专利名称：一种基于现场总线的控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于数控装置的控制技术领域，具体涉及一种基于现场总线的控制装置，用于数控装置的位置和速度控制。
背景技术：
现有的伺服驱动器通常采用“脉冲量或模拟量接口 ”，脉冲、模拟量的通信方式， 存在通信速率低，控制复杂，且不适合长距离传输等问题；而现场总线的通信方式具有实时性、同步性和高可靠性的特点，是发展高速、高精的数控系统必不可少的通信方式；因此，将 “脉冲量或模拟量接口 ”的伺服驱动器应用于现场总线的通信方式是必然趋势。在现有的文献中，已经存在现场总线的控制装置，例如专利文献200820143750. 4 中提出的控制模块，是将PR0FIBUS-DP协议用于工业控制系统中，电动执行机构普遍采用直流模拟信号作为控制信号，然而采用模拟控制方式的工业控制系统存在抗干扰能力差， 可靠性差的问题，提出的控制模块将PR0FIBUS-DP现场总线技术应用于工业控制系统，解决了这个问题，但是这种控制模块不适用与数控系统，数控系统中的控制方式、反馈信息与工业控制系统存在差异。专利文献200610134747. 1提出的位置控制装置，只具有“脉冲接口”，也就是只能对伺服驱动器进行位置控制，对于“模拟量接口”的伺服驱动器是不能连接使用的。本实用新型的控制装置不仅可以连接“脉冲接口，，伺服驱动器，可以对伺服驱动器进行位置控制； 也可以连接“模拟量接口”伺服驱动器，可以对伺服驱动器进行速度控制。
实用新型内容为了克服上述不足，本实用新型的目的是提供一种可靠性高、通信速率高、控制简单的基于现场总线的控制装置，采用PHY芯片和FPGA共同作用的硬件平台，结合模块间的信号转换要求和现场总线的特点，能够解决“脉冲量或模拟量接口，，伺服驱动器通信速率低，控制复杂，且不适合长距离传输等问题。实现本实用新型的目的所采用的具体技术方案为—种基于现场总线的控制装置，设置在数控系统和伺服驱动器之间，利用现场总线对伺服电机进行位置和速度控制，其特征在于，该控制装置包括码盘信号输入模块、I/O 模块、D/A输出模块、脉冲输出模块和FPGA模块，所述码盘信号输入模块、I/O模块、D/A输出模块和脉冲输出模块分别与FPGA模块连接；数控系统发出的指令经现场总线输入到所述FPGA模块中，经处理后再分别通过所述D/A输出模块和脉冲输出模块输入到伺服驱动器，对伺服电机进行位置和速度控制； 另外，伺服电机上的码盘反馈信号和I/O输入信号分别输入到所述码盘信号输入模块和所述I/O模块，经处理后输入到所述FPGA模块，进行信号采集和转换处理后，经现场总线发送到数控系统。基于现场总线的控制装置通过光纤介质与数控系统连接，采用现场总线的通信方式与数控系统进行通信。本控制装置通过信号线与伺服驱动器连接，将伺服驱动器的码盘反馈信号和I/O信号输入本控制装置，并将本控制装置发出的脉冲/模拟量指令，I/O指令输入伺服驱动器，对伺服电机进行位置和速度控制。控制装置包括码盘信号输入模块；I/O模块；D/A输出模块；脉冲输出模块；光纤接口 ；高密36接口 ；FPGA模块。这些模块的组合，实现了将基于总线驱动的输入/输出信号(包括位置/速度指令、编码反馈信号以及相关输入/输出)转成伺服可以接收的输入
/输出信号。伺服电机上的码盘反馈信号通过高密36接口输入到码盘信号输入模块，该模块将码盘反馈信号进行保护滤波、差分转单、电平转换后输入到FPGA模块。码盘反馈信号可以是绝对式编码器的反馈信号，也可以是增量式编码器的反馈信号。伺服驱动器的I/O输入信号通过高密36接口输入I/O模块，经该I/O模块光电隔离和电平转换后输入到FPGA模块。码盘反馈信号和I/O输入信号在FPGA模块进行信号采集、转换处理，然后通过光纤接口发送到数控系统。数控系统发出的位置和速度指令通过光纤接口输入到FPGA模块中，进行转换、位置环控制单元、选择单元处理，分别通过D/A输出模块和脉冲输出模块输入到伺服驱动器， 对伺服电机进行位置和速度控制。数控系统发出的I/O输出指令通过光纤接口输入到FPGA模块中，进行转换处理， 通过I/O模块输入到伺服驱动器，对伺服电机进行控制。