一种多轴联动运动控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种多轴联动运动控制系统，属于控制系统【技术领域】，包括上位机、下位机、双口RAM、伺服驱动器和电机；DSP与双口RAM相连，DSP通过光电隔离与伺服驱动器相连，伺服驱动器与电机相连；还包括PCI总线、PCI接口芯片、光栅尺、光电隔离和编码器，下位机由CPLD和DSP组成；双口RAM与PCI接口芯片相连，PCI接口芯片通过PCI总线与上位机相连；DSP通过控制总线与CPLD相连，CPLD通过光电隔离与光栅尺相连；电机与编码器相连，编码器与伺服驱动器相连。本发明对数据的运算速度快、精度高、开放性好、可靠性高，且成本低，能够很好的满足的现阶段大多数用户对多轴联动运动数控系统的要求。
【专利说明】一种多轴联动运动控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种运动控制系统，具体是一种多轴联动运动控制系统，属于控制系统【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着制造业的发展，为满足私人定制、小批量生产的趋势，对数控机床的通用性及柔性提出了更高的要求。传统的专用封闭体系结构的数控系统，目前占据着制造行业大部分市场，如Siemens系统、Fanuc系统等，但这类系统需要专门的开发工具，功能扩展性、维修等受到供应商的限制。随着计算机技术的飞速发展，开放式数控系统因其具有可移植性、可协同性、可扩展性等优势，正逐步的成为数控系统的发展趋势，如PC嵌入NC结构、NC嵌入PC结构、SOFT结构的开放式数控系统。但目前此类开放式数控系统在高速通信、网络功能、多CPU总线架构体系、智能化、可靠性等方面还需更大的提高。
[0003]对于一个数控系统来说，其最重要的目的是通过运动控制器收发指令来控制各个轴电机按照指定精度、速度等性能指标实现数控加工。常见的运动控制器是基于大规模集成电路、微处理器、专用芯片等为核心架构的控制器，但此类控制器软硬件工作量比较大、精度不高，对于要求多轴联动且高速轨迹插补的控制则无法实现。基于现场总线的以数字处理器为核心的开放式运动控制器，因其具有高速运算、集成度高、轨迹控制准确、通用性好等特点，此类控制器得到了较为广泛的关注和应用。但就目前来看，此类控制器大多价格昂贵，技术还不成熟，控制精度不高、数据传输速率慢、插补方式落后，故还未形成一种通用的、系列化应用于市场的产品。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种多轴联动运动控制系统，数据传输速度快、控制精度高、开放性好、可靠性高，能够很好的满足现阶段大多数用户对多轴联动运动数控系统的要求，通用性高。
[0005]为了实现上述目的，本发明一种多轴联动运动控制系统，包括上位机、下位机、双口 RAM、伺服驱动器和电机；所述数字信号微处理器DSP通过地址总线和数据总线与双口RAM相连，所述数字信号微处理器DSP通过光电隔离与伺服驱动器相连，伺服驱动器输出端与电机输入端相连；还包括PCI总线、PCI接口芯片、光栅尺、光电隔离和编码器，所述下位机由复杂可编程逻辑器件CPLD和数字信号微处理器DSP组成；
所述双口 RAM通过地址总线和数据总线与PCI接口芯片相连，PCI接口芯片通过PCI总线与上位机相连；
所述数字信号微处理器DSP通过控制总线与复杂可编程逻辑器件CPLD相连，复杂可编程逻辑器件CPLD通过光电隔离与光栅尺相连；
所述电机输出端与编码器输入端相连，编码器输出端与伺服驱动器输出端相连。电机、伺服驱动器和编码器设有若干个且数量相同，且每一个电机对应连接一个伺服驱动器和编码器。
[0006]进一步地，数字信号微处理器DSP连接有扩展SPRAM。
[0007]进一步地，数字信号微处理器DSP连接有扩展JTAG。
[0008]进一步地，复杂可编程逻辑器件CPLD通过光电隔离连接有I/O设备。
