基于FPGA的多轴运动控制器及其应用制造技术

一种基于FPGA的多轴运动控制器及其应用，通过可并行编程的一个FPGA模块为控制器核心，可同时精准地控制如X轴、Y轴、Z轴和旋转轴电机的多轴电机，使用者可以通过JTAG接口下载自行编程和进行二次开发，适用现今绝大多数自动化设备，此外，透过调整脉冲频率来改变设备上运动电机的运行速度，避免设备的惯性冲击造成损坏。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种运动控制装置，更具体地说，是一种基于现场可编程门阵列(Field-programmablegatearray，FPGA)的多轴运动控制装置，装置采通用型的开放设计，提供使用者可以自行编写控制程序，还支持多轴连动，提供更加精确的定位，更具备低成本、操作便利、可独立运作等特性，能为生产流程带来多方面的帮助。
技术介绍
以现代的科技來看，自动化技术早已是工业界所重视的共通性关键技术，以往自动化的目的是为了取代人工操作，不仅是大量的降低人事成本，也减少了工作环境的面积，但在技术快速的发展下，追求高质量、高速度的自动化生产变成另一个主要优势，许多机电零组件的创新研发，带來了自动化的精准与速度。但未來产业自动化的目标不再仅仅于此，而是着重于强化弹性应变能力与反应敏捷能力，以满足客户多变的需求，及因应市场快速的变化。在自动化技术中主要包括了机电零组件、机器设备以及工厂自动化三个层次，机电零组件包括了控制器、传感器、驱动器、致动器及传动机构等。运用这些零件组可建构出自动化的工作系统，但这工作系统要如何达到所要求的运作方式，运动控制器是这自动化机电零件组的控制核心技术。对机械系统进行可规划及运动行进轨迹的技术，皆可视为运动控制的技术，大部分的机械系统都是以马达为主要动力來源，如机器人、晶圆传送机器手臂、点胶机、钻孔机、雕刻机、绘图机等，这些机具都有个共通点，皆是采用多轴运动控制。控制单轴系统时，只需控制单颗马达需转动的圈數以及转动时的马达转动速度，而控制多轴系统下，如何规划在多颗马达的互相移动是很重要的问题，运动路径的产生、移动速度规划以及路径的插値都会影响到整个系统的正确性及稳定性，运动控制器就是使系统达成目的地核心控制单元。然而就因为多轴运动控制器是工业运动控制系统中的核心控制单元，当接收了用户传来的运动资讯时，会将这些资讯转变成马达驱动器的输入讯号，进而控制自动化机构的运动。目前，国内外已经有很多商品化的独立式运动控制器，但这些运动控制器必须使用生产厂商所提供的数据才能进行二次开发，导致使用者对厂商存在高依赖性，加上现在的运动控制器大多都是依照其目标客群或特定功能条件来做开发，因此开放性差，可扩展功能性也相对较低。而最大的问题点则是在于当运动控制器应用在生产上时，由于在生产线上时常会出现许多临时突发的状况，但在状况发生时，我们并无法针对运动控制器来进行调整，只能将其关闭暂时停止作用，如此一来所涉及影响的层面就有可能进一部扩大到影响到整条生产线。因此，若能使得运动控制器可以适用于更多的自动化设备，同时可以依情况来进行调整对于产在线的风险控管便能提供一个比较好的控制空间，此外，若运动控制器能具有比较好的适应性，那么对于整体制程成本也能提供良好的控管，对于整体制程效率也能有着显着的提升帮助。综上所述，我们可以发现通用性对于使用在制程上的运动控制器十分重要，因为其不仅可以实现风险控管与控制成本，更能有效地提升整体效率，因此，我们将此作为首要目标，并透过本专利技术落实我们的观念和想法。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种基于FPGA的多轴运动控制器，其能适用在各种自动化设备上，具有极佳的扩展性与开放性，不仅有助于生产效率提升，更能有效降低生产成本，维持制程稳定，增进定位准确性。本专利技术的另一目的在于提供一种基于FPGA的多轴运动控制器，该装置具有高度开放性，使用者可自行针对环境或想要的功能，自行对该装置进行编程调整，不再受限于任何厂商。本专利技术的另一目的在于提供一种基于FPGA的多轴运动控制器，该装置支持二次开发，可扩展性强，让使用者可以根据运动控制器实际运行的状况，自行编写特定的程序来使用。本专利技术的另一目的在于提供一种基于FPGA的多轴运动控制器，实行通用型设计，控制器上会预先加载串口通信、电机控制、通用输出控制、通用输入状态读取、急停状态读取、原点信号读取、正负限位信号读取等通用功能，使之能适用各种不同的自动化设备。本专利技术的另一目的在于提供一种基于FPGA的多轴运动控制器，特别针对点对点电机定位的自动化设备采用了多轴联动式设计，使得定位成果更加精准，增进实际工作效率。本专利技术的另一目的在于提供一种基于FPGA的多轴运动控制器，可随着产品或系统的发展，实时地进行升级，不须耗时重新进行设计或修改基板配置。本专利技术的另一目的在于提供一种基于FPGA的多轴运动控制器，可随时因应机台或系统的变化，且无须任何大型初始投资，几乎不会对原本产线曾增加任何维修成本。本专利技术的另一目的在于提供一种基于FPGA的多轴运动控制器，可以在没有任何讯号输入的情况下独立运作，可节省工业计算机的支出，大幅降低生产成本。本专利技术的另一目的在于提供一种基于FPGA的多轴运动控制器，在初始化进程、报警报告进程、工作进程、接受进程与发送进程均采独立运作，因此若是在平行运作的情况下其效能可以获得大幅度的提升。本专利技术的另一目的在于提供一种基于FPGA的多轴运动控制器的应用方法，透过定时器来产生脉冲电流，并透过增减其频率来实现防止电机机械结构的惯性冲击与碰撞，降低设备的耗损。