一種基于以太網(wǎng)的一體化多軸運動控制器制造技術

本實用新型專利技術公開了一種基于以太網(wǎng)的一體化多軸運動控制器，由主控板、通信板、接口板和電源板組成，安裝在一個帶散熱孔、ＡＣ２２０Ｖ電源和輸入輸出連接端子的屏蔽盒內(nèi)，主控板包括ＤＳＣ處理器、ＤＳＣ外部總線、ＦＰＧＡ芯片、外部ＳＲＡＭ以及其它接口電路；通信板包括千兆以太網(wǎng)物理芯片、脈沖變壓器、ＬＣＤ顯示模塊以及通用可編程Ｉ／Ｏ端子；接口板包括光電編碼器輸入接口端子、模擬輸入端子、模擬控制輸出端子、脈沖控制輸出以及光電隔離Ｉ／Ｏ端子。本實用新型專利技術在單片ＦＰＧＡ上集成了ＲＳＩＣ處理器和與ＤＳＣ及主控機的運動控制高速接口，控制器本體與主控機完全分離，通過千兆以太網(wǎng)實現(xiàn)了對目標設備的高速、高精度、全閉環(huán)位置控制。（*該技術在2020年保護過期，可自由使用*）

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本技術涉及一種基于以太網(wǎng)的一體化多軸運動控制器，屬于智能控制器領 域。
技術介紹
運動控制器是通過對以電機驅(qū)動的目標裝置或設備進行協(xié)調(diào)控制，使其按照預期 的作業(yè)軌跡進行運動的控制裝置。它是電子、機械制造業(yè)的核心技術裝備。從與主控計算 機數(shù)據(jù)通信方式來分，目前運動控制器主要分為兩類一是基于計算機標準并行總線(如 PCI、ISA總線)的運動控制器，二是基于計算機標準串行總線(如USB、RS-232、Ethernet 等)的運動控制器。前者通常做成控制卡，通過金手指與主控計算機主板擴展槽物理 連接，并與主控機共電源。后者通常做成獨立控制器，通過串行通信電纜與主控計算機 連接，由于它在結構上與主控機完全脫離，所以又稱獨立式運動控制器。實踐表明，基于并 行總線的運動控制器存在以下不足(1)運動控制卡不能脫離主控計算機主板，易受電磁 輻射干擾；(2)運動控制卡與主機共電源，易產(chǎn)生電源耦合，特別是影響模擬控制(DAC)輸 出的控制精度；(3)運動控制卡通過金手指與主控計算機并行總線作機械接觸連接， 易產(chǎn)生接觸不良，使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定；(4)運動控制器(或主控計算機)與伺服驅(qū)動器之間 需要相對較長的電纜連接，易受環(huán)境影響。
技術實現(xiàn)思路
本技術針對上述缺點，提供一種高速高可靠性的基于以太網(wǎng)的一體化多軸運 動控制器。本技術可以通過采取以下技術方案予以實現(xiàn)一種基于以太網(wǎng)的一體化多軸運動控制器，由主控板、通信板、接口板和電源板組 成，安裝在一個帶散熱孔、AC220V電源和輸入輸出連接端子的屏蔽盒內(nèi)。其中主控板由DSC 處理器、DSC外部總線、FPGA芯片、外部SRAM以及其它接口電路構成。通信板由千兆以太網(wǎng) 物理芯片、脈沖變壓器、IXD顯示模塊以及通用可編程IO端子等構成。接口板由光電編碼 器輸入接口端子、模擬輸入端子、模擬控制輸出端子、脈沖控制輸出以及光電隔離輸入/輸 出端子等構成。所述FPGA芯片包括RSIC微處理器、lO/lOO/lOOOMbps以太網(wǎng)MAC接口模 塊、控制脈沖輸出接口模塊、光電編碼器輸入接口模塊、高速位置捕捉模塊、數(shù)字1/0接口 模塊、雙向FIFO內(nèi)存和LCD接口。控制脈沖輸出接口模塊、光電編碼器輸入接口模塊和數(shù) 字1/0接口模塊的一端分別通過DSC外部總線與DSC處理器相連，另一端通過接口板的連 接端子與目標設備的相應接口相連；以太網(wǎng)MAC接口模塊的一端與RSIC微處理器相連，另 一端通過通信板上的千兆以太網(wǎng)物理芯片及網(wǎng)絡變壓器和RJ45與遠程計算機相連。