一种高集成度运动控制系统及其工作方法与流程

1.本发明应用于系统架构的技术领域,特别涉及一种高集成度运动控制系统及其工作方法。


背景技术：

2.随着科学技术的高速发展，人们对电子产品的依赖程度日益增长，伴随而来的就是电子产品的质量保障及工作的稳定性，每款产品在面世之前都花费了大量的成本在测试上，确保产品的功能和寿命。随着工业4.0的提及以及国家对此的大力支持，使自动化领域得到了很大的发展，尤其在制造行业，智能制造被提出，制造的自动化，客制化，应运而生，这些都需要更为先进的运动控制系统，测试系统为其提供支持。
3.现有运动控制系统结构一般是电机驱动器 plc模式，这个模式成本较低，但plc综合能力较差，无法实现远程控制，如果要实现与产线快速整合往往需要经验丰富工程师连续调试很久才能实现功能。更不用提快速换线功能，实现远程控制与监测更是需要花费大量的人力物力才能做到。
4.现有的另一种系统是德国倍福为代表的现场总线方式，用ethercat以太网控制自动化技术或者其他总线把所有装置连接到一起，甚至可以实现由一台主机控制一条产线，这样架构明显优于第一种，可以快速换线，主机往往是能与pc性能相媲美的设备，可以实现数据交互，于外网通讯实现远程控制与数据监测，甚至可以实现客制化，由终端客户选择所需产品功能，通过网络来输入到产线，由产线自动客制化产品。但是，这种架构成本往往较高，功能越多，其价格往往是指数倍上升。其技术被垄断在几个自动化领域大公司，价格不亲民是其无法普及的主要原因。
5.而传统的驱动器一般只能控制一轴电机，这样在实现诸如圆弧，插补等轨迹时，即使用总线的方式，其效果也不会特别优异。所以像这种复杂应用一般选用可以同时控制两个轴的驱动器，这样可以实现较为复杂算法，但是其通用性就会变的很差，无法实现不同驱动器之间的复杂算法。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种轴与轴之间协同工作灵活、编译简单方便、可扩展性高且调整灵活的高集成度运动控制系统及其工作方法。
7.本发明所采用的技术方案是：本发明包括核心板和驱动板，所述核心板上设置有异构芯片、内存模块以及通讯模块，所述异构芯片包括复数个处理核心、数字信号处理模块以及fpga模块，所述驱动板包括复数个电机驱动模块和电源模块；所述fpga模块用于控制单个所述电机驱动模块输出相应的控制信号给外部动作机构的电机；所述数字信号处理模块用于进行所述fpga模块中的算法控制实现多个所述电机驱动模块联动或控制单个所述电机驱动模块输出相应的控制信号给外部动作机构的电机；
至少一个所述处理核心用于与所述数字信号处理模块协同进行所述fpga模块中的算法控制或独立进行所述fpga模块中的算法控制；至少一个所述处理核心用于系统逻辑编程和通过所述通讯模块进行以太网通讯；所述电源模块为各个模块提供工作电压。
8.由上述方案可见，在硬件架构方面，采用所述核心板连接在所述驱动板上的架构，通过采用分体式设计，可以根据不同的功率选择对应的驱动板，提高灵活性，适应不同工作要求的运动装置。所述电机驱动模块用于控制运动系统不同轴的工作，复数个所述电机驱动模块与所述fpga模块之间采用通用tcp/ip协议通讯，可以实现不同运动轴之间协同操作，提高了负责系统的快速集成。通过设置复数个所述处理核心，实现进行系统逻辑编程和通讯的核心独立，提高处理性能，通过其余的所述处理核心和所述数字信号处理模块对所述fpga模块进行控制以及多轴联动时的复杂算法运算，提高运动系统的响应速度，实现机械运动系统的高灵活性作业。所述核心板用于进行数据的处理和运算，能够通过调整所述驱动板上设置的模块能够实现改变整体功能，如设置io板能够进行接口的扩展，进而连接更多的动作设备进行控制，如气缸，同样能够设置模拟信号采集卡。通过所述核心板上的所述通讯模块进行以太网通讯，进而实现相同架构的控制板进行相互通讯和协同，能够实现搭建复杂自动化系统。
9.一个优选方案是，所有所述处理核心和所述数字信号处理模块均与所述内存模块连接，两个所述处理核心之间以及所述处理核心与所述数字信号处理模块之间通过所述内存模块通讯。
