运动控制系统的制作方法

本发明涉及数控技术领域，特别是指一种用于高速高精度控制的运动控制系统。

背景技术：

通常，加工中心或者机械手臂的运动控制系统的工作流程是：先解析代码程序，执行代码指令，运动插补，发送脉冲信号至伺服驱动器执行运动控制。因此，程序解析能力、插补处理能力、电机驱动器通信周期、电机驱动器内部控制周期依次构成高速运动控制效果的瓶颈。比如，在高速加工中心由于电机驱动器滞后，而无法充分伺服驱动器的性能，导致轨迹误差加大。在机械手臂的高速运动中，由于手臂的动力学的复杂性，控制无法达到最优的效果，产生较大的振动。

目前克服瓶颈的一类解决方案是省略加工程序解析、插补处理；专利文献1：国际公开第2001/044882号所记载的方法，在存在于数控装置的外部的二进制数据生成装置中，预先基于CAD数据以及切削条件，按照伺服控制的位置控制周期执行插补，将经由加减速处理以及前馈处理而生成的二进制格式的移动指令直接输入至伺服控制部。由此，数控装置能够省略加工程序解析、插补处理，因此，能够消除所述瓶颈，充分发挥伺服控制的位置控制性能。

尽管此类型的方案省略加工程序解析、插补处理，按照伺服控制的位置控制周期执行插补极大提高了伺服驱动控制的精度，也带来了灵活性变差的缺点。比如，由于完全省略了加工程序解析处理、机械控制部处理，实现利用实时变化的信息(电动机的反馈信息等)的功能变得困难。

技术实现要素：

按目前的嵌入式系统的计算能力，省略加工程序解析、插补处理已不能带来多大的性能提升，按照伺服控制的位置控制周期执行插补并将结果直接输入至伺服控制部，已经足以有效突破高速控制的瓶颈。因此，本发明提出一种按伺服控制的位置控制周期执行插补计算同时执行伺服控制的方案，每次执行各轴的电机控制，先进行一次插补计算，克服了编译型系统灵活性差的缺点，可进一步消除高速高精度控制的瓶颈。

一种运动控制系统，包括：通讯模块，外部存储模块，指令-代码解析执行模块，桥接模块，协处理器模块，插补-电机控制模块，电流环控制模块、多个电机功率驱动模块，编码器信号输入模块，IO(输入输出端口)控制模块；

通讯模块，外部存储模块，指令-代码解析执行模块负责运动控制系统与外部的通讯，外部存储模块存储代码数据，指令-代码解析执行模块根据指令和代码产生插补模块执行的运动控制指令；

电机控制计算模块，电流环控制模块，电机功率驱动板实现电机驱动控制功能；IO控制模块负责运动控制系统IO端口的控制；

插补计算和电机控制计算被放在一个模块之中，各轴电机共用一个插补计算-电机控制模块，这个模块按先后顺序周期性地逐一进行各轴电机控制计算；插补计算是根据本伺服电机和与之联动的电机的编码器反馈的信号来进行的，得到插补计算结果之后，进行电机控制计算，计算结束后立刻将结果发送至电流环控制模块执行输出，完成本电机本次周期的控制。

所述的桥接模块实现各模块的桥接；所述协处理器模块加速本系统所需的部分复杂计算和实现了部分实时控制功能；桥接模块和协处理器模块集成在一片FPGA芯片之中。

所述的通讯模块，外部存储模块，指令-代码解析执行模块由一片独立的处理器芯片实现，这一片处理器芯片通过并口连接至桥接芯片；

插补计算-伺服电机控制计算模块由一片独立的处理器芯片实现，这一片处理器芯片通过并口连接至桥接芯片；计算模块把一些复杂计算任务交给协处理器模块完成。

电流环控制模块由一片独立的处理器芯片实现，这一片处理器芯片通过并口连接至桥接芯片；

发明的有益效果是，将伺服控制器集成在运动控制系统中，节省了伺服控制器与运动控制系统的通讯环节，使系统的安全性提高；多轴控制在一个插补-电机控制模块之中，提高了联动控制的精度。

