[发明专利]一种基于VPX总线的工件台同步运动控制系统及方法

摘要

一种基于VPX总线的工件台同步运动控制系统及方法，属于半导体等精密机械设备运动控制系统技术领域。该运动控制系统包括VPX总线机箱、CPU主控单元、运动控制单元、光纤接口单元、功率放大器单元、电机驱动器单元、测量单元和人机交互单元；采用本发明的基于VPX总线的工件台运动控制系统综合实现了对于电机轴数多、信息量大以及控制算法复杂等不同平台的适应。该控制系统通过RapidIO总线架构实现系统多处理器的高速互连；通过多核DSP运动控制单元实时、快速完成反馈数据计算；通过光纤接口单元实现各路数据的通信。该控制系统与现有技术相比，不但能够负载复杂的控制算法，而且具有灵活的网络拓扑结构、强实时性、高速数据传输能力以及强大的数据处理能力。 1

主权项

1.一种基于VPX总线的工件台同步运动控制系统，其特征在于：该运动控制系统包括VPX总线机箱(1)、CPU主控单元(2)、运动控制单元(3)、光纤接口单元(4)、功率放大器单元(5)、电机驱动器单元(6)、测量单元(7)和人机交互单元(8)；所述的VPX总线机箱(1)设有一块6U五槽VPX背板(10)、一个电源模块(11)和多个散热风扇(12)；所述的CPU主控单元(2)为一块CPU主控卡(20)；所述的运动控制单元(3)包括一块或者两块DSP运动控制卡(30)；所述的光纤接口单元(4)包括一块或者两块FPGA光纤接口卡(40)；所述的CPU主控卡(20)、DSP运动控制卡(30)和FPGA光纤接口卡(40)均安插在VPX背板(10)上，机箱内每块板卡通过背板上RapidIO总线通道互连；所述的功率放大器单元(5)包括至少一块D/A数模转换卡(50)；每块D/A数模转换卡(50)的输入端与FPGA光纤接口卡(40)对应的SFP光纤接口连接；所述的电机驱动器单元(6)的输入端与相应的D/A数模转换卡(50)的输出端连接，电机驱动器单元(6)的输出端与平面电机电气接口(9)的输入端连接；所述的测量单元(7)包括电涡流信号采集卡、光栅信号采集卡和九轴激光信号采集卡；所述的人机交互单元(8)与CPU主控单元通过有线或者无线连接，该人机交互单元(8)包括远程监控模块(80)、手动控制模块(81)和警报器(82)；远程监控模块(80)通过以太网与CPU主控单元(2)连接，手动控制模块(81)和CPU主控单元(2)通过232串行通信线、485串口通信线、蓝牙和USB中的一种或多种的组合相连接；警报器(82)和CPU主控单元(2)通过232串行通信线、485串口通信线、蓝牙和USB中的一种或多种的组合相连接。

2.如权利要求1所述的一种基于VPX总线的工件台同步运动控制系统，其特征在于：所述的VPX背板(10)共有五个槽位，每个槽的P0区提供+12V、+5V供电、系统管理和复位接口，P1区提供四个x4串行RapidIO负载接口，构成基于RapidIO总线的FULLMESH拓扑结构，P2、P3、P4、P5、P6区分别提供PCIe负载接口、GTX接口、千兆以太网接口、TS201LINK接口和同步定时总线接口。

3.如权利要求1或2所述的一种基于VPX总线的工件台同步运动控制系统，其特征在于：所述的CPU主控单元(2)中的CPU主控卡(20)为标准6U板卡，内嵌一片PowerPC微处理器、至少一个4X RapidIO总线接口、至少一个PCI‑E总线接口、至少一个千兆以太网接口、一个串口接口、至少一个USB接口和两条8GB的DDR3内存。

4.如权利要求1或2所述的一种基于VPX总线的工件台同步运动控制系统，其特征在于：所述的运动控制单元(3)中的DSP运动控制卡(30)为标准6U板卡，配置有四片多核TMS320C6678 DSP芯片(301)、一片V6FPGA芯片(302)、一个RapidIO交换芯片(303)和两条16GB的DDR3内存(304)；其中，四片C6678芯片分为两个处理节点，每个节点内的两片C6678之间通过总线Hyperlink互连；每片的所述TMS320C6678 DSP芯片(301)和V6FPGA芯片(302)通过RapidIO交换芯片(303)与VPX总线机箱(1)背板上的RapidIO连接器相互连接。

