[發(fā)明專利]一種基于FPGA的通用工業(yè)運動控制系統(tǒng)及基于該運動控制系統(tǒng)的控制方法

有效

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• 申請日: 2014-06-06
• 公開（公告）號: CN103984275A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫敬颋;毛琨
• 申請（專利權(quán)）人: 北京敬科海工科技有限公司
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042;G05B19/418
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務(wù)所 23109
• 代理人: 張宏威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及工業(yè)運動控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)

現(xiàn)場總線控制技術(shù)是20世紀80年代在國際上發(fā)展起來的工業(yè)控制技術(shù)，各個控制節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)進行連接，極大的簡化了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)繁瑣的布線功能，因此在工控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，現(xiàn)場總線標準種類繁多，有ModBus、Profibus、CAN、LonWorks等，并沒有事實的標準，不同廠家的伺服驅(qū)動器、運動控制器、PLC等工控設(shè)備支持不同的網(wǎng)絡(luò)，必須采用支持該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工控設(shè)備，這樣就給系統(tǒng)的集成帶來了困難，也增加了系統(tǒng)成本。

在工業(yè)領(lǐng)域中，運動控制系統(tǒng)已經(jīng)在裝配加工、機器人控制、數(shù)控機床等場合得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有的運動控制器對于工控網(wǎng)絡(luò)的支持也存在類似的問題，在進行組網(wǎng)時必須使用支持相同協(xié)議的設(shè)備。對于不同協(xié)議的設(shè)備之間只能使用協(xié)議轉(zhuǎn)接器進行轉(zhuǎn)換，增加了系統(tǒng)成本，也降低了通訊速率。

另外，對于控制精度較高的場合，運動控制器有時需要進行位置閉環(huán)控制。不同種類的位置傳感器支持的接口協(xié)議可能不一樣，因此在使用位置傳感器構(gòu)成系統(tǒng)閉環(huán)控制時，運動控制器或者位置傳感器的接口必須統(tǒng)一起來，這也給系統(tǒng)集成帶來很大的困難。

目前高性能的運動控制器普遍采用DSP作為主控芯片，應(yīng)用于運動控制時，能夠較好的完成軌跡規(guī)劃、坐標變換等控制算法。但是此類系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)場合時，常常需要與人機接口設(shè)備HMI、PLC以及作為節(jié)點工業(yè)以太網(wǎng)或者其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行組網(wǎng)，將通訊與狀態(tài)監(jiān)控功能集成在DSP時會占用大量的系統(tǒng)資源，降低控制性能，一般會采用獨立的控制芯片進行通訊與狀態(tài)監(jiān)控。這種方式會使系統(tǒng)硬件更加復雜，同時增加系統(tǒng)硬件成本和開發(fā)成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有運動控制器在進行工業(yè)組網(wǎng)和運動控制時，對于常用工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議和位置傳感器接口協(xié)議支持較少且固定，導致運動控制器無法與外部設(shè)備兼容的缺陷，同時，現(xiàn)有運動控制器的控制方法過于復雜導致控制時間長和精度低的問題，提出了一種基于FPGA的通用工業(yè)運動控制系統(tǒng)。

一種基于FPGA的通用工業(yè)運動控制系統(tǒng)，其特征在于，它包括：

用于同時與外部現(xiàn)場總線、上位機、電機伺服驅(qū)動器和SD存儲卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并根據(jù)接收的數(shù)據(jù)信息進行運動學計算的FPGA模塊，

用于實現(xiàn)外部現(xiàn)場總線與FPGA模塊進行數(shù)據(jù)交互的總線接口模塊，

用于實現(xiàn)上位機與FPGA模塊進行數(shù)據(jù)交互的USB接口模塊，

用于實現(xiàn)SD存儲卡與FPGA模塊進行數(shù)據(jù)交互的SD卡接口模塊，

用于實現(xiàn)電機伺服驅(qū)動器與FPGA模塊進行數(shù)據(jù)交互的驅(qū)動器接口模塊，

用于將加載FPGA模塊的引腳和資源配置信息和執(zhí)行FPGA模塊中存儲的系統(tǒng)軟件，并將該配置信息進行存儲的配置模塊，

用于將外部輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將該數(shù)字信號輸送至FPGA模塊的A/D轉(zhuǎn)換模塊。

所述FPGA模塊內(nèi)部有軟件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)接收計算模塊，所述數(shù)據(jù)接收計算模塊包括：

用于通過總線接口模塊接收外部現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)的外部現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)接收模塊，

用于通過總線接口模塊向外部現(xiàn)場總線發(fā)送數(shù)據(jù)的外部現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，

用于通過USB接口模塊接收上位機數(shù)據(jù)的上位機數(shù)據(jù)接收模塊，

用于通過USB接口模塊向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)的上位機數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，

用于通過SD卡接口模塊接收SD存儲卡數(shù)據(jù)的SD存儲卡數(shù)據(jù)接收模塊，

用于通過SD卡接口模塊向SD存儲卡發(fā)送數(shù)據(jù)的SD存儲卡數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，

用于通過驅(qū)動器接口模塊接收電機伺服驅(qū)動器數(shù)據(jù)的電機伺服驅(qū)動器數(shù)據(jù)接收模塊，

用于通過驅(qū)動器接口模塊向電機伺服驅(qū)動器發(fā)送數(shù)據(jù)的電機伺服驅(qū)動器數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，

用于對外部現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)、上位機數(shù)據(jù)、電機伺服驅(qū)動器數(shù)據(jù)和SD存儲卡數(shù)據(jù)進行解析，并將解析結(jié)果發(fā)送至浮點處理器的定點處理器，

用于根據(jù)解析結(jié)果進行邏輯運算，并將邏輯運算結(jié)果發(fā)送至電機控制模塊的浮點處理器，

用于根據(jù)邏輯運算結(jié)果對電機伺服驅(qū)動器進行控制的電機控制模塊。

所述電機控制模塊包括：

用于識別當前對電機伺服驅(qū)動器進行控制的控制方法為開環(huán)控制方法或閉環(huán)控制方法的電機控制識別模塊，當控制方法為開環(huán)控制方法時，電機控制識別模塊向閉環(huán)控制模塊發(fā)送停止工作的信號，當控制方法為閉環(huán)控制方法時，電機控制識別模塊向閉環(huán)控制模塊發(fā)送開始工作的信號，