스를 설명하기 위해 필요한 부분만 도시한 도면으로서, 도 6에 표시되지 않은 도 2의 장치들 모두 도 6에 포함된 것으로 보아야 한다.6 is a diagram showing only a part necessary for explaining the connection interface between the
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제어보드(10)에 구비되는 제어보드측 입출력보드 연결 인터페이스(190) 및 입출력보드(30)에 구비되는 입출력보드측 제어보드 연결 인터페이스(200)는, 서로의 인터페이스를 위하여 고속으로 동작하며 극소정전용량을 갖는 TVS(미도시)와 극소용량 바이패스 커패시터(미도시)가 구비되어 산업현장 전기잡음을 접지로 우회시키는 전기잡음 우회접지장치(191, 201) 및 I2C 정전용량을 낮추는 리피터 버퍼(192, 202)를 각각 구비하면서, 400Kbps로 통신하는 I2C 버스(160) 3회선을 사용하여 데이터 통신 대역폭을 증대시키도록 구성된다.6, the control board side input / output
제어보드(10)와 입출력보드(30) 간의 연결 인터페이스에서 발생하는 데이터 전송 병목현상과, 입출력장치 수 제한과, 제어보드(10)와 입출력보드(30) 간의 연결 인터페이스에 유입되는 산업현장 전기잡음 등은, 제어보드측 입출력보드 연결 인터페이스(190)와 입출력보드측 제어보드 연결 인터페이스(200)를 통해 감소하거나 해결하게 된다.The number of input / output devices, and the connection interface between the
전기잡음 우회접지장치(191)는 도 3에 나타낸 것처럼 모터제어 인버터와 서보모터 드라이버에 내장된 IGBT(Insulated-gate bipolar transistor)에서 발생되는 전도성 EMI(Electro Magnetic Interference) 잡음이 전원을 타고 유입되는 과정에서 전원부에서 제거되지 못한 20MHz 이상의 주파수 대역 IGBT 전도성 잡음을 접지로 우회시키고, 도 4에 나타낸 것처럼 산업현장에서 발생하는 현상을 시뮬레이션한 시험규격인 KC 61000-4-4 전기적 빠른 과도현상/버스트 내성시험 레벨 4인 4KV 전압으로 발생하는 빠른 과도현상 전압이 제어보드(10)와 입출력보드(30) 간의 연결 인터페이스로 유입되는 것을 고속으로 동작하며 극소정전용량을 갖는 TVS가 접지로 우회시킴으로써, 제어보드(10)와 입출력보드(30) 간의 연결 인터페이스로 유입될 수 있는 전기잡음에 대한 내성을 제공하도록 한다.As shown in FIG. 3, the electrical noise-bypassing
즉, 제어보드(10)와 입출력보드(30) 간의 연결 인터페이스에 산업현장에서 발생하는 전기잡음에 대한 보호/내성을 주는 장치로서, 산업 전기잡음을 접지로 우회시키는 바이패스 커패시터와 산업 전기잡음을 접지로 고속방출하는 TVS 소자를 연동시켜서 20MHz보다 큰 주파수 대역에서 발생하는 산업현장 전기잡음과 전기적 빠른 과도현상의 고압 전기잡음을 감축시킨다. In other words, a device for providing protection / immunity against electrical noise generated at industrial sites in a connection interface between the
본 발명의 다축 제어기는 서보 모터와 함께 사용되므로 서보 모터 드라이버에 내장된 IGBT에서 발생하는 20MHz 상위의 주파수 대역 전기잡음이 유입되는데 이 산업현장 전기잡음을 접지로 우회시키는 바이패스 커패시터가 IGBT 전기잡음을 1/10배 정도로 저감시킨다. 또한 산업현장에서 전기적 빠른 과도현상/버스트로 발생하는 KV 단위의 순간 고압 잡음전압은 전기잡음을 접지로 고속방출하는 TVS 소자가 접지로 방출한다.Since the multi-axis controller of the present invention is used together with a servo motor, the electric noise of a frequency band higher than 20 MHz generated in the IGBT built in the servo motor driver flows into the bypass capacitor which bypasses the industrial field electric noise to the ground. It reduces to 1/10 times. In addition, the instantaneous high-voltage noise voltage in the KV unit generated by an electrical fast transient phenomenon / burst in the industrial field emits the TVS element that emits electric noise to the ground at high speed to the ground.