5.如权利要求1所述的一种基于VPX总线的工件台同步运动控制系统，其特征在于：所述的光纤接口单元(4)中的FPGA光纤接口卡(40)为标准6U板卡，包括一片K7FPGA芯片、一路4X RapidIO总线接口、十二路SFP光纤接口、一路同步定时信号输出接口、一路同步定时信号输入接口和一个JTAG接口。

6.如权利要求1所述的一种基于VPX总线的工件台同步运动控制系统，其特征在于：所述远程监控模块(80)采用台式计算机、笔记本电脑、工控机、平板电脑和智能手机中的一种或多种组合；手动控制模块(81)采用移动式有线或者无线示教盒；警报器(82)采用具有蜂鸣器和LED闪灯的报警器装置。

7.一种采用如权利要求1所述运动控制系统的基于VPX总线的工件台同步运动控制方法，其特征在于：所述运动控制方法包括如下步骤：

1)电涡流信号采集卡、光栅信号采集卡和九轴激光信号采集卡采集到的多路模拟信号转换成光信号，发送至FPGA光纤接口卡(40)；

2)远程监控模块(80)通过以太网通信接口将控制指令发送给CPU主控单元(2)中的CPU主控卡(20)中的PowerPC处理板卡；

3)PowerPC处理板卡将接收到的指令解析并通过RapidIO总线发送到FPGA光纤接口卡(40)；

4)FPGA光纤接口卡(40)将光信号转换成数字信号，将反馈的光纤数据及远程监控模块(80)的指令和数据整理、打包，通过RapidIO总线同步分发给DSP运动控制卡(30)上对应的子节点DSP(301)；

5)各子节点DSP(301)对光纤反馈数据进行多核同步伺服控制，并将控制过程信息和电机控制量通过RapidIO总线返回给FPGA光纤接口卡(40)；

6)FPGA光纤接口卡(40)将经FPGA处理后的电机控制量通过光纤发送到D/A数模转换卡，完成电机模拟控制量的输出，并将控制过程信息反馈至PowerPC处理板卡；

7)PowerPC处理板卡通过以太网通信接口将控制过程信息或紧急信息发送至远程监控模块(80)和警报器(82)。

8.如权利要求7所述基于VPX总线的工件台同步运动控制方法，其特征在于：所述的多核同步伺服控制的流程如下：

1)DSP运动控制卡(30)启动锁相环PLL、计时器、RapidIO初始化程序，并进行多核定时同步设置；

2)所述的多核定时同步设置采用如下步骤：

i.光纤接口单元(4)内置FPGA初始化完成后，通过内部计时器生成T单位的定时脉冲；

ii.每次定时脉冲产生时，FPGA触发DSP运动控制卡(30)上的TMS320C6678的GPIO端口上升沿或下降沿信号，相应的GPIO端口与VPX背板(10)P6接口内的LVDS时钟信号线连接，FPGA光纤接口卡(40)、DSP运动控制卡(30)和CPU主控卡(20)上对应的GPIO端口均与VPX背板(10)P6接口内的LVDS时钟信号线相连；

iii.DSP运动控制卡(30)内四个多核DSP(301)TMS320C6678初始化各自GPIO中断，并禁止相应GPIO端口中断；

iv.将四个TMS320C6678各自的GPIO中断号挂载相应的中断服务子程序，由TMS320C6678的主核通过外设产生一个或多个次级中断事件，作为DSP芯片中片级中断控制器0、1的系统事件触发源；

v.片级中断控制器0、1接收系统中断事件后，将其映射到对应的内部通道口，并产生广播事件，其中内部通道口与TMS320C6678各核内部中断系统连接；

vi.将TMS320C6678各核接收对应的广播事件与各自的伺服中断服务子程序相关联；

3)根据TMS320C6678核号执行相应分支中的控制台参数初始化程序，包括平台运动模式、轨迹参数、测量系统参数、控制器参数、执行器参数初始化；

4)使能TMS320C6678的GPIO端口中断，允许接收由FPGA光纤接口卡(40)产生的T