[0009]作为优选，I/O设备设有通用的I/O接口。
[0010]本发明具有以下优点:
(I)本发明以下位机作为总控制器，结合PCI总线技术和双口 RAM存储技术的优势，统筹协调着数控系统中各个轴的运动；而以伺服驱动器作为执行元件，控制着每个电机的实际运行。下位机和伺服驱动器各司其职，相互配合，使各自的长处得到了充分的发挥。
[0011](2)本发明双口 RAM是上位机与下位机共同的存储器，具有两组数据总线和地址总线，实现了 PCI总线与数字信号微处理器DSP之间高速的数据缓冲和交换。
[0012](3)本发明设有光栅尺，实时检测工作台的位置并反馈至下位机，实现了本控制系统的闭环控制，提闻了系统的精度和稳定性，从而提闻了广品生广效率和品质。
[0013](4)本发明伺服驱动器根据数字信号微处理器DSP发送的控制脉冲指令进行插补，同时由插补运算计算的理论位置与编码器反馈的实际位置进行比较得出跟随误差，然后对误差进行补偿后形成电机的实际位置，并据跟随误差计算出速度指令值，最后产生PWM脉冲控制电机运行，提高了轨迹控制的精确度。
[0014](5)本发明具有高速、高精度、开放性好、可靠性高等的特点，能够很好的满足的现阶段大多数用户对多轴联动运动数控系统的要求，通用性高，且结构简单，成本低，性价比闻。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明电原理框图。
【具体实施方式】
[0016]下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0017]如图1所示，本发明一种多轴联动运动控制系统，包括上位机、下位机、双口 RAM、伺服驱动器和电机；所述数字信号微处理器DSP通过地址总线和数据总线与双口 RAM相连，所述数字信号微处理器DSP通过光电隔离与伺服驱动器相连，伺服驱动器输出端与电机输入端相连；还包括PCI总线、PCI接口芯片、光栅尺、光电隔离和编码器，所述下位机由复杂可编程逻辑器件CPLD和数字信号微处理器DSP组成；
所述双口 RAM通过地址总线和数据总线与PCI接口芯片相连，PCI接口芯片通过PCI总线与上位机相连；
所述数字信号微处理器DSP通过控制总线与复杂可编程逻辑器件CPLD相连，复杂可编程逻辑器件CPLD通过光电隔离与光栅尺相连；
所述电机输出端与编码器输入端相连，编码器输出端与伺服驱动器输出端相连，所述电机、伺服驱动器和编码器设有若干个且数量相同，且每一个电机对应连接一个伺服驱动器和编码器。伺服驱动器作为执行元件，产生PWM脉冲控制着每个电机运行，并接收和处理编码器反馈的电机转速和转向信号，形成一个局部的闭环控制。[0018]作为本发明对上述技术方案的改进，所述数字信号微处理器DSP连接有扩展SPRAM,为下位机的外扩内存空间，作为数字信号微处理器DSP进行运算时处理大量数据的备用存储空间，提高了数据的运算速度。
[0019] 作为本发明对上述技术方案的改进，所述数字信号微处理器DSP还连接有扩展JTAG，作为调试主控芯片的接口，便于用户二次开发，使得本多轴联动运动控制系统具有较好的开放性，灵活性高。
[0020]作为本发明对上述技术方案的进一步，所述复杂可编程逻辑器件CPLD通过光电隔离连接有I/o设备，该输入输出设备设有通用的I/O接口，便于用户开发，提高了本控制系统的可扩展性和通用性，满足了现阶段大多数用户对多轴联动运动数控系统的要求，同时本发明结构简单，制造成本低，性价比较高，有利于推广。
[0021]本发明工作时，由上位机上运行的应用软件发送各种控制指令，经PC程序译码、预处理等处理后，经PCI接口芯片传送到双口 RAM中；烧写在数字信号微处理器DSP里的控制程序从双口 RAM中读取指令或数据，并根据读入的指令或数据进行实时的插补运算，然后产生位置控制脉冲经光电隔离处理后输入到各个电机轴的伺服驱动器。伺服驱动器根据数字信号微处理器DSP发送的控制脉冲指令再进行插补，同时由插补运算计算的理论位置与编码器反馈的实际位置进行比较得出跟随误差，然后对误差进行补偿后形成电机的实际位置，并据跟随误差计算出速度指令值，最后产生PWM脉冲控制电机运行。