附图说明

图1为本发明运动控制系统一个实施例的模块结构图。

具体实施方式

图1为本发明运动控制系统一个实施例的模块结构图。包括通讯模块，外部存储模块，指令-代码解析执行模块，桥接模块，协处理器模块，插补-电机控制模块，电流环控制模块、多个电机功率驱动模块，编码器信号输入模块，IO(输入输出端口)控制模块；

在本实施例中，各接入模块并口数据交换功能；所述协处理器模块加速本系统所需的部分复杂计算和实现了部分实时控制功能；桥接模块和协处理器模块集成在一片FPGA芯片之中。

在本实施例中，插补-电机控制模块由一片独立的处理器芯片实现，这一片处理器芯片通过并口连接至桥接芯片；计算模块把一些复杂计算任务交给协处理器模块完成。

在本实施例中，电流环控制模块由一片DSP芯片实现，采用的电流控制策略是PI控制，脉冲宽度调制方式为SVPWM，这一片处理器芯片通过并口连接至桥接芯片。

在本实施例中，通讯模块，外部存储模块，指令-代码解析执行模块集成在一片独立的处理器芯片实现，这一片处理器芯片通过并口连接至桥接芯片；通讯模块优选以太网接口，处理器移植支持TCP/IP协议的协议栈；优选的，外部存储模块为SD卡，处理器移植FAT32文件系统。

在本实施例中，IO控制模块通过8位并口连接至桥接芯片。

根据现有的技术方案，指令代码解析执行模块产生运动指令后将任务交给插补模块执行，插补模块按电机驱动控制周期计算，得到的插补结果直接发送至电机驱动器执行，每一个电机驱动器有一个电机控制模块，这种方法可有效打破高速运动控制的数据瓶颈。

本发明提出一种方案是：插补计算和电机控制计算被放在一个模块之中，各电机共用一个插补计算-电机控制模块，这个模块按先后顺序周期性地逐一进行各电机控制计算；插补计算是根据本电机和与之联动的电机的编码器反馈的信号来进行的，得到插补计算结果之后，进行电机控制计算，计算结束后立刻将结果发送至电流环控制模块执行输出，完成本电机本次周期的控制。

本发明方案的要点是多路电机控制共用一个电机控制模块，在控制多路电机时，计算量较大，因此对处理器计算能力提出较高要求。因此增加协处理器模块来加速电机控制模块。优选的，电机控制采用矢量控制的方式；因此，在控制电机时要做大量的PARK变换和PARK逆变换。本实施例中，将矢量控制用的SVPWM和PARK变换和PARK逆变换交由协处理器完成。协处理器由FPGA实现，与桥接模块连接。桥接模块实现各接入模块接口数据交换功能。优选的每一个接口都带有输入输出缓存，数据写入接口缓存后，桥接模块根据数据地址，将数据转移至相对应接口发送缓存；接口有数据接收后，会指示接入模块读取数据帧。

本发明方案中多路电机控制共用一个电机控制模块，这个模块按电机控制周期周期性地按顺序逐一进行各电机控制计算，每个周期每一个电机执行一次计算；对每一个电机而言，其控制周期是一样的，只是每一个电机控制的起始时刻不一样。处理器的相当于给每一个控制电机都提供一个时间片来计算控制。

因此，在每一次电机控制的计算之前，先要进行一次插补计算。插补计算根据本电机和与之联动的电机的编码器反馈的信号来进行的，因为这个信号得到是真实的物理位置，可以得到高的轨迹精度，避免驱动器的错误控制策略；得到插补计算结果之后，进行电机控制计算，计算结束后立刻将结果发送至电流环控制模块执行输出，完成本电机本次周期的控制。这样可以进一步提高运动控制精度，又不对处理器的计算能力提出高的要求。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。