工业机器人运动控制器的架构制造技术

本发明专利技术公开了一种工业机器人运动控制器的架构，包括：ARM处理器，其作为主处理器，用于事件管理；FPGA处理器，其与ARM处理器连接，作为协处理器，用于负责各个关节电机伺服控制、输出数字量控制、输出位置脉冲、接收编码器信号及扩展IO信号的处理。本发明专利技术将ARM核心板为上位主处理器电路板，通过SPI高速串行接口总线与作为下位协处理器的FPGA进行数据交换。FPGA负责各个关节电机伺服控制、输出数字量控制、输出位置脉冲、接收编码器信号及扩展IO信号的处理。实现了独立于PC或IPC运行的功能，利用嵌入式硬件技术，减小了运动控制系统的结构规模，提高工业机器人在工业生产中的集成度，满足了精度要求，同时降低了成本。

【技术实现步骤摘要】
工业机器人运动控制器的架构
本专利技术属于工业机器人
，涉及一种工业机器人运动控制器的架构。
技术介绍
随着我国经济的快速增长，特别是食品生产与加工工业、汽车及汽车零部件制造行业、电子元器件制造行业等领域的发展，推动并引领我国制造业从传统的劳动密集型向以自动化、信息化等为特征的现代技术密集型转变。工业机器人作为典型的机电一体化产品，在加工、焊接、搬运、喷涂、装配等工业生产中替代或协助人进行工作，提高了劳动生产率及生产质量，降低了生产成本，保障了人身安全。因此，工业机器人在现代制造业中得到了广泛应用。工业机器人运动控制系统是由运动控制器、执行器、传感器、传动部件构成。其中，运动控制器是机器人进行运动的最顶层规划装置，它将机器人要完成的动作转换成相应的控制器指令，并采集信号经过运算为电机等机器人动力装置提供控制信号，使机器人正确动作，所以它是工业机器人的大脑。工业机器人运动控制器研究现状：(1)“PC/工控机(IPC)+运动控制卡”(PC模式)：这种模式控制系统被称为基于个人计算机的运动控制系统，此种模式把与计算机相独立的、具备开放式软硬件结构的运动控制卡，通过PCI等标准的计算机总线连接至计算机软硬件系统，在计算机主机内插入运动控制卡，与上位机控制软件一起构成数控系统，数控系统通过专用接口对驱动器和电机进行运动控制。通过在PC及操作系统下调用相关函数，可实现插补、伺服控制等基本运动控制功能。运动控制芯片(ASIC)或专用处理器(ASIP),一些芯片还是专门为数控机床设计的，如MCX314，具有各种基本插补功能，急停、硬限位等I/O控制功能，可实现对数字伺服电机和步进电机的控制。同时，还存在基于PCI、ISA等PC总线的以DSPs或FPGA或其他处理器如ARM等作为核心处理器的运动控制卡。PC模式运动控制系统体系虽然具备出色的开放性，但由于PC机的体积过大，基于PC机的运动控制系统不能集成到对体积严格要求的微小型工业系统内。另外，基于PC的运动控制系统虽然具备人机交互等丰富的功能，但对一些功能要求简单的工业系统就显得资源过剩，而过多的功能与接口又增加了系统的成本。同时，该类控制器主要基于微软Windows通用操作系统，而Windows不是面向工业控制而设计的系统，无法满足运动控制系统的稳定性、实时性控制要求；同时Windows操作系统是代码不开源的商品化操作系统，因此无法对其进行实时性改造。(2)“嵌入式处理器/IPC+实时操作系统”(非PC模式)：非PC模式的运动控制系统最主要的特点为运动控制器可独立于PC或IPC运行。工业环境存在很多限制，如空间体积等，而且存在各种电磁干扰。通过嵌入式技术，将运动控制器小型化并增强其抗干扰能力，应用于工业生产中，既解决了稳定性问题，又降低了控制系统的成本。“PC模式”与“非PC模式”两种总体架构。“PC模式”运动控制器的优点在于基于PC机使得控制系统具有良好的开放性，同时可以利用PC机丰富的资源。缺点在于由于PC机的存在，使得控制系统体积过大，不利于集成；同时PC机资源过剩，无法得到有效利用，无形中增加了系统的成本；普通PC机抗干扰能力低，使得整个运动控制系统稳定性较低，使得整个运动控制系统稳定性较低；PC机上处理过多的任务，影响运动控制系统的实时性。“非PC模式”运动控制器的优点在于利用嵌入式软硬件技术，减小了运动控制系统的结构规模，提高工业机器人在工业生产中的集成度，满足了精度要求，提高了可靠性和实时性，同时降低了成本。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。本专利技术还有一个目的是提供一种工业机器人运动控制器的架构。为此，本专利技术提供的技术方案为：一种工业机器人运动控制器的架构，包括：ARM处理器，其作为主处理器，用于事件管理；和，FPGA处理器，其与所述ARM处理器连接，作为协处理器，用于负责各个关节电机伺服控制、输出数字量控制、输出位置脉冲、接收编码器信号及扩展IO信号的处理。