在通 信板上集成一個IXD顯示屏，該顯示屏通過通信板上的連接器接入DSC外部總線。本技術還可以包括外部SRAM，所述外部SRAM通過DSC外部總線與DSC處理器 相連，用于傳輸和保存數(shù)據(jù)。3與現(xiàn)有技術相比較，本技術具有以下優(yōu)點本技術采用S0C(SyStem on Chip)技術，在單片F(xiàn)PGA上集成了運動控制器的高速接口，再通過DSC處理器對各高速接口 進行控制，實現(xiàn)對目標設備(通常是數(shù)控系統(tǒng)、機器人系統(tǒng))的高速、高精度、全閉環(huán)位置控 制，同時，增設以太網(wǎng)接口，能實現(xiàn)遠程控制。本技術應用FPGA，SOC和DSC技術，實現(xiàn) 了一種高性能獨立式運動控制器，可廣泛應用于高速精密數(shù)控機床、工業(yè)機器人、三坐標測 量機、高速貼片機、激光雕刻、等離子切割、PCB鉆銑床等其他需要高速、高精度的位置控制 的各種場合。附圖說明圖1是本技術的多軸運動控制器的結構框圖。圖2是本技術的運動控制器系統(tǒng)軟體結構圖。圖3是本技術的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信指令系統(tǒng)示意圖。圖4是本技術的DSC運動控制指令系統(tǒng)流程圖。具體實施方式以下結合附圖對本技術的具體實施方式作詳細描述。如圖1所示，本技術控制器由DSC處理器、DSC外部總線和FPGA芯片構成，所 述FPGA芯片包括RSIC微處理器、lO/lOO/lOOOMbps以太網(wǎng)MAC接口模塊、帶方向控制脈沖 輸出接口模塊、具有高速位置鎖存功能的光電編碼器輸入接口模塊、數(shù)字輸入/輸出接口 模塊、雙向FIFO內(nèi)存和LCD接口，所述控制脈沖輸出接口模塊、光電編碼器輸入接口模塊和 數(shù)字輸入/輸出接口模塊的一端分別通過DSC外部總線與DSC處理器相連，另一端與數(shù)控 設備的相應接口相連，DSC是一款高性能的32位浮點數(shù)字信號處理器，由它處理所有與運 動控制相關的指令和程序，并通過對光電編碼器接口、控制脈沖輸出接口、高速位置鎖存和 數(shù)字輸入/輸出接口等的控制，實現(xiàn)對目標設備(通常是數(shù)控系統(tǒng)、機器人系統(tǒng))的高速、 高精度、全閉環(huán)位置控制；所述IXD接口與IXD顯示屏相連；所述以太網(wǎng)MAC接口模塊的一 端與RSIC微處理器相連，通過雙向FIFO與DSC處理器相連，另一端通過千兆以太網(wǎng)物理芯 片和脈沖變壓器及RJ45與遠程計算機相連，其中MACIP由FPGA內(nèi)置的NIOS II微處理器 進行管理，負責通過雙向FIFO與DSC接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。所有器件集成在4塊PCB底板上， 包括主控板、通信板、接口板和電源板，安裝在一個專門設計的帶散熱孔、AC220V電源和輸 入輸出連接端子的屏蔽盒內(nèi)。控制器通過標準以太網(wǎng)接口端子RJ45或串行接口端子RS232 與主控計算機連接；通過專用接口端子與數(shù)控設備連接。此種方案能使運動控制器與主控 計算機之間在最大程度上進行電磁隔離，克服了基于并行總線結構的運動控制器的弊端， 改善和提高了控制器本身和運動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本技術采用了美國ALTERA公司提供的10/100/1000以太網(wǎng)MAC接口 IP軟 核，該軟核可通過ALTERA提供的SOPC構建器軟件在CYCLONE III FPGA上實現(xiàn)，并可與其 它lO/lOO/lOOOMbps以太網(wǎng)物理芯片進行無縫連接。