一种适用于面向多自由度平台的运动控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种适用于面向多自由度平台的运动控制系统，包括主站、从站，所述从站是运动控制器，所述从站包括运动数据缓冲控制模块及运动脉冲产生单元、数据处理器、抗干扰保护单元；所述运动数据缓冲控制模块及数据产生单元采用ARM处理器进行设计实现，接收主站中心控制器的以太网控制信息，所述运动数据缓冲控制器及数据产生单元将控制信息解析成数据处理器可识别的位置点，然后通过总线发送到数据处理器；所述数据处理器由可编程FPGA实现，接收主控部件的位置点信息，对控制数据进行缓冲及同步处理，输出马达脉冲驱动信息；对收集的马达状态信息进行同步处理，反馈给主控部件。本发明专利技术可适用于多自由度平台环境，灵活度更高。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于面向多自由度平台的运动控制系统
本专利技术涉及运动控制器
，特别涉及一种适用于多自由度平台的多级运动控制器。
技术介绍
运动控制(MotionControl)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。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者主要以单片机为核心的运动控制器，本身处理性能导致控制速度慢、精度较低、运动形式更简单，通常被称为通用运动控制。另一种以专用芯片作为核心处理器的运动控制器，结构比较简单，通用性较差，只能用于开环控制方式。当前运动控制器的简单组合，难以适应多自由度平台的应用条件，导致其灵活性差，在高精度控制领域难以适应。
技术实现思路
本专利技术需解决的技术问题是提供一种适用于面向多自由度平台的运动控制系统。为解决上述技术问题，本专利技术采取技术方案是：一种适用于面向多自由度平台的运动控制系统，包括主站、从站，所述主站是中心控制器由PC机承担，所述从站是运动控制器，为主站中心控制器的其中一个工作节点，根据实际情况设置多个从站工作，所述主站和从站之间采用串行协议栈数据方式进行信息交换，所述从站包括运动数据缓冲控制模块及运动脉冲产生单元、数据处理器、抗干扰保护单元；所述运动数据缓冲控制模块及数据产生单元为从站运动控制器的主控部件，采用ARM处理器进行设计实现，接收主站中心控制器的以太网控制信息，控制信息包括数据的配置和状态监控信息，所述运动数据缓冲控制器及数据产生单元将控制信息解析成数据处理器可识别的位置点，然后通过总线发送到数据处理器；所述数据处理器由可编程FPGA实现，接收主控部件的位置点信息，对控制数据进行缓冲及同步处理，输出马达脉冲驱动信息；对收集的马达状态信息进行同步处理，反馈给主控部件；所述抗干扰保护单元对数据处理器的输出端和输入端都采用光电隔离。进一步地，所述数据处理器内含数据接口模块、数据缓存控制模块、双轴脉冲输出模块、双轴使能管理模块、高速计数模块、脉冲占空比模块以及中断控制；所述数据接口模块实现运动控制器主控部件的AXI总线上的数据与数据处理器FPGA总线数据的交互；所述数据缓存控制模块的功能完成数据缓存和寄存器配置，将主控部件数据配置到功能模块，将所述功能模块数据反馈给主控部件，所述功能模块包括双轴脉冲输出模块、双轴使能管理模块、高速计数模块、脉冲占空比模块以及中断控制；所述脉冲占空比模块用于调控脉冲的输出个数、脉冲的频率和占空比；所述双轴使能管理模块用于单轴控制和多轴同步控制；所述双轴脉冲输出模块接收双轴使能管理模块、脉冲占空比模块、数据缓存控制模块配置的使能信号、方向控制信息和脉冲控制信息，输出频率大小可控、加减速度可控、方向可控、占空比可控的脉冲到马达；所述高速计数模块对马达运行的高速反馈脉冲进行监测，对马达高速脉冲个数检测，将计数值反馈到运动数据缓冲及数据产生主控部件；所述中断控制模块根据马达反馈信息判断是否出现异常，将产生的中断信号反馈到运动数据缓冲控制模块及数据产生单元和数据缓冲模块。