專利名稱：一種運動控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工業(yè)工控領域，特別涉及一種運動控制器。
背景技術：
現場總線控制系統(tǒng)技術是20世紀80年代中期在國際上發(fā)展起來的一種嶄新的工業(yè)控制技術?，F場總線控制系統(tǒng)的出現引起了傳統(tǒng)的PLC (ProgrammabIeLogic Controller，可編程邏輯控制器)和DCS (Distributed Control System，分布式控制系統(tǒng)) 控制系統(tǒng)基本結構的革命性變化。現場總線控制系統(tǒng)技術極大地簡化了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)繁瑣的布線工作，使其系統(tǒng)的控制、檢測單元分布更加合理，更重要的是從原來的面向設備選擇控制和通訊方式轉變成基于網絡來選擇設備。目前的總線標準有Modbus、Profibus、LonWorks、CAN Open等，雖然這些標準各有各自的特點，卻很難形成統(tǒng)一標準。隨著電腦網絡的普及和網絡技術水平的提高，工業(yè)現場總線標準有向以太網(Ethernet)標準靠攏的趨勢。運動控制器與PLC類似，是一種專門用于自動化設備中控制步進電機、伺服電機、 1/0器件的控制器，但其運動控制功能、編程的靈活性等方面都優(yōu)于PLC。目前脈沖式運動控制器已廣泛應用于自動化生產、測試等設備上，是自動化設備控制系統(tǒng)的關鍵器件。但是，在現場總線控制技術應用方面，運動控制器和PLC比相對落后，國外運動控制器上只有 ModbusXAN Open總線接口，而國內運動控制器幾乎沒有現場總線的應用，只能對單工位進行控制，難以實現對自動生產線的控制。現有技術中，運動控制器多采用單片機和進口的運動控制專用芯片ASIC，也有一些采用ARM微處理器、DSP或FPGA作為核心處理器的運動控制器，這些方案的結構較為復雜，成本也較高。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種運動控制器，可通過以太網現場總線進行運動控制。本發(fā)明采用了如下技術方案一方面，本發(fā)明公開了一種運動控制器，包括FPGA電路和以太網接口，其中，所述 FPGA電路通過所述以太網接口與以太網相連；控制終端發(fā)送的控制命令經以太網，通過以太網接口發(fā)送至所述FPGA電路，FPGA 電路接收所述控制命令后，對控制命令進行分析、處理，依據控制命令控制電機的運動。上述運動控制器的一個實施例中，還包括USB接口，所述FPGA電路通過所述USB 接口從USB設備獲取控制命令，并對控制命令進行分析、處理后，依據控制命令控制電機的運動。上述運動控制器的一個實施例中，還包括串口，所述FPGA電路通過所述串口從串口設備獲取控制命令，并對控制命令進行分析、處理后，依據控制命令控制電機的運動。上述運動控制器的一個實施例中，所述FPGA電路包括軟核CPU和運動控制模塊，所述軟核CPU用于接收所述控制指令，并對控制命令進行分析和處理后，將控制命令發(fā)送至所述運動控制模塊。上述運動控制器的一個實施例中，所述運動控制模塊包括時鐘子模塊、接口子模塊、緩存子模塊、預置計數器、邏輯運算子模塊、減速點控制子模塊、加減速控制子模塊、分頻子模塊、倍頻子模塊、脈沖輸出子模塊、直線和圓弧插補子模塊；其中，所述時鐘子模塊用于為運動控制模塊的各個子模塊提供時鐘脈沖；所述接口子模塊將所述軟核CPU輸出的控制命令發(fā)送至緩存子模塊；所述緩存子模塊存放控制命令；所述預置計數器輸出計數脈沖至減速點控制子模塊和加減速控制子模塊；所述邏輯運算子模塊輸出控制命令至減速點控制子模塊，控制其輸出；所述加減速控制子模塊的輸出信號通過分頻子模塊分頻后進入倍頻子模塊，倍頻子模塊產生高頻脈沖，通過脈沖輸出子模塊輸出高頻脈沖，實現高頻脈沖控制；同時，所述脈沖輸出子模塊輸出脈沖至直線和圓弧插補子模塊，通過直線和圓弧插補子模塊輸出，控制電機的直線和圓弧插補。