优选的是，所述的工业机器人运动控制器的架构中，所述ARM处理器与所述FPGA处理器通过总线进行数据交互。优选的是，所述的工业机器人运动控制器的架构中，所述ARM处理器上设置有SPI接口。优选的是，所述的工业机器人运动控制器的架构中，所述ARM处理器为嵌入式。优选的是，所述的工业机器人运动控制器的架构中，所述ARM处理器包括集成于嵌入式运动控制器电路板上的ARM核心板，所述ARM核心板通过排针将各个功能端口引出，并和FPGA最小系统接口板连接。优选的是，所述的工业机器人运动控制器的架构中，所述FPGA最小系统接口板采用的为XilinxSpartanⅢ系列的FPGA芯片XC3S400。优选的是，所述的工业机器人运动控制器的架构，还包括：利用长线传输驱动芯片AM26LS31将单端TTL信号转换为双端差分信号传输，以减小位置脉冲信号在传输过程中受到的电磁干扰。本专利技术至少包括以下有益效果：1.运动控制器采用嵌入式微处理器ARM作为主处理器，更擅长事件管理，并且可以快速实现不同模式的切换，这对于操作系统来说是非常有益的。2.运动控制器采用FPGA作为协处理器，解决了专用控制芯片功能单一、灵活性差的不足，具备方便灵活的动态可重构性。同时，FPGA拥有强大的并行计算和执行能力，系统的实时性得到很大提升，而且具备较高的可靠性。3.实现了独立于PC或IPC运行的功能，利用嵌入式硬件技术，减小了运动控制系统的结构规模，提高工业机器人在工业生产中的集成度，满足了精度要求，同时降低了成本。本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1为本专利技术所述的工业机器人运动控制器的硬件系统结构框图；图2为本专利技术其中一个实施例中ARM核心板的照片；图3为本专利技术其中一个实施例中FPGA最小系统接口板的照片；图4为本专利技术其中一个实施例中的电源接口电路示意图；图5为本专利技术其中一个实施例中一路脉冲信号的转换原理；图6为本专利技术其中一个实施例中IO接口电路图；图7为本专利技术其中一个实施例中模拟量输出接口电路图；图8为本专利技术其中一个实施例中驱动器接口电路图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。本专利技术主要架构方案：“ARM主处理器+FPGA协处理器”。硬件系统的整体结构体系为：ARM核心板为上位主处理器电路板，通过SPI高速串行接口总线与下位协处理器FPGA进行数据交换。FPGA负责各个关节电机伺服控制、输出数字量控制、输出位置脉冲、接收编码器信号及扩展IO信号的处理。实现了独立于PC或IPC运行的功能，利用嵌入式硬件技术，减小了运动控制系统的结构规模，提高工业机器人在工业生产中的集成度，满足了精度要求，同时降低了成本。本专利技术提供一种工业机器人运动控制器的架构，包括：ARM处理器，其作为主处理器，用于事件管理；和，FPGA处理器，其与所述ARM处理器连接，作为协处理器，用于负责各个关节电机伺服控制、输出数字量控制、输出位置脉冲、接收编码器信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工业机器人运动控制器的架构，其特征在于，包括：ARM处理器，其作为主处理器，用于事件管理；和，FPGA处理器，其与所述ARM处理器连接，作为协处理器，用于负责各个关节电机伺服控制、输出数字量控制、输出位置脉冲、接收编码器信号及扩展IO信号的处理。

【技术特征摘要】
1.一种工业机器人运动控制器的架构，其特征在于，包括：ARM处理器，其作为主处理器，用于事件管理；和，FPGA处理器，其与所述ARM处理器连接，作为协处理器，用于负责各个关节电机伺服控制、输出数字量控制、输出位置脉冲、接收编码器信号及扩展IO信号的处理。2.如权利要求1所述的工业机器人运动控制器的架构，其特征在于，所述ARM处理器与所述FPGA处理器通过总线进行数据交互。3.如权利要求1所述的工业机器人运动控制器的架构，其特征在于，所述ARM处理器上设置有SPI接口。4.如权利要求1所述的工业机器人运动控制器的架构，其特征在于，所述ARM处理器为嵌入...

【专利技术属性】
技术研发人员：王续南，姜金俊，滕朝华，周亚平，高维金，张立志，王博，
申请(专利权)人：北京航天益森风洞工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11