10.由上述方案可见，所有所述处理核心和所述数字信号处理模块通过共享所述内存模块实现进行相互之间的通讯，使用共享内存进行通信不用传送而是直接访问，加快了核心之间通讯的效率。
11.一个优选方案是，所述核心板上还设有与所述处理核心、所述数字信号处理模块电连接的存储模块，所述存储模块用于进行数据的存取。
12.由上述方案可见，用于进行系统逻辑编程和通讯的所述处理核心内烧录有底层系统，基础的操作系统为linux或wince或vxworks，编写语言采用脚本语言，如python，lua，javascript等，易于交互，无需专业的plc工程师进行编程，由普通的软件工程即可完成运动。所述处理核心、所述内存模块以及所述存储模块构成基础的操作系统，所述储存模块内还烧录有所述数字信号处理模块的驱动程序，通过在操作系统上运行所述数字信号处理模块的驱动程序，进而给所述数字信号处理模块发送命令提供通道，实现对所述fpga模块的控制，进行单个电机的驱动以及多个电机的联动等。
13.一个优选方案是，所述通信模块包括用于与外部的服务器或终端进行通讯的连接模块，所述连接模块为usb组件或wifi模块或网口模块。
14.由上述方案可见，通过usb接口或无线连接或以太网连接实现所述核心板与外部的服务器或终端进行通讯，进而进行所述核心板内程序的编译。
15.进一步的优选方案是，所述通信模块还包括phy芯片，所述处理核心通过所述phy芯片进行以太网通信。
16.一个优选方案是，所述驱动板上设有与所述核心板相适配的连接器。
17.由上述方案可见，通过设置所述连接器进行连接，实现所述驱动板上各个模块与
所述核心板的连接通讯以及供电等。
18.一个优选方案是，所述驱动板上还设置有显示器，所述显示器与所述异构芯片通讯连接。
19.由上述方案可见，通过设置所述显示器进行运行状态、参数信息等数据的显示。便于进行交互。
20.所述高集成度运动控制系统的工作方法包括以下流程：首先，用户对用于系统逻辑编程和通过所述通讯模块进行以太网通讯的所述处理核心中的系统进行程序编译以及各项参数值的设定；复数个所述处理核心之间通过共享运行内存实现通信，参与所述数字信号处理模块以及所述fpga模块调用的所述处理核心获取参数信息后输出给定值至ip核；ip核根据需要控制电机发送对应数据至计数器，计数器通过相应通道输出参数信号至所述fpga模块，由所述fpga模块执行对应电机的驱动算法输出相应的pwm信号至对应的所述电机驱动模块中执行；其次，电机启动后检测电路获取所述电机驱动模块中其中两相的电流信号并反馈，通过模数转换器将电流信号转换为数字信号，同时工作过程中电机上的光电编码器反馈包含有转速和转动角度的脉冲信号；通过ip核进行电流信号转换后的数字信号、转速和转动角度的数字信号打包后再进行广播，一路发送至所述fpga模块作为比较值，另一路发送至选择监测模块，选择监测模块同时还与所述fpga模块的各个节点连接，选择监测模块根据计数器输出的指令调取相应通道的数据送去进行数据处理打包，同步采样器进行连续的数据获取并写入所述内存模块中供所述处理核心调用读取。
21.一个优选方案是，所述驱动算法包括以下流程：接收到电流信号、转速和转动转动角度的数字信号后，所述fpga模块根据转动角度对接收到电流信号进行clarke算法和park算法的解耦转换成代表电机工作力矩的数字信号和代表电机工作时磁通量的数字信号；然后力矩的数字信号、磁通量的数字信号、转速信号均发送至所述fpga模块中的数据选择模块与所述处理核心输出的设定值进行pi控制算法的计算，根据调整的数值计算获得调整所需的其余参数的数值，再通过park算法和clarke算法将数据重新编译为pwm信号输出至相应的所述电机驱动模块。
附图说明
22.图1是本发明的连接框图；图2是所述工作方法的流程图；图3是所述驱动算法的流程图。
具体实施方式
23.如图1至图3所示，在本实施例中，本发明包括核心板1和驱动板2，所述核心板1上设置有异构芯片3、内存模块4以及通讯模块5，所述异构芯片3包括两个处理核心6、数字信号处理模块7以及fpga模块8，所述驱动板2包括四个电机驱动模块9和电源模块10；所述fpga模块8用于控制单个所述电机驱动模块9输出相应的控制信号给外部动作机构的电机；所述数字信号处理模块7用于进行所述fpga模块8中的算法控制实现四个及以内的所述电机驱动模块9联动或控制单个所述电机驱动模块9输出相应的控制信号给外部动作机构的