进一步地，所述双轴脉冲输出模块寄存器包括：PWM使能寄存器，用于使能PWM；输出数据队列写入寄存器，用于为马达所对应的轴提供频率、速度、位置数据；输出数据队列复位寄存器，用于对输出数据队列内的数据清空；换向延时寄存器，用于配置换向延时的时间；脉冲输出运行状态寄存器，用于实时的读取模块运行状态，控制脉冲输出的功能执行；输出脉冲数寄存器，用于反馈当前插补周期输出的脉冲个数。所述双轴脉冲输出模块中的分频计数和需要输出的脉冲计数均采用减计数，当使能信号给定后，进行数据的装载准备，装载的数据包括分频数、占空比、一次插补周期输出脉冲总数、换向延迟时间；同时判断是否有换向延时，如果有换向，需要等待换向延时的时间后才能输出脉冲；无换向，则进行分频减计数，对最后五个分频周期进行标志位置位，计数值到达占空比设定值，则输出电平翻转，脉冲生成且输出；在脉冲的下降沿对脉冲个数进行减计数，再对本次输出脉冲的最后一个脉冲进行标志位置位；如此循环，直至定位到该次脉冲总数的最后一个脉冲的最后五个分频周期，即认为本次插补周期的脉冲全部输出；此时在运行的状态下，判断输出数据队列是否非空，若非空则执行以上的循环，若输出数据队列空则运行停止。进一步地，所述双轴使能管理模块中轴的使能包括使能位寄存器和使能位选择寄存器，对于单轴控制，在使能位选择寄存器配置使能通道，将使能通道绑定到唯一的使能位；配置使能位寄存器，各个使能位寄存器的值互不相同，每个使能位与使能位选择寄存器的选择通道值唯一对应；对于多个轴脉冲输出，将绑定多轴的使能位选择寄存器设置为相同的使能通道值，即所有的使能通道绑定到同一个使能位；配置使能位寄存器，开关切换到同一个轴使能位信号，使能信号在不同的使能位选择寄存器经过同一个使能通道，同时输出。进一步地，所述脉冲占空比模块设计以下寄存器进行控制：脉冲使能寄存器、脉冲数据配置寄存器、脉冲恒速使能寄存器；当恒速不使能时，脉冲数据配置寄存器装载频率控制字、占空比、脉冲个数，脉冲使能计数器开始计数，当计数值到达占空比时，脉冲输出电平值翻转，同时对脉冲输出计数，计数值与设定值相同时停止脉冲恒速使能寄存器运行；当恒速使能时，只装载频率控制字和占空比，脉冲一直输出，直至停止使能脉冲恒速使能寄存器。进一步地，所述抗干扰保护单元对于来自转轴马达的输入端信号，并入电阻与滤波电容实现输入保护，然后经过桥式电路限流保护，最后采用光耦合器信号进行隔离处理；对于数据处理器的输出信号，采用高速光耦隔离以及场效应管处理，进行放大处理产生驱动信号，同时配合防雷击双向二极管实现电路保护。进一步地，采用片上系统SOC模式将ARM处理器、可编程FPGA双芯片集成。与现有技术对比，本专利技术有益效果是：本专利技术采用ARM处理器加可编程FPGA双芯片进行设计实现，所述数据处理器由可编程FPGA实现，内部逻辑采用了高效的寄存器级传输控制机理，随着可编程逻辑的工作时钟频率的提升，本专利技术方案可优化时序，达到更高的性能要求。本专利技术依托SOC高度集成一体化的优势，充分发挥其高精度、低成本、一体化调度管理、重构能力强等优势，解决了现有运动控制器开放性差、通用性不好、开发难度大、成本高的缺点。本专利技术以工业以太网为物理载体，运行自定义的实时通讯协议栈，最高通讯速率为100Mbps。