上述運動控制器的一個實施例中，所述FPGA電路還包括媒體訪問控制模塊，所述媒體訪問控制模塊包括發(fā)送控制子模塊和接收控制子模塊，所述發(fā)送控制子模塊用于在發(fā)送數據時，判斷是否可以發(fā)送數據，若可以發(fā)送數據，則給數據加上控制信息，并以規(guī)定的格式發(fā)送至物理層；所述接收控制子模塊用于在接收數據時，判斷輸入的數據是否發(fā)生傳輸錯誤，若沒有傳輸錯誤，則去掉控制信息發(fā)送至數據鏈路層。另一方面，本發(fā)明還公開了一種運動控制系統(tǒng)，包括至少一臺上述權利要求1-6 任一項所述的運動控制器，還包括控制終端和以太網，其中控制終端通過以太網經發(fā)送控制指令至所述運動控制器，所述運動控制器對控制命令進行分析、處理，依據控制命令控制電機的運動。此外，本發(fā)明還公開了一種運動控制方法，包含以下步驟將控制終端通過以太網與運動控制器連接；控制終端通過以太網發(fā)送運動控制指令至運動控制器，并獲取所述運動控制器的反饋信息；所述運動控制器對控制命令進行分析、處理，依據控制命令控制電機的運動。本發(fā)明公開的運動控制方法的一個實施例中，還包含以下步驟若控制終端與一臺以上運動控制器相連，則通過IP地址為各運動控制器編號。本發(fā)明公開的運動控制方法的一個實施例中，若控制終端與一臺運動控制器相連，則所述運動控制器獲取控制指令的方法還包括 通過以太網接口、USB接口或串口下載控制指令至運動控制器。與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的運動控制器包括FPGA電路和以太網接口，其中，所述FPGA電路通過所述以太網接口與以太網相連；控制終端發(fā)送的控制命令經以太網，通過以太網接口發(fā)送至所述FPGA電路，FPGA電路接收所述控制命令后，對控制命令進行分析、處理，依據控制命令控制電機的運動。采用以太網作為現場總線，可實現生產線自動化控制，還可以進行遠程固件升級；采用FPGA控制電機的運動，結構簡單，功能強大、成本較低。


圖1示例性地描述了本發(fā)明的運動控制器的結構圖；圖2示例性地描述了本發(fā)明的FPGA電路結構圖；圖3示例性地描述了本發(fā)明的FPGA中運動控制模塊結構圖；圖4示例性地描述了本發(fā)明的運動控制系統(tǒng)結構圖。
具體實施例方式下面對照附圖并結合具體實施方式
對本發(fā)明進行進一步詳細說明。本發(fā)明公開了一種運動控制器，包括FPGA電路和以太網接口，其中，所述FPGA電路通過所述以太網接口與以太網相連；控制終端發(fā)送的控制命令經以太網，通過以太網接口發(fā)送至所述FPGA電路，FPGA電路接收所述控制命令后，對控制命令進行分析、處理，依據控制命令控制電機的運動。實施例一如圖1所示，一種運動控制器包括FPGA電路和以太網接口，其中，所述FPGA電路通過所述以太網接口與以太網相連；控制終端發(fā)送的控制命令經以太網，通過以太網接口發(fā)送至所述FPGA電路，FPGA電路接收所述控制命令后，對控制命令進行分析、處理，依據控制命令控制電機的運動?？刂平K端在本發(fā)明的實施例中指的是PC機，可包括現場PC機，也可以是遠程PC 機。采用以太網作為現場總線，可實現生產線自動化控制，還可以進行遠程固件升級； 采用FPGA控制電機的運動，結構簡單，功能強大、成本較低。上述運動控制器還包括USB接口，所述FPGA電路通過所述USB接口從USB設備獲取控制命令，并對控制命令進行分析、處理后，依據控制命令控制電機的運動。上述運動控制器還包括串口，所述FPGA電路通過所述串口從串口設備獲取控制命令，并對控制命令進行分析、處理后，依據控制命令控制電機的運動。多種獲取控制指令的方法擴展了本發(fā)明的運動控制器的使用場合，給用戶提供了更多樣化、更豐富的服務。本發(fā)明的運動控制器還包括以太網接口電路、單端轉差分信號的電機接口電路、 CPLD電路、有光電隔離的通用I/O接口電路、串行通訊接口電路、U盤接口電路等外圍電路， 這些外圍電路由FPGA電路控制。上述運動控制器還包括CPLD電路，所述CPLD電路有兩個用途，一是為所述FPGA 固件加密，以保護版權，保護自主知識產權。FPGA程序在燒錄為FPGA固件的過程中，采用CPLD為其固件加密，可避免被破解， 可保護版權，保護自主知識產權。由于CPLD電路在剛剛上電時的輸出處于不定態(tài)，因此，CPLD的另一個用途是設置一個上電初始電平，使其數字輸出端在初始上電時保持穩(wěn)定態(tài)，可保證整個設備在上電時不會因為不定態(tài)而產生誤動作。