D/A输出模块、脉冲输出模块和I/O模块都通过高密36接口与伺服驱动器连接。 所有伺服驱动器的控制和反馈信号通过高密36接口与基于现场总线的控制装置连接。两个高密36接口可以连接两台伺服驱动器，并同时运行。高密36接口也可以替换为DB25等连接器。光纤接口是本控制装置用于现场总线通信的发送/接收接口，本控制装置通过光纤介质与数控系统连接。光纤接口也可以替换为RJ-45或DB9，光纤介质则相应地替换为双绞线。FPGA模块是本控制装置的信号处理模块，FPGA提供现场总线协议的实现、信号的转换及位置环控制的实现。所述的FPGA模块包括总线上传/下载单元、码盘信号转换单元、位置环控制单元、 选择单元、D/A控制单元、脉冲转换单元和I/O转换单元；所述码盘信号转换单元、位置环控制单元、选择单元、脉冲转换单元和I/O转换单元分别与所述总线上传/下载单元相连；所述选择单元还与所述D/A控制单元连接；数控系统发出的脉冲指令、速度指令和I/O输出指令由所述总线上传/下载单元下载，其中，下载的脉冲指令通过所述脉冲转换单元输出，该脉冲指令同时通过所述位置环控制单元处理后转换为速度指令，直接下载的速度指令或经所述位置环控制单元转换的速度指令经过所述选择单元，其中一个速度指令被选中后经D/A控制单元后输出，下载的I/O 输出指令经I/O转换单元输出；所述码盘反馈信号和I/O输入信号分别经所述码盘信号转换单元和I/O转换单元处理后，由总线上传/下载单元上传到现场总线中。通过FPGA中的总线上传/下载单元、码盘信号转换单元、位置环控制单元、选择单元、D/A控制单元、脉冲转换单元、I/O转换单元将输入/输出到FPGA中的信号进行处理。输入到FPGA中的码盘反馈信号和I/O输入信号经过码盘信号转换单元和I/O转换单元处理后，由总线上传/下载单元上传到现场总线中。总线上传/下载单元经光纤接口下载脉冲指令、速度指令、I/O输出指令。下载的脉冲指令可以通过脉冲转换单元输出，也可以通过位置环控制单元处理后转换为速度指令；直接下载的速度指令和经位置环控制单元处理后的速度指令通过选择单元，选择其中一种类型，经D/A控制单元输出；下载的I/O输出指令经I/O转换单元输出。选择单元可选择模拟量的两种应用模式第一种应用模式，是实现信号转发的功能，把网络的速度指令直接通过D/A转换为模拟量输出；第二种应用模式，是在FPGA中实现位置环的控制，将网络中的脉冲指令和码盘的反馈信号通过位置环及D/A转换为模拟量输出ο本实用新型可以将“脉冲量或模拟量接口，，的伺服驱动器的输入/输出信号转换成现场总线驱动的输入/输出信号，可以解决脉冲、模拟量的通信方式存在的问题，使现场总线能够用于“脉冲量或模拟量接口，，的伺服驱动器，实现数控系统控制强实时、高可靠性要求。本实用新型的有益效果是1、本实用新型采用光纤接口，与数控系统采用现场总线的通信方式，增强了数控系统控制强实时、高可靠性要求。2、本实用新型采用FPGA实现信号转换及控制，码盘信号输入模块、I/O模块D/A输出模块、脉冲输出模块、光纤接口都直接与FPGA连接，减少了信息转换及处理的延时，实现控制的实时性。3、本实用新型采用脉冲量接口和模拟量接口，可控制“脉冲量或模拟量接口，，的伺服驱动器，实现位置或速度控制。
图1是基于现场总线的控制装置的使用连接说明图。图2是基于现场总线的控制装置的总体结构图。图3是控制装置的码盘信号输入模块示意图。图4是控制装置的D/A输出模块示意图。图5是控制装置的脉冲输出模块示意图。图6是控制装置的FPGA信号流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。图1为基于现场总线的控制装置的使用连接说明图。基于现场总线的控制装置通过光纤介质与数控系统连接，采用现场总线的通信方式与数控系统进行通信。本控制装置通过信号线与伺服驱动器连接，将伺服驱动器的码盘反馈信号和I/O信号输入本控制装置，并将本控制装置发出的脉冲/模拟量指令，I/O指令输入伺服驱动器，对伺服电机进行位置和速度控制。[0038]图2为基于现场总线的控制装置的总体结构图，包括码盘信号输入模块；I/O模块；D/A输出模块；脉冲输出模块；光纤接口 ；高密36接口 ；FPGA模块。