附图说明所包括的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本专利技术的实施例，并与文字描述一起来阐释本专利技术的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于面向多自由度平台的运动控制系统，包括主站、从站，所述主站是中心控制器由PC机承担，所述从站是运动控制器，为主站中心控制器的其中一个工作节点，根据实际情况设置多个从站工作，所述主站和从站之间采用串行协议栈数据方式进行信息交换，其特征在于，/n所述从站包括运动数据缓冲控制模块及运动脉冲产生单元、数据处理器、抗干扰保护单元；/n所述运动数据缓冲控制模块及数据产生单元为从站运动控制器的主控部件，采用ARM处理器进行设计实现，接收主站中心控制器的以太网控制信息，控制信息包括数据的配置和状态监控信息，所述运动数据缓冲控制器及数据产生单元将控制信息解析成数据处理器可识别的位置点，然后通过总线发送到数据处理器；/n所述数据处理器由可编程FPGA实现，接收主控部件的位置点信息，对控制数据进行缓冲及同步处理，输出马达脉冲驱动信息；对收集的马达状态信息进行同步处理，反馈给主控部件；/n所述抗干扰保护单元对数据处理器的输出端和输入端都采用光电隔离。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于面向多自由度平台的运动控制系统，包括主站、从站，所述主站是中心控制器由PC机承担，所述从站是运动控制器，为主站中心控制器的其中一个工作节点，根据实际情况设置多个从站工作，所述主站和从站之间采用串行协议栈数据方式进行信息交换，其特征在于，
所述从站包括运动数据缓冲控制模块及运动脉冲产生单元、数据处理器、抗干扰保护单元；
所述运动数据缓冲控制模块及数据产生单元为从站运动控制器的主控部件，采用ARM处理器进行设计实现，接收主站中心控制器的以太网控制信息，控制信息包括数据的配置和状态监控信息，所述运动数据缓冲控制器及数据产生单元将控制信息解析成数据处理器可识别的位置点，然后通过总线发送到数据处理器；
所述数据处理器由可编程FPGA实现，接收主控部件的位置点信息，对控制数据进行缓冲及同步处理，输出马达脉冲驱动信息；对收集的马达状态信息进行同步处理，反馈给主控部件；
所述抗干扰保护单元对数据处理器的输出端和输入端都采用光电隔离。


2.根据权利要求1所述的一种适用于面向多自由度平台的运动控制系统，其特征在于，所述数据处理器内含数据接口模块、数据缓存控制模块、双轴脉冲输出模块、双轴使能管理模块、高速计数模块、脉冲占空比模块以及中断控制；
所述数据接口模块实现运动控制器主控部件的AXI总线上的数据与数据处理器FPGA总线数据的交互；
所述数据缓存控制模块的功能完成数据缓存和寄存器配置，将主控部件数据配置到功能模块，将所述功能模块数据反馈给主控部件，所述功能模块包括双轴脉冲输出模块、双轴使能管理模块、高速计数模块、脉冲占空比模块以及中断控制；
所述脉冲占空比模块用于调控脉冲的输出个数、脉冲的频率和占空比；
所述双轴使能管理模块用于单轴控制和多轴同步控制；
所述双轴脉冲输出模块接收双轴使能管理模块、脉冲占空比模块、数据缓存控制模块配置的使能信号、方向控制信息和脉冲控制信息，输出频率大小可控、加减速度可控、方向可控、占空比可控的脉冲到马达；
所述高速计数模块对马达运行的高速反馈脉冲进行监测，对马达高速脉冲的个数进行检测，将计数值反馈到运动数据缓冲及数据产生单元主控部件；
所述中断控制模块根据马达反馈信息判断是否出现异常，将产生的中断信号反馈到运动数据缓冲控制模块及数据产生单元和数据缓冲模块。


3.根据权利要求2所述的一种适用于面向多自由度平台的运动控制系统，其特征在于，所述双轴脉冲输出模块寄存器包括：PWM使能寄存器，用于使能PWM；输出数据队列写入寄存器，用于为马达所对应的轴提供频率、速度、位置数据；输出数据队列复位寄存器，用于对输出数据队列内的数据清空；换向延时寄存器，用于配置换向延时的时间；脉冲输出运行状态寄存器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯俊威，李岩，刘雷，赵伟，陈海峰，刘毅珍，张文叶，
申请(专利权)人：北京机电工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11