本實施例中，設置電平設置撥碼開關，用戶可通過電平設置撥碼開關，方便地確定 CPLD的數字輸出端口上電時的初始電平。如圖2所示，所述FPGA電路包括軟核CPU和運動控制模塊，所述軟核CPU用于接收所述控制指令，并對控制命令進行分析和處理后，將控制命令發(fā)送至所述運動控制模塊。本實施例中的FPGA電路還包括串口控制模塊、RAM控制模塊、FLASH控制模塊、U 盤控制模塊、CPLD控制模塊等通用功能模塊，在此不再贅述。本實施例中，FPGA內部嵌入的軟核CPU為32位，且主頻為80MHZ。軟核CPU通過軟件實現TCP/IP通訊模塊、串口通訊模塊、PC指令處理模塊、用戶指令解釋執(zhí)行模塊、G代碼執(zhí)行模塊、運動控制模塊、通用I/O控制模塊、輸入檢測模塊、輸入處理模塊、文件存儲模塊等具體功能。在FPGA中采用軟核CPU，計算能力、處理能力較強，可加強運動控制器的控制能力，同時無需獨立的CPU，結構簡單、成本低。如圖3所示，運動控制模塊是運動控制器的核心，包括時鐘子模塊、接口子模塊、 緩存子模塊、預置計數器、邏輯運算子模塊、減速點控制子模塊、加減速控制子模塊、分頻子模塊、倍頻子模塊、脈沖輸出子模塊、直線和圓弧插補子模塊；其中，所述時鐘子模塊用于為運動控制模塊的各個子模塊提供時鐘脈沖；所述接口子模塊將所述軟核CPU輸出的控制指令發(fā)送至緩存電路；所述緩存電路存放控制指令；所述預置計數器輸出計數脈沖至減速點控制子模塊和加減速控制子模塊；邏輯運算子模塊輸出控制命令至減速點控制子模塊，控制其輸出；所述加減速控制子模塊的輸出信號通過分頻子模塊分頻后輸入倍頻子模塊，倍頻子模塊產生高頻脈沖，通過脈沖輸出子模塊輸出高頻脈沖，實現高頻脈沖控制；同時，所述脈沖輸出子模塊輸出脈沖至直線和圓弧插補子模塊，通過直線和圓弧插補子模塊輸出，控制電機的直線和圓弧插補。通過脈沖子模塊、直線和圓弧插補子模塊輸出進行控制，可實現對電機的多軸控制。上述緩存子模塊中存放最多可512條控制指令。一般情況下，緩存子模塊中存放多條控制指令，可消除因為以太網與運動控制器通訊所耗時間所產生的軌跡運動的瞬間停頓現象，可提高運動控制器在進行高速軌跡控制時的速度及軌跡的平滑性。FPGA電路還包括媒體訪問控制模塊(以太網MAC)，所述媒體訪問控制模塊包括發(fā)送控制子模塊和接收控制子模塊，所述發(fā)送控制子模塊用于在發(fā)送數據時，判斷是否可以發(fā)送數據，若可以發(fā)送數據，則給數據加上控制信息，并以規(guī)定的格式發(fā)送至物理層；所述接收控制子模塊用于在接收數據時，判斷輸入的數據是否發(fā)生傳輸錯誤，若沒有傳輸錯誤， 則去掉控制信息發(fā)送至數據鏈路層。數控機床上采用的控制指令為ISO數控代碼，俗稱G代碼，本發(fā)明的實施例中，在 ISO數控代碼的基礎上增加了一些專用的控制指令，如條件判斷指令、循環(huán)控制指令、I/O 控制指令和實時多任務調用指令等。下面簡要說明本發(fā)明實施例的專用控制代碼及其示例。

1、條件判斷指令:M94
示例N10 M94 S3 Vl N50 ；當輸入口 3有效時，程序跳轉置行號為50的指令
2、循環(huán)控制指令:M91
示例N40 M91 C6 ；循環(huán)開始，循環(huán)6次； N50 GOO X2. 00 ；X 軸移動 2mm ； 延時500mS ； 循環(huán)結束
3、實時多任務調用指令M97
該指令可以實現控制電機運動的同時實時處理I/O。 示例N10 M97 N200 ；在主程序中打開多任務子程序N200 N20 GOO X400. 00 ；X 軸運動 400mm ；