[0022]所述PCI总线是上位机与下位机传输控制指令和数据交换的通道，具有传输速度快和数据吞吐量大的特点，32位传输时可达132MB/S，而且还具有支持热插拔、电源管理等功能。其接口芯片选用PCI9054芯片，可将32位高速PCI总线转换为简便易用的类似于ISA总线的8位主动并行接口。
[0023]所述的下位机主要是由复杂可编程逻辑器件CPLD和数字信号微处理器DSP作为主控芯片的控制模块。其主要实现处理上位机控制指令和光栅尺信号及内外部突发事件，完成插补运算，并发送位置控制脉冲指令至伺服驱动器。还将实时的各轴运动信息及系统相关信息反馈至上位机，实现实时的人机交互。
[0024]所述的双口 RAM (Dual-PortRAM)是上位机与下位机共同的存储器，具有两组数据总线和地址总线，实现PCI总线与数字信号微处理器DSP之间高速的数据缓冲和交换。本系统采用IDT公司的双口 RAM IDT7025，将双口 RAM分别映射到数字信号微处理器DSP的XINTF区域(有效地址2000H~3FFFH)和PCI接口芯片PCI9054的存储空间(有效地址0000H~1FFFH)，从而使双方都将其当作自己存储器的一部分，保证了高速可靠的数据通?目。
[0025]所述的数字信号微处理器DSP为下位机的主控芯片，可实现自适应控制、模糊控制及人工神经网等智能控制算法，其插补器可实现非均匀有理B样条(NURBS)的算法。本系统主控芯片选用TI公司生产的DSP-TMS320F281x芯片，可实现迅速的处理中断、高速运算、故障处理、收发数据等功能。
[0026]所述的CPLD为下位机复杂可编程逻辑控制器件，主要功能是处理光栅尺反馈位置信号及完成I/o接口的扩展以及读写逻辑等其他一些外围电路。本系统选用Altera公司的ΕΡΜ7064产品，由于其具有在系统编程的功能，用户可根据需要对软件和硬件的进行重新配置，使得本多轴联动运动控制系统具有很大的灵活性。
【权利要求】
1.一种多轴联动运动控制系统，包括上位机、下位机、双口 RAM、伺服驱动器和电机；所述数字信号微处理器DSP通过地址总线和数据总线与双口 RAM相连，所述数字信号微处理器DSP通过光电隔离与伺服驱动器相连，伺服驱动器输出端与电机输入端相连； 其特征在于，还包括PCI总线、PCI接口芯片、光栅尺、光电隔离和编码器，所述下位机由复杂可编程逻辑器件CPLD和数字信号微处理器DSP组成； 所述双口 RAM通过地址总线和数据总线与PCI接口芯片相连，PCI接口芯片通过PCI总线与上位机相连； 所述数字信号微处理器DSP通过控制总线与复杂可编程逻辑器件CPLD相连，复杂可编程逻辑器件CPLD通过光电隔离与光栅尺相连； 所述电机输出端与编码器输入端相连，编码器输出端与伺服驱动器输出端相连；所述电机、伺服驱动器和编码器设有若干个且数量相同，且每一个电机对应连接一个伺服驱动器和编码器。
2.根据权利要求1所述的一种多轴联动运动控制系统，其特征在于，所述数字信号微处理器DSP连接有扩展SPRAM。
3.根据权利要求2所述的一种多轴联动运动控制系统，其特征在于，所述数字信号微处理器DSP连接有扩展JTAG。
4.根据权利要求3所述的一种多轴联动运动控制系统，其特征在于，所述复杂可编程逻辑器件CPLD通过光电隔离连接有I/O设备。
5.根据权利要求4所述的一种多轴联动运动控制系统，其特征在于，所述I/O设备设有通用的I/o接口。
【文档编号】G05B19/414GK103901822SQ201410087227
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】刘新华, 郑显华, 陈小虎, 李生鹏, 王冬冬 申请人:中国矿业大学