[发明专利]一种多轴运动控制器及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及数控技术与自动化控制技术领域，具体涉及一种高速高精的多轴伺服电机运动控制器，充分利用上下位机的各自优势资源，实现高速高精控制、输出，控制各个电机协调运动，使得机器人获得较高的定位精度，从而实现机器人的精确运动控制。

背景技术

运动控制系统是一种利用数字信号对执行机构的位移、速度、加速度和动作顺序等实现自动控制的控制系统，广泛应用于机器人、智能化加工技术和CAD/CAM技术，包括各类数控检测设备、数控加工设备、串并联机器人等自动化设备。

运动控制系统的实现，目前多采用嵌入式控制器和基于PC(个人电脑)的控制器的形式。

基于PC的控制器又分为两大类：使用高速现场总线和“PC+运动控制卡”。高速现场总线即PC机端通过通讯线缆走总线协议与控制板卡连接；PC+运动控制卡即将运动控制卡插入主机PCI插槽中。基于PC的控制器可以将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制卡的运动轨迹控制能力有机地结合在一起。

目前的运动控制器普遍存在以下缺点：

嵌入式控制器受所选核心处理器芯片的性能限制，其运算能力和存储容量有限，造成升级、扩展困难。整机系统开发周期长，跟不上芯片更新换代的速度。因此，目前高端市场主要以基于PC的系统为主。

基于PC使用高速现场总线的控制器，很多总线协议裁剪复杂，开发周期长，开发成本高；对已有的伺服驱动器基本不兼容，无法通信。

PC+运动控制卡式的运动控制器需要将运动控制卡插入计算机主板，占用PCI总线带宽，占用CPU资源，对控制主机的硬件要求高。还需要从PCI卡上引出控制线连接到扩展卡，成本高，引出脚的数量也相当有限，硬件不可裁剪，可扩展性不强。

因此，提供一种通讯速度快、控制精度高的运动控制器和运动控制系统为本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于PC使用EtherCAT总线通讯和三核处理器（ARM+DSP+FPGA）运算处理的控制器，上位PC机只需要发送一些运动相关数据参数至下位机，如终点坐标与设定速度等，以及档位、启动、暂停、停止等命令，真正意义上把运动控制在下位机实现，而且在某一些特定应用上可以依靠通用输入输出端子操作实现脱机运行。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于EtherCAT通信与三核处理器（ARM+DSP+FPGA）的多轴伺服电机运动控制器，其特征在于，包括独立设置的上位机，用于接收上位机控制命令包的下位机；上位机与下位机之间通过EtherCAT总线实现通信连接，下位机用于数据处理以及将处理结果通过EtherCAT总线再上传到上位机；下位机包括ARM处理器、DSP处理器、FPGA处理器以及以三核处理器为控制核心的外围模块，所述外围模块包括电源模块、伺服电机控制输出模块、伺服电机状态反馈模块、编码器反馈模块、AD/DA模块、EtherCAT通讯模块、通用输入输出模块。

优选地，所述伺服电机控制输出模块包括多个原理相同的对应每个轴的脉冲与方向控制输出单元，控制电机的运行速度、方向与定位。伺服电机状态反馈模块用于反馈当个各个电机的运行状态；编码器接口模块用于反馈各个电机当前位置；AD/DA模块包括AD/DA转换电路和信号调节电路；EtherCAT通讯模块用于上位机与下位机的高速通讯；通用输入模块用于其他信号的读取，如限位等，输入模块用于其他控制输出，如气缸等。

优选地，所述上位机为通用的带以带网网络接口的电脑，可以是台式机，也可以是笔记本电脑。

优选地，所述下位机采用高性能双核处理器主控芯片TMS320DM8148或TMS320DM8168，该芯片内部集成了1GHz主频Cortex-A8 ARM核与800主频C674x的DSP核，通过EtherCAT总线与上位机进行通信，同时通过并行总线连接FPGA处理器。

优选地，所述上位机解析标准数控G代码，再通过EtherCAT总线发送控制命令包至下位机；下位机将运动代码进行轨迹规划后进行插补控制输出，同时将处理结果及状态反馈等通过EtherCAT总线再上传到上位机。

优选地，所述双核处理器主控芯片的ARM核主要用于与上位机通讯，接收运动代码；双核处理器内部主控芯片的ARM核与DSP核通过共享内存进行数据交互；DSP核进行运动控制轨迹规划、运动控制算法处理、插补运算，并将插补值填入插补缓冲区。