N60 G04 P500 N70 M90N99 M02；主程序結束
N200M94Sl VO N220；如果輸入口 1為0，則跳轉置N225
N210M80S5輸入口 1為1，輸出口 5打開
N215G04P300延時300mS
N220M95N200跳轉置N200
N225M81S5輸出口 5關閉
N230G04P300延時300mS
N235M95N200跳轉置N200
N240M99子程序結束實施例二如圖4所示，一種運動控制系統(tǒng)，包括至少一臺上述的運動控制器，還包括控制終端和以太網，其中控制終端通過以太網經發(fā)送控制指令至所述運動控制器，所述運動控制器對控制命令進行分析、處理，依據控制命令控制電機的運動。實施例三一個實施例的運動控制方法，包含以下步驟步驟101，將PC機通過以太網網與運動控制器連接。本實施例中，采用PC機作為控制終端。步驟102，PC機通過以太網發(fā)出運動控制指令至運動控制器，并獲取所述運動控制器反饋信息。
器編號
步驟103，所述運動控制器根據運動控制指令，控制電機的運動。
本實施例中，若PC機是與一臺以上運動控制器相連，則通過IP地址為各運動控制
運動控制器的數量一般沒有限制，只要不超過IP地址的數量即可。 當有多臺運動控制器時，控制系統(tǒng)程序采用高級語言調用運動控制器各種功能的函數編寫而成。PC機通過以太網向個運動控制器發(fā)出控制指令，可實現生產線的自動控制，本實施例中，若PC機與一臺運動控制器相連，則運動控制器還可以通過以太網接口、USB接口或串口下載控制指令至運動控制器。只有一臺運動控制器時，其程序用G代碼編寫，此時G代碼也可在觸摸屏上直接編寫。實施例四本發(fā)明一個實施例的運動控制器，包括電機接口 J21、I/O接口 Jl 1、D/A接口、兩個串口、擴展I/O 口，以及網口、U盤口、初始電平設置撥碼開關、電源、指示燈。其主要技術指標如下控制電機數4個控制電機的指令脈沖頻率范圍1 5. OMHz頻率精度士0. IHz脈沖個數-2,147，483，647 +2，147，483，648 (32 位)2——4軸直線插補精度士 1脈沖當量2軸圓弧插補精度士1脈沖當量I/O 信號通用數字輸出口 個；其中8路光電隔離，16路非隔離通用數字輸入口 32個；其中16路光電隔離，16路非隔離通用、專用數字輸入口有RC低通濾波器D/A 信號兩路8位D/A數模轉換接口，輸出電壓范圍0. 07 4. 45VPWM信號兩路PWM脈寬調制接口，最高頻率1ΜΗζ，0 100%占空比可調軟件函數庫支持 Windows 98/NT/2000/XP/Win7 操作系統(tǒng)使用 VB、VC、Delphi、 LabView軟件進行應用軟件開發(fā)。指令集控制器內置G代碼指令集。本發(fā)明的運動控制器包括FPGA電路和以太網接口，其中，所述FPGA電路通過所述以太網接口與以太網相連；控制終端發(fā)送的控制命令經以太網，通過以太網接口發(fā)送至所述FPGA電路，FPGA電路接收所述控制命令后，對控制命令進行分析、處理，依據控制命令控制電機的運動。采用以太網作為現場總線，可實現生產線自動化控制，還可以進行遠程固件升級；采用FPGA控制電機的運動，結構簡單，功能強大、成本較低。同時，本發(fā)明的FPGA中的緩存子模塊中存放多條控制指令，可消除因為以太網與運動控制器通訊所耗時間所產生的軌跡運動的瞬間停頓現象，可提高運動控制器在進行高速軌跡控制時的速度及軌跡的平滑性。以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，但這只是為便于理解而舉的實例，不應認為本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，可以做出各種可能的等同改變或替換，這些改變或替換都應屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種運動控制器，其特征在于，包括FPGA電路和以太網接口，其中，所述FPGA電路通過所述以太網接口與以太網相連；控制終端發(fā)送的控制命令經以太網，通過以太網接口發(fā)送至所述FPGA電路，FPGA電路接收所述控制命令后，對控制命令進行分析、處理，依據控制命令控制電機的運動。
