一种可扩展可裁减多轴运动控制系统技术方案

本实用新型专利技术为可扩展可裁减多轴运动控制系统，包括ＣＰＵ核心系统板、ＦＰＧＡ基础板和现场总线伺服通讯板；ＣＰＵ核心系统板、现场总线伺服通讯板通过统一的总线插槽与ＦＰＧＡ基础板相连接；ＦＰＧＡ基础板的ＦＰＧＡ芯片通过串行总线与上位机相连接；所述ＦＰＧＡ基础板提供多轴脉冲型伺服驱动插槽与伺服驱动系统连接；现场总线伺服通讯板与现场总线连接，通过现场总线传送运动控制指令给总线型伺服驱动系统。本实用新型专利技术ＣＰＵ专用处理芯片可根据实际需要和功能大小来选择不同的ＣＰＵ模块，现场总线伺服通讯板也可根据伺服驱动系统的实际总线类型来具体选择，多轴运动控制指令可以按脉冲信号形式现场总线协议信号形式传送给伺服驱动系统，使得控制轴数量的扩展和裁减更方便。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及数控
，尤其涉及一种可扩展可裁减多轴运动控制系统。
技术介绍
目前，数控机床、工业机器人、三坐标测量机和专用数控装备等先进制造装备发展 极其迅速，而这些装备的智能运动控制系统已经成为其性能与功能实现的关键因素。例如， 多轴运动控制系统就已经广泛运用于自动化装备中，特别是应用在机床、轻工包装机械、印 刷机械和专用数控加工设备中等自动控制领域中。目前，大多数运动控制系统的硬件结构都较为固定，一般都是将CPU、FPGA和伺服 通信模块集成在一块电路板上，CPU等模块不可更换，系统的性能难以扩展和裁剪。大多数的运动控制系统与伺服驱动系统之间的数据传输主要以脉冲信号和模拟 信号传输两种方式为主，不提供网络总线控制信号传输。脉冲信号和模拟信号传输主要存 在下列问题(a)模拟信号传输形式的主要问题是难以消除零漂、温漂对精度的影响，容易受外 部干涉；脉冲信号传输形式的主要问题是运动控制系统与伺服驱动系统之间是通过非编码 方式直接传递指令脉冲信号的，一旦丢失脉冲或者引入了干扰脉冲，就难以进行查错纠错， 不易保证信息传递的高可靠性；此外，脉冲驱动式的伺服驱动系统接受脉冲的最高频率有 限。因此在传统的运动控制中，上述伺服驱动信号的传输形式严重限制了系统性能和可靠 性的提高。(b)由于采用脉冲信号或模拟信号传输的伺服驱动，每路控制轴必须进行数字/ 脉冲或数字/模拟量转换运算，因此，运动控制系统的每一路控制轴需要提供一组复杂的 接口电路和程序，在运动控制系统的硬件固定后，其控制轴数量就相对固定了，因此，采用 脉冲信号或模拟信号方式传输伺服信号不利于控制轴数量的扩展和裁减。从另一角度来 看，由于每一路控制轴需要提供一组复杂的接口电路和程序，其轴数量越多，供数字/脉冲 或数字/模拟转换的接口电路就需要越多，物理连接也越多，控制系统硬件结构也就越复 杂，出错的概率越高，程序运算负荷越大，不利于系统可靠性和速度的提高，更不利于系统 性能的扩展和裁剪。此外，由于目前现场总线的标准不统一，现场总线的接口类型、数据格式和通讯协 议繁多，给运动控制系统对现场总线的支持造成困难，使大多数现有的支持现场总线的运 动控制系统只能支持一种总线标准，也不利于系统性能的扩展和裁剪。
技术实现思路
本技术的目的在于克服上述现有技术的缺点与不足，提供一种可扩展可裁减 多轴运动控制系统，本技术多轴运动控制系统采用3块处理板，具体包括FPGA基础板、 CPU核心系统板和现场总线伺服通讯板，由于所述CPU核心系统板、现场总线伺服通讯板采 用统一的总线插槽与FPGA基础板相连接，该总线插槽设置有系统内部总线，使得CPU核心3系统板上的CPU专用处理芯片可以根据应用对象的实际需要和功能大小来合理选择不同 的CPU模块，现场总线伺服通讯板也可以根据伺服驱动系统所连接的现场总线实际类型来 具体选择，从而使得控制轴数量的扩展和裁减更方便，使得本技术系统具备了可扩展 可裁减CUP核心系统板、现场总线伺服通讯板的特点，同时，本技术系统采用现场总线 来传输运动控制指令，实现了全数字信号进行多轴运动控制，伺服信息传输可靠性高、速度 快，而且结构简单，也使被控制轴的数量能够灵活扩展或裁减。本技术的目的是通过下述技术方案实现的一种可扩展可裁减多轴运动控制 系统，包括CPU核心系统板、FPGA基础板和现场总线伺服通讯板；所述CPU核心系统板、现 场总线伺服通讯板通过统一的总线插槽与FPGA基础板相连接，该总线插槽设置有系统内 部总线；所述FPGA基础板设置有串行通信接口和用于负责系统内部总线通讯控制的FPGA 芯片，所述FPGA芯片通过串行总线与上位机相连接，以接收上位机下发的数控指令；所述CPU核心系统板设置有用于对接收FPGA芯片传来的数控指令并进行运动规 划计算和插补计算，以将计算得出多轴运动控制指令经FPGA基础板下发给现场总线伺服 通讯板的CPU专用处理芯片；所述现场总线伺服通讯板通过现场总线与总线型伺服驱动系统的各个伺服驱动 轴相连接，以将多轴运动控制指令按照现场总线的通讯协议向总线型伺服驱动系统的各个 伺服驱动轴发送。