또한, I2C 버스 길이 증가 및 연결되는 I2C 장치 수의 증가에 따라 정전용량이 증가되어 통신에 장애를 발생시키는데, I2C 정전용량을 낮추는 리피터 버퍼(192, 202)는 정전용량을 (제어보드(10) 또는 입출력보드(30)에 내장된 리피터 버퍼 수 - 1) X 400pF에 해당하는 만큼 낮추어 주어 I2C 버스(160) 길이의 제한 및 연결되는 I2C 장치 수의 제한을 완화하여 준다. In addition, as the I2C bus length increases and the number of connected I2C devices increases, the capacitance increases to cause a communication failure. Repeater buffers 192 and 202, which lower the I2C capacitance, Or the number of repeater buffers embedded in the I / O board 30 - 1) is reduced by the amount corresponding to X 400 pF, thereby relaxing the limitation of the length of the I 2
또한, 본 발명의 제어보드측 입출력보드 연결 인터페이스(190)와 입출력보드측 제어보드 연결 인터페이스(200)는, 산업표준 시리얼 통신방식을 복수로 사용하여 통신 대역폭을 늘려서 병목현상의 발생을 감축하는 구성으로서, 산업표준 시리얼 통신으로 I2C 버스(160) 통신 400Kbps를 사용하고 통신회선 수는 3회선을 병렬로 사용함으로써, 데이터 통신 대역폭을 증대시켜서 제어보드(10)와 입출력보드(30)) 연결 인터페이스에서의 데이터 전송 병목현상을 감소시킨다.In addition, the control board side input / output
본 발명에서 입출력장치 수를 늘리는 방법으로는 I2C 정전용량을 낮추는 리피터 버퍼(192, 202)를 제어보드(10)와 입출력보드(30)에 구성하여 보드마다 I2C 정전용량을 낮추는 리피터 버퍼(192, 202)가 제공하는 400pF의 정전용량 갖게 함으로써, 입출력장치 수 증가와 보드 내에서 I2C 선 길이 증가에 따른 커패시터 용량을 400pF X (I2C 정전용량을 낮추는 리피터 버퍼 수 - 1) 만큼 낮추어 충분한 I2C 입출력 장치를 사용할 수 있게 한다.In the present invention, the number of input / output devices may be increased by configuring
도 7은 도 2의 종래 확장형 임베디드 모션 제어기에 있어서, 본 발명의 제어보드(10)와 GUI 처리보드(50) 간의 연결 인터페이스를 설명하기 위해 필요한 부분만 도시한 도면이다. 따라서 도 6에 표시되지 않은 도 2의 장치들 모두 도 7에 포함된 것으로 보아야 한다.FIG. 7 is a diagram showing only a part necessary to explain a connection interface between the
도 7에서 본 발명의 모션 다축 제어기와 터치스크린 모니터(50)로 사용자 인터페이스를 제공하기 위한 GUI 처리보드(40) 간의 연결 인터페이스는 이더넷 또는 I2C 버스(160)를 사용하는데, I2C 버스(160)를 사용하는 경우에는 제어보드(10) 측에 I2C 버스(160)를 차동 신호로 변환/역변환하는 I2C 차동신호 변환역변환 장치(163)를 구비하고, GUI 처리보드(40) 측에 I2C 차동신호 변환역변환 장치(163)를 두어, 제어보드(10)와 GUI 처리보드(40)를 연결하는 보드 외부의 연결 케이블 구간의 I2C 신호선을 차동 I2C 신호로 변환함으로써, 산업현장에서 무선으로 방사되어 제어보드(10)와 GUI 처리보드(40) 사이의 연결 케이블 구간에 유기되는 방사성 전기잡음에 대하여 I2C 신호보다 대폭 강화된 보호/내성을 연결 케이블 구간이 갖도록 한다.7, a connection interface between the motion multi-axis controller of the present invention and the
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Various changes and modifications will be possible.
