专利名称：非标数字装备可重构通用控制器的实现方法
非标数字装备可重构通用控制器的实现方法
技术领域：
本发明属于先进制造技术和运动控制技术领域，具体涉及一种非标数字装备可重构通用控制器的实现方法。
背景技术：
非标数字装备操作机是由若干连杆通过转动或移动关节串联而成，可看成一个开式运动链。开链的一端固定在基座上，另一端为末端执行器，用以操作物体，完成各种作业。 非标数字装备控制器是非标数字装备系统中最关键、最重要的部分。现有的非标数字装备操作机控制器多是专用控制器，为封闭式结构，只能是适用于单一运动学模型的单一控制器，一旦控制结构改变就要重新设计控制器，不具通用性、互换性和可重构能力。虚拟仪器技术的应用使得如LabView等组态软件可以构建模块化的控制系统，但对用户有特殊要求的控制系统，采用LabView就难以实现或实现成本过高。且虚拟仪器技术仅仅实现了软件可重构，在硬件方面还未实现“即插即用”的效果。因此，研究一种模块化、可重构的，满足用户不同需求的非标数字装备通用控制器具有重要意义。
发明内容本发明的目的是克服现有非标数字装备控制器不具通用性、互换性和可重构能力的问题，提供一种非标数字装备可重构通用控制器的实现方法。实现非标数字装备控制器的通用化，使得如自动化专机、生产线、立体仓库、包装机、涂胶机、自动焊机、检测设备、2-3 自由度搬运机械手等非标数字装备的控制器具有通用性、互换性和可重构能力。本发明提供的非标数字装备可重构通用控制器的实现方法是第一、基于FPGA (Field Programmable Gate Array)构建非标数字装备通用控制器硬件结构，实现硬件可重构。控制器软件内嵌非标数字装备操作机参数化运动学模型库包括 RR、PP、RP、PR、RRR、RRP> RPR、RPP> PPR、PPP> PRR> PRP (P-表示移动关节，R-表示旋转关节)十二种参数化运动学模型。该模型库具备了参数化的特征，满足了非标数字装备操作机控制器具备通用性的要求。第二、基于PCL6045B实现非标数字装备通用控制器运动控制模块；第三、参数化的运动学模型由控制器调用，进而实现非标数字装备操作机的轨迹规划，完成非标数字装备操作机的运动控制。本发明提供的可重构通用控制器内嵌参数化运动学模型库，不是针对某一台非标数字装备操作机，而是针对非标数字装备操作机建立的一种抽象操作机运动学模型。参数输入包括自由度、连杆、关节运动副的参数。在该抽象运动学模型中，自由度数既可能为1 个，也可能是2个或3个，任何一个运动关节既可能是移动关节，也可能是旋转关节。用户可以选择操作机运动学模型，并进行自由度、连杆、关节运动副的结构参数输入。如3自由度运动学模型可以选择的结构类型有8种，分别为RRR、RRP> RPR、RPP> PPR、PPP> PRR、PRP。本发明可重构通用控制器硬件结构以工控机为上位机，基于
3FPGA(FieldProgrammable Gate Array)扩展了下位机板卡，系统实时任务由FPGA完成，并且根据需要对FPGA进行任务配置，实现控制器的通用性。以VC++6. O平台构建了开放式模块化控制系统软件，软件结构分为人机界面层与下位机驱动层，通过动态链接进行通信，可根据需要更换不同品牌硬件，实现不同品牌硬件的互换性。本发明的优点和积极效果本发明提供了非标数字装备可重构通用控制器实现方法。本发明具有以下技术效果(1)本发明提出的方法使得非标数字装备控制器具有通用性，根据非标数字装备操作机形式的不同，只须在人机交互界面选择对应的运动学模型并输入D-H参数即可。(2)当非标数字装备操作机某关节损坏时，控制器可自动识别该关节，并自动选择运动学模型完成任务，具有一定的容错能力。(3)当非标数字装备操作机结构改变时，只须在选择对应的运动学模型并输入 D-H参数即可，应用本方法的控制器拥有可重构能力。(4)本发明可用于非标数字装备的控制，也可用于其它运动控制系统。
图1硬件系统结构；图2运动控制模块架构设计；图3非标数字装备操作机控制器结构示意图。