2.如權利要求1所述的運動控制器，其特征在于，還包括USB接口，所述FPGA電路通過所述USB接口從USB設備獲取控制命令，并對控制命令進行分析、處理后，依據控制命令控制電機的運動。
3.如權利要求1所述的運動控制器，其特征在于，還包括串口，所述FPGA電路通過所述串口從串口設備獲取控制命令，并對控制命令進行分析、處理后，依據控制命令控制電機的運動。
4.如權利要求1-3任一項所述的運動控制器，其特征在于，所述FPGA電路包括軟核 CPU和運動控制模塊，所述軟核CPU用于接收所述控制指令，并對控制命令進行分析和處理后，將控制命令發(fā)送至所述運動控制模塊。
5.如權利要求4所述的運動控制器，其特征在于，所述運動控制模塊包括時鐘子模塊、 接口子模塊、緩存子模塊、預置計數器、邏輯運算子模塊、減速點控制子模塊、加減速控制子模塊、分頻子模塊、倍頻子模塊、脈沖輸出子模塊、直線和圓弧插補子模塊；其中，所述時鐘子模塊用于為運動控制模塊的各個子模塊提供時鐘脈沖；所述接口子模塊將所述軟核CPU輸出的控制命令發(fā)送至緩存子模塊；所述緩存子模塊存放控制命令；所述預置計數器輸出計數脈沖至減速點控制子模塊和加減速控制子模塊；所述邏輯運算子模塊輸出控制命令至減速點控制子模塊，控制其輸出；所述加減速控制子模塊的輸出信號通過分頻子模塊分頻后進入倍頻子模塊，倍頻子模塊產生高頻脈沖，通過脈沖輸出子模塊輸出高頻脈沖，實現高頻脈沖控制；同時，所述脈沖輸出子模塊輸出脈沖至直線和圓弧插補子模塊，通過直線和圓弧插補子模塊輸出，控制電機的直線和圓弧插補。
6.如權利要求5所述的運動控制器，其特征在于，所述FPGA電路還包括媒體訪問控制模塊，所述媒體訪問控制模塊包括發(fā)送控制子模塊和接收控制子模塊，所述發(fā)送控制子模塊用于在發(fā)送數據時，判斷是否可以發(fā)送數據，若可以發(fā)送數據，則給數據加上控制信息， 并以規(guī)定的格式發(fā)送至物理層；所述接收控制子模塊用于在接收數據時，判斷輸入的數據是否發(fā)生傳輸錯誤，若沒有傳輸錯誤，則去掉控制信息發(fā)送至數據鏈路層。
7.一種運動控制系統(tǒng)，其特征在于，包括至少一臺上述權利要求1-6任一項所述的運動控制器，還包括控制終端和以太網，其中控制終端通過以太網經發(fā)送控制指令至所述運動控制器，所述運動控制器對控制命令進行分析、處理，依據控制命令控制電機的運動。
8.一種運動控制方法，其特征在于，包含以下步驟將控制終端通過以太網與運動控制器連接；控制終端通過以太網發(fā)送運動控制指令至運動控制器，并獲取所述運動控制器的反饋 fe息；所述運動控制器對控制命令進行分析、處理，依據控制命令控制電機的運動。
9.如權利要求8所述的運動控制方法，其特征在于，還包含以下步驟 若控制終端與一臺以上運動控制器相連，則通過IP地址為各運動控制器編號。
10.如權利要求8所述的運動控制方法，其特征在于，若控制終端與一臺運動控制器相連，則所述運動控制器獲取控制指令的方法還包括通過以太網接口、USB接口或串口下載控制指令至運動控制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種運動控制器，包括FPGA電路和以太網接口，其中，所述FPGA電路通過所述以太網接口與以太網相連；控制終端發(fā)送的控制命令經以太網，通過以太網接口發(fā)送至所述FPGA電路，FPGA電路接收所述控制命令后，對控制命令進行分析、處理，依據控制命令控制電機的運動。本發(fā)明可通過以太網現場總線對電機進行運動控制，本發(fā)明結構簡單，成本低。
文檔編號G05B19/04GK102298336SQ20101020897
公開日2011年12月28日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權日2010年6月24日
發(fā)明者肖毅, 鄭孝洋, 龔志勇 申請人:深圳市雷泰控制技術有限公司