10 : 제어보드
20 : 축제어보드
30 : 입출력보드
40 : GUI 처리보드
50 : 터치스크린 모니터
100 : 마이크로 컨트롤러(Micro Controller)
110 : 메인 버스(Main Bus)
111 : 주소버스(Address Bus)
112 : 데이터버스(Data Bus)
113 : 제어버스(Control Bus)
120 : 메모리장치
130 : 입출력시스템제어장치
131 : 입출력시스템버스
132 : RS-485
133 : USB장치
134 : RS-232
135 : SD카드 리더
136 : GPIO(General Purpose Input Output)
140 : 이더넷장치
141 : LCD 드라이브
142 : 축(axis) 제어칩
150 : SPI(Serial Peripheral Interface) 버스
151 : SPI 버스 연동 입력장치
152 : SPI 버스 연동 출력장치
160 : I2C(Inter-Intergrated Circuit) 버스
161 : I2C 버스 연동 입력장치
162 : I2C 버스 연동 출력장치
163 : I2C 차동신호 변환역변환 장치
170 : 제어보드측 축제어보드 연결 인터페이스
171 : 제어보드측 주소버스 인터페이스
172 : 제어보드측 데이터버스 인터페이스
173 : 제어보드측 제어버스 인터페이스
180 : 축제어보드측 제어보드 연결 인터페이스
182 : 축제어보드측 데이터버스 인터페이스
183 : 축제어보드측 제어버스 인터페이스
190 : 제어보드측 입출력보드 연결 인터페이스
191, 201 : 전기잡음 우회접지장치
192, 202 : 리피터 버퍼(Repeater Buffer)
200 : 입출력보드측 제어보드 연결 인터페이스
300 : FPGA(Field Programmable Gate Array)
10: Control board
20: Festival board
30: I / O board
40: GUI processing board
50: Touch Screen Monitor
100: Micro Controller
110: Main Bus
111: Address Bus
112: Data Bus
113: Control bus
120: memory device
130: Input / output system control device
131: I / O system bus
132: RS-485
133: USB device
134: RS-232
135: SD card reader
136: GPIO (General Purpose Input Output)
140: Ethernet device
141: LCD drive
142: axis control chip
150: Serial Peripheral Interface (SPI) bus
151: SPI bus interlock input device
152: SPI bus interlock output device
160: I 2 C (Inter-Integrated Circuit) bus
161: I2C bus interlock input device
162: I2C bus interlock output device
163: I2C differential signal conversion inverse transformer
170: Control board side interface board connection interface
171: Control board side address bus interface
172: Data bus interface on the control board side
173: Control board side control bus interface
180: Interface board control board connection interface board
182: Data bus interface on board board side
183: Bus board control bus interface
190: Control board side I / O board connection interface
191, 201: Electrical noise bypassing grounding device
192, 202: Repeater Buffer
200: I / O board side control board connection interface
300: Field Programmable Gate Array (FPGA)
Claims (3)
마이크로 컨트롤러(100), 메인 버스(110), 메모리장치(120), 입출력시스템제어장치(130), 이더넷장치(140) 등을 포함하는 제어보드(10);
축제어장치를 포함하는 축제어보드(20); 및
입출력장치를 포함하는 입출력보드(30)를 포함하되,
상기 제어보드(10)는, 축제어 명령 중 빈번하게 사용되는 보간연산을 포함하는 소정의 명령들을 처리하도록 프로그램되는 FPGA(300); 및
제어보드측 제어버스 인터페이스(173)에서 축제어칩을 선택하면 선택된 축제어칩 내의 주소를 지정하고 주소버스(111) 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 제어보드측 주소버스 인터페이스(171)와, 선정된 주소에 쓰기 동작을 할 때 데이터버스(112) 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 제어보드측 데이터버스 인터페이스(172), 및 상기 제어보드(10)에서 상기 축제어보드(20)로 가는 제어버스(113)에 축제어칩 선택, 긴급정지, 수동동작제어, 홈 귀환 동작을 처리하는 제어 신호선을 추가하고 제어버스(113) 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 상기 제어보드측 제어버스 인터페이스(173)로 구성되는, 제어보드측 축제어보드 연결 인터페이스(170)를 포함하고,
상기 축제어보드(20)는, 상기 제어보드(10)가 읽기 동작을 할 때 상기 축제어보드(20)에서 상기 제어보드(10)로 전달할 데이터버스(112) 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 축제어보드측 데이터버스 인터페이스(182)와, 상기 제어보드(10)에서 상기 축제어보드(20)로 보낸 명령의 처리 결과를 상기 축제어보드(20)에서 상기 제어보드(10)로 전달하는 제어 신호선과 연속 보간용 인터럽트 요구 신호선을 추가한 제어버스(113) 신호를 증폭하여 신호대잡음비를 증대시키는 축제어보드측 제어버스 인터페이스(183)로 구성되는 축제어보드측 제어보드 연결 인터페이스(180)를 포함하고,
상기 제어보드(10)에 구비되는 제어보드측 입출력보드 연결 인터페이스(190) 및 상기 입출력보드(30)에 구비되는 입출력보드측 제어보드 연결 인터페이스(200)는 서로의 인터페이스를 위하여, 고속으로 동작하며 극소정전용량을 갖는 TVS, 극소용량 바이패스 커패시터가 구비되어 산업현장 전기잡음을 접지로 우회시키는 전기잡음 우회접지장치(191, 201) 및 I2C 정전용량을 낮추는 리피터 버퍼(192, 202)를 각각 구비하면서, 400Kbps로 통신하는 I2C 버스(160) 3회선을 사용하여 데이터 통신 대역폭을 증대시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 산업 전기잡음 내성을 갖는 확장형 임베디드 다축 모션 제어기.