本专利技术的另一目的在于提供一种基于FPGA的多轴运动控制器的应用方法，其控制电机运行时采用梯型曲线,确保电机平滑运行。为实现上述目的多轴运动控制器，其包括一可并行编程的FPGA模块，以实行不需要差补算法而采用点对点定位方式的控制多轴电机。优选地，所述多轴运动控制器用于控制X轴、Y轴、Z轴和旋转轴电机优选地，所述的多轴运动控制器还包括可操作地连接于所述FPGA模块的JTAG接口，从而使所述多轴运动控制器具备可扩展和可二次开发性能。优选地，所述多轴运动控制器还包括可操作地连接于所述FPGA模块的电源模块，其中所述电源模块工作电压是24伏特，并且适合于将24伏特电压转换输出如下电压值：15伏特、5伏特、3.3伏特或1.5伏特。优选地，所述多轴运动控制器还包括可操作地连接于所述FPGA模块的复位电路，以为所述FPGA模块提供复位功能，从而使所述FPGA模块能够恢复至起始状态。优选地，所述多轴运动控制器还包括可操作地连接于所述FPGA模块的一组接口设备，以完成相应的预定功能。优选地，所述多轴运动控制器的所述接口设备选自至少如一选项中的一种：异步收发传输器接口、集成电路总线接口、通用输入接口、通用输出接口、原点信号接口、正限位信号接口、负限位信号接口、急停信号接口、电机脉冲接口、和电机方向接口。优选地，所述多轴运动控制器的所述接口设备中包括所述原点信号接口、所述正限位信号接口和所述负限位信号接口时，所述多轴运动控制器进一步地包括光电传感器，在所述的原点信号接口中，如果所述光电传感器信号有效时，说明电机在原点位置，将电机停留在原点位置；所述的正限位信号接口和所述的负限位信号接口中，如果所述光电传感器信号有效时，说明电机在相应的限位位置，此时电机的运行范围至最大位置，将电机停留在该位置以防止电机的损坏。优选地，所述多轴运动控制器的所述FPGA模块还包括差分驱动芯片，以产生差分驱动信号，从而以双脉冲方式控制相应的电机。根据本专利技术的另外一方面，本专利技术提供一种多轴运动控制器用于控制多轴电机的方法：包括步骤：初始化所述多轴运动控制器；接收请求操作信号；FPGA模块基于所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的多轴运动控制器，其特征在于，包括一可并行编程的FPGA模块，以实行不需要差补算法而采用点对点定位方式的控制多轴电机。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的多轴运动控制器，其特征在于，包括一可并行编程的FPGA模块，以实行不需要差补算法而采用点对点定位方式的控制多轴电机。2.如权利要求1所述的多轴运动控制器，其中所述多轴运动控制器用于控制X轴、Y轴、Z轴和旋转轴电机。3.如权利要求1所述的多轴运动控制器，其包括可操作地连接于所述FPGA模块的JTAG接口，从而使所述多轴运动控制器具备可扩展和可二次开发性能。4.如权利要求1所述的多轴运动控制器，还包括可操作地连接于所述FPGA模块的电源模块，其中所述电源模块工作电压是24伏特，并且适合于将24伏特电压转换输出如下电压值：15伏特、5伏特、3.3伏特或1.5伏特。5.如权利要求1所述的多轴运动控制器，还包括可操作地连接于所述FPGA模块的复位电路，以为所述FPGA模块提供复位功能，从而使所述FPGA模块能够恢复至起始状态。6.如权利要求1至5中任一所述的多轴运动控制器，还包括可操作地连接于所述FPGA模块的一组接口设备，以完成相应的预定功能。7.如权利要求1所述的多轴运动控制器，其中所述接口设备选自至少如一选项中的一种：异步收发传输器接口、集成电路总线接口、通用输入接口、通用输出接口、原点信号接口、正限位信号接口、负限位信号接口、急停信号接口、电机脉冲接口、和电机方向接口。8.如权利要求7所述的多轴运动控制器，其中所述接口设备中包括所述原点信号接口、所述正限位信号接口和所述负限位信号接口时，所述多轴运动控制器进一步地包括光电传感器，在所述的原点信号接口中，如果所述光电传感器信号有效时，说明电机在原点位置，将电机停留在原点位置；所述的正限位信号接口和
\t所述的负限位信号接口中，如果所述光电传感器信号有效时，说明电机在相应的限位位置，此时电机的运行范围至最大位置，将电机停留在该位置以防止电机的损坏。9.如权利要求1至5中任一所述的多轴运动控制器，所述FPGA模块还包括差分驱动芯片，以产生差分驱动信号，从而以双脉冲方式控制相应的电机。10.一种多轴运动控制器用于控制多轴电机的方法,其特征在于,包括步骤：初始化所述多轴运动控制器；接收请求操作信号；以及FPGA模块基于所述请求操作信号向多轴电机发送控制指令信号，以控制多轴电机的操作，其中所述方法采用点对点电机定位，以不需要差补算法地实现对多轴电机的控制操作。11.如权利要求10所述的方法，其中所述多轴电机是6轴电机，以基于所述FPGA模块地控制沿X轴、Y轴、Z轴的移动和旋转操作。12.如权利要求10所述的方法，在上述初始化步骤中，相应地包括步骤：(a)所述多轴运动控制器发送请求命令给一外部计算机；(b)所述外部计算机发送最低速度封包至所述多轴运动控制器；(c)所述多轴运动控制器回送数据包给所述外部计算机；(d)所述外部计算机发...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏文元，柯海挺，诸庆，施巍巍，
申请(专利权)人：宁波舜宇光电信息有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33