為保證取得高性能，同時考慮對交換 數(shù)據(jù)進行實時處理，還采用了 NIOS II RSIC微處理器IP核，并由RSIC微處理器對以太網(wǎng) 通訊接口進行管理。脈沖輸出控制向位置閉環(huán)控制系統(tǒng)提供頻率和脈沖個數(shù)連續(xù)可編程的 具有50%占空比的脈沖，且其頻率在0-6MHz范圍內(nèi)連續(xù)變化。為保證頻率精度，本技術采用了直接數(shù)字頻率合成器(DDS)技術，具有頻率 切換速度快，頻率分辨率高、對硬件要求低、可靠性高等優(yōu)點。該DDS脈沖發(fā)生器的相位累 加器的位數(shù)為36位，在時鐘頻率120MHz時，輸出信號頻率在0. 0017Hz 6MHz，頻率分辨率 為 0. 0017Hz。光電編碼器是閉環(huán)控制系統(tǒng)的位置檢測器件，其精度和分辨率決定了閉環(huán)控制系 統(tǒng)的精度特性。為提高閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度和分辨率，需要對光電編碼器(或光柵)的輸 出脈沖進行倍頻和鑒相，其目的是提高位置分辨率，獲取電機的實際轉(zhuǎn)動方向(或工作臺 移動方向)，提高抗干擾能力。本技術運用VHDL在FPGA中實現(xiàn)四倍頻，鑒相電路采用 全數(shù)字反饋電路，該電路采用32位可逆計數(shù)器，在時鐘頻率240MH時，輸入信號上限頻率可 達22MHz。實驗表明，該電路在時鐘頻率為信號頻率10倍以上時是穩(wěn)定可靠的。本技術的軟件控制部分主要由客戶端運動控制指令系統(tǒng)、下位機端以太網(wǎng)數(shù) 據(jù)通信指令系統(tǒng)和下位機端DSC運動控制指令系統(tǒng)所組成，如圖2所示。(1)客戶端運動控制指令系統(tǒng)客戶端運動控本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種基于以太網(wǎng)的一體化多軸運動控制器，由主控板、通信板、接口板和電源板組成，安裝在一個帶散熱孔、ＡＣ２２０Ｖ電源和輸入輸出連接端子的屏蔽盒內(nèi)，其特征在于，所述主控板包括ＤＳＣ處理器、ＤＳＣ外部總線、ＦＰＧＡ芯片、外部ＳＲＡＭ以及其它接口電路；所述通信板包括千兆以太網(wǎng)物理芯片、脈沖變壓器、ＬＣＤ顯示模塊以及通用可編程Ｉ／Ｏ端子；所述接口板包括光電編碼器輸入接口端子、模擬輸入端子、模擬控制輸出端子、脈沖控制輸出以及光電隔離Ｉ／Ｏ端子。

【技術特征摘要】
一種基于以太網(wǎng)的一體化多軸運動控制器，由主控板、通信板、接口板和電源板組成，安裝在一個帶散熱孔、AC220V電源和輸入輸出連接端子的屏蔽盒內(nèi)，其特征在于，所述主控板包括DSC處理器、DSC外部總線、FPGA芯片、外部SRAM以及其它接口電路；所述通信板包括千兆以太網(wǎng)物理芯片、脈沖變壓器、LCD顯示模塊以及通用可編程I/O端子；所述接口板包括光電編碼器輸入接口端子、模擬輸入端子、模擬控制輸出端子、脈沖控制輸出以及光電隔離I/O端子。2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于以太網(wǎng)的一體化多軸運動控制器，其特征在于，所 述FPGA芯片包括RSIC微處理器、lO/lOO/lOOOMbps以太網(wǎng)MAC接口模塊、控制脈沖輸出接 口模塊、光電編碼器輸入接口模塊、高速位置捕捉模塊、數(shù)字I/O接口模塊、雙向FIFO內(nèi)存 和LCD接口。3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于以...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：周學才，李衛(wèi)平，趙向前，
申請(專利權)人：深圳信息職業(yè)技術學院，
類型：實用新型
國別省市：94[]