通过本技术上述技术方案就可以实现全数字信号进行多轴运动控 制。优选的，所述FPGA基础板还设置有与脉冲型伺服驱动系统的各个伺服驱动轴相 连接的多轴脉冲伺服驱动插槽，由于CPU专用处理芯片计算得出的多轴运动控制指令为数 字信号，所以，所述FPGA芯片相应设置有用于将多轴运动控制指令从数字信号形式转换为 脉冲信号形式的数字信号/脉冲信号转换电路，所述数字信号/脉冲信号转换电路与多轴 脉冲伺服驱动插槽相连接。通过上述方案，CPU专用处理芯片计算得出的多轴运动控制指 令经数字信号/脉冲信号转换电路转换成脉冲信号形式的多轴伺服脉冲指令，再经多轴脉 冲伺服驱动插槽发送给脉冲型伺服驱动系统的各个伺服驱动轴。通过上述优选方案，就可 以通过多轴脉冲伺服驱动插槽来实现传统的脉冲多轴运动控制，从而使得本技术在具 备现场总线全数字信号进行多轴运动控制的功能外，还兼容了传统的脉冲多轴运动控制， 使得本技术控制策略灵活，具有灵活的应用性。具体的，所述现场总线伺服通讯板设置有相互连接的现场总线专用芯片和数据收 发及控制专用电路，所述收发信号转换电路通过现场总线与总线型伺服驱动系统的各个伺 服驱动轴相连接。所述多轴运动控制指令依次经现场总线专用芯片、数据收发及控制专用 电路进行相关处理后，按照现场总线的通讯协议和同步性要求，向总线型伺服驱动系统的 所有伺服驱动轴发送运动控制指令。需要说明的是，在现有的伺服驱动系统中，伺服驱动轴有纯总线型、纯脉冲型以及 其他类型，更有些是同时支持总线型和脉冲型的，也就是既是总线型也是脉冲型伺服驱动 系统，相应的，伺服驱动系统既是总线型也是脉冲型伺服驱动系统。另外，所述FPGA基础板还可以设置有光电隔离模块和外部I/O接口，相应的，所述 FPGA芯片设置有I/O处理模块，所述FPGA芯片通过其I/O处理模块依次与光电隔离模块、外部I/O接口和外部I/O设备相连接，以提供1/0信号输入输出。由于本多轴运动控制系统中有大量的、用于运动规划计算和插补计算的数据和程 序要储存，但单靠CPU专用处理芯片的片内存储器会限制系统的性能，因此，在CPU核心系 统板上还可以设置有分别与CPU专用处理芯片相连接FALSH ROM和SDRAM存储芯片来进行 存储；利用CPU专用处理芯片的闪速存储器，在不改动硬件的条件下，可以实现不同的应用 对象的控制，可以多次修改不同的数据和程序。优选的，所述FPGA基础板所设置的多轴脉冲伺服驱动插槽为4轴脉冲伺服驱动插 槽，它能使本多轴运动控制系统以脉冲方式同时驱动与4轴或4轴以下的脉冲型伺服驱动 系统。所述FPGA基础板、CPU核心系统板和现场总线伺服通讯板各自设置有相应的电源 电路，各电源电路采用统一的输入电压。所述FPGA基础板的FPGA芯片通过串行总线与上位机相连接，其优选方案是所述 FPGA基础板和上位机均设置有USB接口和URAT接口，FPGA芯片通过FPGA基础板的USB接 口或URAT接口，采用串行总线与上位机的USB接口或URAT接口对应连接。所述CPU核心系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可扩展可裁减多轴运动控制系统，其特征在于：包括ＣＰＵ核心系统板、ＦＰＧＡ基础板和现场总线伺服通讯板；所述ＣＰＵ核心系统板、现场总线伺服通讯板通过统一的总线插槽与ＦＰＧＡ基础板相连接，该总线插槽设置有系统内部总线；所述ＦＰＧＡ基础板设置有串行通信接口和用于负责系统内部总线通讯控制的ＦＰＧＡ芯片，所述ＦＰＧＡ芯片通过串行总线与上位机相连接，以接收上位机下发的数控指令；所述ＣＰＵ核心系统板设置有ＣＰＵ专用处理芯片，该ＣＰＵ专用处理芯片用于对接收ＦＰＧＡ芯片传来的数控指令并进行运动规划计算和插补计算，以将计算得出多轴运动控制指令经ＦＰＧＡ基础板下发给现场总线伺服通讯板；所述现场总线伺服通讯板通过现场总线与总线型伺服驱动系统的各个伺服驱动轴相连接，以将多轴运动控制指令按照现场总线的通讯协议向总线型伺服驱动系统的各个伺服驱动轴发送。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高伟强，潘伟华，沈烈，阎秋生，卿朝廷，黄邹亚，
申请(专利权)人：广州市诺信数字测控设备有限公司，广东工业大学，
类型：实用新型
国别省市：81[中国|广州]