一种独立式多轴运动控制器制造技术

本发明专利技术公开了一种独立式多轴运动控制器，由主控板、通信板、接口板和电源板组成，安装在一个带散热孔、ＡＣ２２０Ｖ电源和输入输出连接端子的屏蔽盒内，所述主控板包括ＤＳＣ处理器、ＤＳＣ外部总线、ＦＰＧＡ芯片、外部ＳＲＡＭ以及其它接口电路；所述通信板包括千兆以太网物理芯片、脉冲变压器、ＬＣＤ显示模块以及通用可编程Ｉ／Ｏ端子；所述接口板包括光电编码器输入接口端子、模拟输入端子、模拟控制输出端子、脉冲控制输出以及光电隔离Ｉ／Ｏ端子。本发明专利技术在单片ＦＰＧＡ上集成了ＲＳＩＣ处理器和与ＤＳＣ及主控机的运动控制高速接口，控制器本体与主控机完全分离，通过千兆以太网实现了对目标设备的高速、高精度、全闭环位置控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种独立式多轴运动控制器，属于智能控制器领域。
技术介绍
运动控制器是通过对以电机驱动的目标装置或设备进行协调控制，使其按照预期 的作业轨迹进行运动的控制装置。它是电子、机械制造业的核心技术装备。从与主控计算 机数据通信方式来分，目前运动控制器主要分为两类一是基于计算机标准并行总线(如 PCI、 ISA总线)的运动控制器，二是基于计算机标准串行总线(如USB、 RS-232、 Ethernet 等)的运动控制器。前者通常做成控制卡，通过〃 金手指〃 与主控计算机主板扩展槽物理 连接，并与主控机共电源。后者通常做成独立控制器，通过〃 串行通信电缆〃 与主控计算机 连接，由于它在结构上与主控机完全脱离，所以又称独立式运动控制器。实践表明，基于并 行总线的运动控制器存在以下不足(l)运动控制卡不能脱离主控计算机主板，易受电磁 辐射干扰；(2)运动控制卡与主机共电源，易产生电源耦合，特别是影响模拟控制(DAC)输 出的控制精度；(3)运动控制卡通过〃 金手指〃 与主控计算机并行总线作机械接触连接， 易产生接触不良，使控制系统不稳定；(4)运动控制器(或主控计算机)与伺服驱动器之间 需要相对较长的电缆连接，易受环境影响。
技术实现思路
本专利技术针对上述缺点，提供一种高速高可靠性的独立式多轴运动控制器。 本专利技术可以通过采取以下技术方案予以实现 —种独立式多轴运动控制器，由主控板、通信板、接口板和电源板组成，安装在一 个带散热孔、AC220V电源和输入输出连接端子的屏蔽盒内。其中主控板由DSC处理器、DSC 外部总线、FPGA芯片、外部SRAM以及其它接口电路构成。通信板由千兆以太网物理芯片、 脉冲变压器、LCD显示模块以及通用可编程IO端子等构成。接口板由光电编码器输入接口 端子、模拟输入端子、模拟控制输出端子、脉冲控制输出以及光电隔离输入/输出端子等构 成。所述FPGA芯片包括RSIC微处理器、10/100/1000Mbps以太网MAC接口模块、控制脉冲输 出接口模块、光电编码器输入接口模块、高速位置捕捉模块、数字I/O接口模块、双向FIFO 内存和LCD接口。控制脉冲输出接口模块、光电编码器输入接口模块和数字1/0接口模块 的一端分别通过DSC外部总线与DSC处理器相连，另一端通过接口板的连接端子与目标设 备的相应接口相连；以太网MAC接口模块的一端与RSIC微处理器相连，另一端通过通信板 上的千兆以太网物理芯片及网络变压器和RJ45与远程计算机相连。在通信板上集成一个 LCD显示屏，该显示屏通过通信板上的连接器接入DSC外部总线。 本专利技术还可以包括外部SRAM，所述外部SRAM通过DSC外部总线与DSC处理器相 连，用于传输和保存数据。 本专利技术还包括所述通信板上远程主控计算机客户端应用程序采用G-代码和 GALIL宏指令；应用程序通过编译器生成数据文件，并通过TELNET协议下载到DSC运行。 本专利技术所述FPGA芯片上生成有3个TELNET服务器，其中1个用于控制器信息的 传送；1个用于实时指令的传送；1个用于程序指令的传送。 与现有技术相比较，本专利技术具有以下优点本专利技术采用SOC(System on Chip)技 术，在单片FPGA上集成了运动控制器的高速接口，再通过DSC处理器对各高速接口进行控 制，实现对目标设备(通常是数控系统、机器人系统)的高速、高精度、全闭环位置控制，同 时，增设以太网接口，能实现远程控制。本专利技术应用FPGA， SOC和DSC技术，实现了一种高 性能独立式运动控制器，可广泛应用于高速精密数控机床、工业机器人、三坐标测量机、高 速贴片机、激光雕亥IJ、等离子切割、PCB钻铣床等其他需要高速、高精度的位置控制的各种场附图说明 图1是本专利技术的高性能独立式多轴运动控制器的结构框图。 