电机；一个所述处理核心6用于与所述数字信号处理模块7协同进行所述fpga模块8中的算法控制或独立进行所述fpga模块8中的算法控制；另一个所述处理核心6用于系统逻辑编程和通过所述通讯模块5进行以太网通讯；所述电源模块10为各个模块提供工作电压。
24.所述核心板1用于进行数据的处理和运算，能够通过调整所述驱动板2上设置的模块能够实现改变整体功能，如设置io板能够进行接口的扩展，进而连接更多的动作设备进行控制，如气缸，同样能够设置模拟信号采集卡。通过所述核心板1上的所述通讯模块5进行以太网通讯，进而实现相同架构的控制板进行相互通讯和协同，能够实现搭建复杂自动化系统。
25.在本实施例中，所述处理核心6为xc7z020的cpu核心，所述内存模块为512m ddr3的运行内存。
26.在本实施例中，所有所述处理核心6和所述数字信号处理模块7均与所述内存模块4连接，两个所述处理核心6之间以及所述处理核心6与所述数字信号处理模块7之间通过所述内存模块4通讯。用于进行系统逻辑编程和通讯的所述处理核心内烧录有底层系统，在本实施例中基础的操作系统为linux，编写语言采用脚本语言python，能够快速方便的进行电机动作的编译，以及轴与轴之间相互协同的工作协调。
27.在本实施例中，所述核心板1上还设有与所述处理核心6、所述数字信号处理模块7电连接的存储模块11，所述存储模块11用于进行数据的存取，所述存储模块11为8g的存储器。
28.在本实施例中，所述通信模块包括用于与外部的服务器或终端进行通讯的连接模块12，所述连接模块12为usb组件或wifi模块或网口模块。
29.在本实施例中，所述通信模块还包括phy芯片13，所述处理核心6通过所述phy芯片13进行以太网通信。
30.在本实施例中，所述驱动板2上设有与所述核心板1相适配的连接器。所述驱动板2上还设置有显示器14，所述显示器14与所述异构芯片3通讯连接。所述驱动板2上还设置保护电路和检测电路，所述保护电路用于放置静电损坏元器件，所述检测电路用于检测电流电压等参数，便于所述处理核心6进行控制。
31.如图2和图3所示，所述高集成度运动控制系统的工作方法包括以下流程：使用人员对用于进行通讯和运行系统的所述处理核心6中的进行程序编译以及各项参数值的设定；两个所述处理核心6之间通过共享运行内存实现通信，参与所述数字信号处理模块7以及所述fpga模块8调用的所述处理核心6获取参数信息后输出设定值至ip核；ip核根据需要控制电机选择通道发送对应数据至计数器reg32模块，计数器reg32模块通过相应通道输出参数信号至所述fpga模块8，由所述fpga模块8执行对应电机的驱动算法，并输出相应的pwm信号至对应的所述电机驱动模块9进行执行；电机启动后检测电路获取所述电机驱动模块9中u、v两相的电流信号并反馈，通过模数转换器将电流信号转换为数字信号，同时工作过程中电机上的光电编码器反馈包含有转速和转动角度的脉冲信号；通过ip核进行电流数据、转速和转动角度的数据打包后再进行广播，一路发送至所述fpga模块8作为比较值，另一路发送至选择监测模块，选择监测模块同时还与所述fpga模块8的各个节点连接，选择监测模块根据计数器reg32输出的指令调取广播数据或所述fpga模块8的节点数据送去进行数据处理打包，再由同步采样器进行连续的数据获取并写入所述内存模块4中供所述处理核心6
调用读取。
32.所述驱动算法包括以下流程：接收到电流数据、转速和转动角度的数据后，所述fpga模块8根据转动角度对接收到电流信号进行clarke算法和park算法的解耦转换成代表电机工作力矩的数字信号和代表电机工作时磁通量的数字信号；然后力矩的数字信号、磁通量的数字信号、转速信号均发送至所述fpga模块8中的数据选择模块与所述处理核心6输出的设定值进行pi控制算法的计算，根据调整的数值计算获得调整所需的其余参数的数值，再通过park算法和clarke算法将数据重新编译为pwm信号输出至相应的所述电机驱动模块9。