An expandable embedded multi-axis motion controller,
A control board 10 including a microcontroller 100, a main bus 110, a memory device 120, an input / output system control device 130, an Ethernet device 140, and the like;
A festival board (20) including a festival fishery apparatus; And
And an input / output board (30) including an input / output device,
The control board 10 includes: an FPGA 300 that is programmed to process predetermined instructions that include frequently used interpolation operations among firing instruction; And
A control board side address bus interface 171 for selecting an address on the control board side control bus interface 173 to designate an address in the selected bus interface and amplifying an address bus signal to increase a signal to noise ratio, Side data bus interface 172 for amplifying the data bus 112 signal to increase the signal-to-noise ratio when performing a write operation on the address and a control bus-side data bus interface 172 for transferring the control bus 10 from the control board 10 to the control board 20, Side control bus interface 173 for adding a control signal line for processing the selection of the control chip, emergency stop, manual operation control and home return operation to the control board 113 and amplifying the control bus 113 signal to increase the signal- Side board interface board connection interface 170,
When the control board 10 performs a read operation, the flare board 20 amplifies the data bus 112 signal to be transmitted from the flare board 20 to the control board 10 to increase the signal-to- And transmits the processing result of the command sent from the control board 10 to the board board 20 to the control board 10 from the board board 20 via the data bus interface 182, Side control board connection interface 180, which is constituted by a control-board-side control bus interface 183 for amplifying a control bus 113 signal to which a control signal line for continuous interpolation and an interrupt request signal line for continuous interpolation are added to increase a signal- ),
The control board side input / output board connection interface 190 provided on the control board 10 and the input / output board side control board connection interface 200 provided on the input / output board 30 operate at high speed A TVS having a very small capacitance and a very small capacity bypass capacitor are provided to provide electrical noise bypassing grounding devices 191 and 201 for bypassing industrial site electrical noise to ground and repeater buffers 192 and 202 for lowering I2C capacitance , And is configured to increase data communication bandwidth using three lines of I2C bus (160) communicating at 400 Kbps. ≪ Desc / Clms Page number 19 >
상기 제어보드(10)와 GUI 처리보드(40)를 I2C 버스로 연결하는 케이블의 경우에, 상기 제어보드(10)와 상기 GUI 처리보드(40)에 각각 구비되어 케이블 구간이 차동 신호의 I2C 버스 구간이 되도록 변환하는 I2C 차동신호 변환역변환 장치(163)를 갖는 것을 특징으로 하는, 산업 전기잡음 내성을 갖는 확장형 임베디드 다축 모션 제어기.
The method according to claim 1,
In the case of a cable connecting the control board 10 and the GUI processing board 40 to each other via the I2C bus, the cables are provided in the control board 10 and the GUI processing board 40, And an I2C differential signal conversion inverse transformer (163) for transforming the input signal into an I2C differential signal conversion inverse section.
상기 입출력보드(30)는, 내부에 I2C 정전용량을 낮추는 리피터 버퍼(202)를 추가하여 내장되는 입출력장치 수를 확장하는 것을 특징으로 하는, 산업 전기잡음 내성을 갖는 확장형 임베디드 다축 모션 제어기.
The method according to claim 1,
The input / output board (30) further includes a repeater buffer (202) for lowering the I2C electrostatic capacity therein to expand the number of input / output devices incorporated therein.
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KR100925274B1 (en) | 2007-08-28 | 2009-11-05 | 성균관대학교산학협력단 | Circuit and apparatus for controlling multi-axis motion |
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