所述码盘信号输入模块、I/O模块、D/A输出模块和脉冲输出模块分别与FPGA模块连接。伺服电机上的码盘反馈信号通过高密36接口输入到码盘信号输入模块，该模块将码盘反馈信号进行保护滤波、差分转单、电平转换后输入到FPGA模块。码盘反馈信号可以是绝对式编码器的反馈信号，也可以是增量式编码器的反馈信号。伺服驱动器的I/O输入信号通过高密36接口输入I/O模块，经该I/O模块光电隔离和电平转换后输入到FPGA 模块。码盘反馈信号和I/O输入信号在FPGA模块进行信号采集、转换处理，然后通过光纤接口发送到数控系统。数控系统发出的位置和速度指令通过光纤接口输入到FPGA模块中，进行转换、位置环控制单元、选择单元处理，分别通过D/A输出模块和脉冲输出模块输入到伺服驱动器， 对伺服电机进行位置和速度控制。数控系统发出的I/O输出指令通过光纤接口输入到FPGA 模块中，进行转换处理，通过I/O模块输入到伺服驱动器，对伺服电机进行控制。D/A输出模块、脉冲输出模块和I/O模块都通过高密36接口与伺服驱动器连接。所有伺服驱动器的控制和反馈信号通过高密36接口与基于现场总线的控制装置连接。两个高密36接口可以连接两台伺服驱动器，并同时运行。光纤接口是本控制装置用于现场总线通信的发送/接收接口，本控制装置通过光纤介质与数控系统连接。FPGA模块是本控制装置的信号处理模块，FPGA提供现场总线协议的实现、信号的转换及位置环控制的实现。(1)码盘信号输入模块图3为码盘信号输入模块的示意图，两路码盘差分信号分别从两个高密36接口输入。根据电机协议配置为绝对式编码器或者相对式编码器，输入的码盘差分信号经过保护电路，使电压值稳定在一定范围内；滤波电路采用RC电路进行处理；绝对式编码器和相对式编码器的码盘信号通过两种不同的芯片进行差分接收及电平转换处理；电平转换后的信号输入FPGA，FPGA将接收的电平信号转换成总线可以传输的数字量，经过光纤接口后上传到总线中。(2) I/O 模块提供12路10-1队12路10-0肌，分配到两个高密36接口输出。12路IO-IN根据不同型号的伺服可以进行灵活配置，可以自定义12路IO-IN的含义，输入的IO信号使用指示灯进行显示，经过光电隔离电路，通过FPGA处理后，经过光纤接口上传到总线中进行传输。12路IO-OUT根据不同型号的伺服可以进行灵活配置，可以自定义12路IO-OUT的含义，经过光纤接口下载的IO数字信号经过FPGA处理并经过光电隔离电路后输出，并通过外围硬件电路的指示灯进行显示，以便观察。(3)D/A输出模块图4为D/A输出模块的示意图，两路D/A模拟量信号分别从两个高密36接口输出。 此信号的来源根据控制装置的配置有两种不同的方式产生第一种方式是从光纤接口下载的信号，在FPGA中实现并转串产生；第二种方式是在FPGA实现位置环，通过处理脉冲指令和编码器的反馈信号产生。两种方式产生的信号都采用D/A转换芯片转换为模拟量，经放大电路后，输出信号电压值分别为0 10V，-IOV +10V。输出的模拟信号作为伺服驱动器的控制信号，以电压模拟量的形式控制伺服驱动器的速度。(4)脉冲输出模块图5为脉冲输出模块的示意图，两路脉冲信号分别从两个高密36接口输出。从光纤接口下载的脉冲信号，在FPGA中转换成脉冲串和脉冲方向，通过电平转换和单转差分电路，从高密36接口输出。输出的脉冲信号作为伺服驱动器的控制信号，以脉冲的形式控制伺服驱动器的位置。(5)光纤接口选择光纤作为现场总线的传输介质，采用PHY芯片及光纤模块实现光电转换处理。现场总线协议都在FPGA中得以实现，完全独立于实时操作系统、CPU性能或软件实现方式，能够很好地满足工业自动化控制的强实时、高可靠性要求。(6)高密 36 接口高密36接口连接伺服驱动器，所有伺服驱动器的控制信号通过高密36接口与基于现场总线的控制装置连接，两个高密36接口可以连接两台伺服驱动器，并同时运行。(7) FPGA 模块FPGA模块是本控制装置的信号处理模块，FPGA提供现场总线协议的实现、信号的转换及位置环控制的实现。图6是FPGA信号流程示意图，包括总线上传/下载单元、码盘信号转换单元、位置环控制单元、选择单元、D/A控制单元、脉冲转换单元、I/O转换单元。