图2是本专利技术的运动控制器系统软体结构。 图3是本专利技术的以太网数据通信指令系统示意图。 图4是本专利技术的DSC运动控制指令系统流程图。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式作详细描述。 如图l所示，本专利技术控制器由DSC处理器、DSC外部总线和FPGA芯片构成，所述 FPGA芯片包括RSIC微处理器、10/100/1000Mbps以太网MAC接口模块、带方向控制脉冲输 出接口模块、具有高速位置锁存功能的光电编码器输入接口模块、数字输入/输出接口模 块、双向FIFO内存和LCD接口 ，所述控制脉冲输出接口模块、光电编码器输入接口模块和数 字输入/输出接口模块的一端分别通过DSC外部总线与DSC处理器相连，另一端与数控设 备的相应接口相连，DSC是一款高性能的32位浮点数字信号处理器，由它处理所有与运动 控制相关的指令和程序，并通过对光电编码器接口 、控制脉冲输出接口 、高速位置锁存和数 字输入/输出接口等的控制，实现对目标设备(通常是数控系统、机器人系统)的高速、高 精度、全闭环位置控制；所述LCD接口与LCD显示屏相连；所述以太网MAC接口模块的一端 与RSIC微处理器相连，通过双向FIFO与DSC处理器相连，另一端通过千兆以太网物理芯片 和脉冲变压器及RJ45与远程计算机相连，其中MACIP由FPGA内置的NIOS II微处理器进 行管理，负责通过双向FIFO与DSC接收/发送数据。所有器件集成在4块PCB底板上，包 括主控板、通信板、接口板和电源板，安装在一个专门设计的带散热孔、AC220V电源和输入 输出连接端子的屏蔽盒内。控制器通过标准以太网接口端子RJ45或串行接口端子RS232 与主控计算机连接；通过专用接口端子与数控设备连接。此种方案能使运动控制器与主控 计算机之间在最大程度上进行电磁隔离，克服了基于并行总线结构的运动控制器的弊端， 改善和提高了控制器本身和运动控制系统的稳定性和可靠性。 本专利技术采用了美国ALTERA公司提供的10/100/1000以太网MAC接口 IP软核， 该软核可通过ALTERA提供的SOPC构建器软件在CYCLONE III FPGA上实现，并可与其它 10/100/lOOOMbps以太网物理芯片进行无缝连接。为保证取得高性能，同时考虑对交换数据 进行实时处理，还采用了 NIOS II RSIC微处理器IP核，并由RSIC微处理器对以太网通讯接口进行管理。脉冲输出控制向位置闭环控制系统提供频率和脉冲个数连续可编程的具有 50%占空比的脉冲，且其频率在0-6MHz范围内连续变化。 为保证频率精度，本专利技术采用了直接数字频率合成器(DDS)技术，具有频率切换 速度快，频率分辨率高、对硬件要求低、可靠性高等优点。该DDS脉冲发生器的相位累加器 的位数为36位，在时钟频率120MHz时，输出信号频率在0. 0017Hz 6MHz，频率分辨率为 0.0017Hz。 光电编码器是闭环控制系统的位置检测器件，其精度和分辨率决定了闭环控制系 统的精度特性。为提高闭环控制系统的精度和分辨率，需要对光电编码器(或光栅)的输出 脉冲进行倍频和鉴相，其目的是提高位置分辨率，获取电机的实际转动方向(或工作台移 动方向)，提高抗干扰能力。本专利技术运用VHDL在FPGA中实现四倍频，鉴相电路采用全数字 反馈电路，该电路采用32位可逆计数器，在时钟频率240MH时，输入信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种独立式多轴运动控制器，由主控板、通信板、接口板和电源板组成，安装在一个带散热孔、ＡＣ２２０Ｖ电源和输入输出连接端子的屏蔽盒内，其特征在于，所述主控板包括ＤＳＣ处理器、ＤＳＣ外部总线、ＦＰＧＡ芯片、外部ＳＲＡＭ以及其它接口电路；所述通信板包括千兆以太网物理芯片、脉冲变压器、ＬＣＤ显示模块以及通用可编程Ｉ／Ｏ端子；所述接口板包括光电编码器输入接口端子、模拟输入端子、模拟控制输出端子、脉冲控制输出以及光电隔离Ｉ／Ｏ端子。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周学才，李卫平，
申请(专利权)人：深圳信息职业技术学院，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]