具体实施方式实施例1 下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明1、硬件系统设计系统硬件包括控制和AD/DA两部分，工控机作为人机交互，以可重构逻辑器件 FPGA为控制核心，基于ISA总线协议，扩展了 AD采集卡、IO卡、运动控制卡、DA输出卡等。 系统结构如图1所示。(I)AD采集模块AD采集卡负责模拟信号传感器数据采集，由AD7892-1型芯片作为模数转换器，根据需要由FPGA芯片动态配置，实现多通道模拟信号的同步转换和输出。AD7892-1是美国 AD公司生产的低功耗单电源12位具有采样保持功能的模数转换器，可并行或串行输出， AD7892-1输入信号范围为士 IOV或者士5V(可设置)，输入信号过压保护电压为士 17V，采样转换速率为500kSPS。AD采集卡可以保证在测试过程中对各个传感器读取的同步性以及对数据采集实时性的要求，能够获得较高的检测精度。(2) IO 模块数字I/O模块采用四片8255可编程并行接口芯片构成，用以扩展FPGA的输入与输出。8255芯片有A 口、B 口和C 口 3个输入/输出口。I/O卡选择8255芯片在方式1的工作方式下，A 口作为并行输入口，B 口作为并行输出口，C 口作为A 口和B 口工作时的联络信号。
(3)运动控制模块基于PCL6045B芯片设计了三轴运动控制卡，运动控制卡和主FPGA芯片通过并行总线通信，且运动控制卡可以扩展。如图2所示。(4) DA输出模块DA输出模块以两片TLV5613芯片构成，具有两路DA输出。TLV5613是12位并行 D/A转换器，其数据建立时间在高速模式下为lus，低速模式下为3. 5us。2、软件系统设计控制系统采用了 Windows操作系统，为了准确完成实时控制和数据采集任务，控制软件应当基于实时操作系统，Windows系统虽是多任务分时操作系统，但也能获得较高的定时精度。Windows系统存在两种方式获取定时时钟，一种是WM-TIMER时钟消息，另一种是多媒体定时器。Windows系统以消息处理为其控制机制，WM-TIMER时钟消息总是排在消息队列的最后，当有多个WM-TIMER时钟消息时，Windows系统会将所有的WM-TIMER时钟消息合并成一个消息执行。因而，这种方式不能满足系统实时性的要求。而多媒体定时器是 Windows系统提供的多媒体定时器资源，定时精度能够达到1ms，能够满足系统对实时性的要求。因此，控制系统应用多媒体定时器来完成上位机软件的实时任务。根据非标数字装备对控制系统的要求不同，利用VC++6. 0软件基于面向对象技术可以快速构建模块化的测控系统软件。按测控系统功能分，分为如下模块数据采集与处理模块、图形显示与打印模块、数据存储模块、参数设置模块、通信模块、系统控制模块等。控制系统整体运行结构如图3所示。
权利要求
1. 一种非标数字装备可重构通用控制器的实现方法，其特征在于具体实现方法是(1)基于FPGA(Field Programmable Gate Array)构建非标数字装备通用控制器硬件结构，以工控机为上位机，基于FPGA扩展了下位机板卡，系统实时任务由FPGA完成，并且根据需要对FPGA进行任务配置；(2)基于PCL6045B实现非标数字装备通用控制器运动控制模块；(3)参数化的运动学模型由控制器调用，进而实现非标数字装备操作机的轨迹规划，完成非标数字装备操作机的运动控制。
全文摘要
一种非标数字装备可重构通用控制器的实现方法。目前的非标数字装备控制器多是专用控制器，只能是单一控制器对于单一运动学模型的控制器，一旦控制结构改变就要重新设计控制器，不具通用性、互换性和可重构能力。本发明提出一种非标数字装备可重构通用控制器的实现方法。可重构通用控制器硬件结构以工控机为上位机，基于FPGA(FieldProgrammable Gate Array)扩展了下位机板卡，系统实时任务由FPGA完成，并且根据需要对FPGA进行任务配置。本发明能够使非标数字装备的控制器具有通用性、互换性和可重构能力。
文档编号G05B19/04GK102402188SQ20101028021
公开日2012年4月4日 申请日期2010年9月14日 优先权日2010年9月14日
发明者刘振忠, 赵连玉 申请人:天津理工大学