输入到FPGA中的码盘反馈信号和I/O输入信号经过码盘信号转换单元和I/O转换单元处理后，由总线上传/下载单元上传到现场总线中。总线上传/下载单元经光纤接口下载脉冲指令、速度指令、I/O输出指令。下载的脉冲指令可以通过脉冲转换单元输出，也可以通过位置环控制单元处理后转换为速度指令；直接下载的速度指令和经位置环控制单元处理后的速度指令通过选择单元，选择其中一种类型，经D/A控制单元输出；下载的I/O输出指令经I/O转换单元输出。选择单元可选择模拟量的两种应用模式第一种应用模式，是实现信号转发的功能，把网络的速度指令直接通过D/A转换为模拟量输出；第二种应用模式，是在FPGA中实现位置环的控制，将网络中的脉冲指令和码盘的反馈信号通过位置环及D/A转换为模拟量输出ο
权利要求1.一种基于现场总线的控制装置，设置在数控系统和伺服驱动器之间，利用现场总线对伺服电机进行位置和速度控制，其特征在于，该控制装置包括码盘信号输入模块、I/O模块、D/A输出模块、脉冲输出模块和FPGA模块，所述码盘信号输入模块、I/O模块、D/A输出模块和脉冲输出模块分别与FPGA模块连接；数控系统发出的指令经现场总线输入到所述FPGA模块中，经处理后再分别通过所述 D/A输出模块和脉冲输出模块输入到伺服驱动器，对伺服电机进行位置和速度控制；另外， 伺服电机上的码盘反馈信号和I/O输入信号分别输入到所述码盘信号输入模块和所述I/ 0模块，经处理后输入到所述FPGA模块，进行信号采集和转换处理后，经现场总线发送到数控系统。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述的FPGA模块包括总线上传/下载单元、码盘信号转换单元、位置环控制单元、选择单元、D/A控制单元、脉冲转换单元和I/ 0转换单元；所述码盘信号转换单元、位置环控制单元、选择单元、脉冲转换单元和I/O转换单元分别与所述总线上传/下载单元相连；所述选择单元还与所述D/A控制单元连接；数控系统发出的脉冲指令、速度指令和I/O输出指令由所述总线上传/下载单元下载， 其中，下载的脉冲指令通过所述脉冲转换单元输出，该脉冲指令同时通过所述位置环控制单元处理后转换为速度指令，直接下载的速度指令或经所述位置环控制单元转换的速度指令经过所述选择单元，其中一个速度指令被选中后经D/A控制单元后输出，下载的I/O输出指令经I/O转换单元输出；所述码盘反馈信号和I/O输入信号分别经所述码盘信号转换单元和I/O转换单元处理后，由总线上传/下载单元上传到现场总线中。
3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，所述码盘信号输入模块将所述码盘反馈信号通过高密36接口输入，进行保护滤波、差分转单和电平转换后输入到所述FPGA 模块中。
4.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，所述的码盘反馈信号为绝对式编码器的反馈信号或增量式编码器的反馈信号。
专利摘要本实用新型公开了一种基于现场总线的控制装置，包括码盘信号输入模块、I/O模块、D/A输出模块、脉冲输出模块和FPGA模块，位置和速度指令输入到所述FPGA模块中，再分别通过D/A输出模块和脉冲输出模块输入到伺服驱动器；伺服电机上的码盘反馈信号和I/O输入信号分别输入到码盘信号输入模块和输入I/O模块，经处理后输入到所述FPGA模块，码盘反馈信号和I/O输入信号在FPGA模块进行信号采集、转换处理，然后经现场总线发送到数控系统。本实用新型将“脉冲量或模拟量接口”的伺服驱动器的输入/输出信号转换成现场总线驱动的输入/输出信号，可以解决脉冲、模拟量的通信方式存在的问题，实现数控系统控制强实时、高可靠性要求。
文档编号G05B19/418GK202120092SQ20112007354
公开日2012年1月18日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者周芳芳, 唐小琦, 唐玉枝, 夏亮, 宋宝, 尹玲, 张翊诚, 王翰, 陈天航 申请人:华中科技大学, 武汉华中数控股份有限公司