一种运动控制器及运动控制系统

1.一种运动控制器，其特征在于，包括FPGA电路和以太网接口，其中，所述FPGA电路通过所述以太网接口与以太网相连；
控制终端发送的控制命令经以太网，通过以太网接口发送至所述FPGA电路，FPGA电路接收所述控制命令后，对控制命令进行分析、处理，依据控制命令控制电机的运动。
2.如权利要求1所述的运动控制器，其特征在于，还包括USB接口，所述FPGA电路通过所述USB接口从USB设备获取控制命令，并对控制命令进行分析、处理后，依据控制命令控制电机的运动。
3.如权利要求1所述的运动控制器，其特征在于，还包括串口，所述FPGA电路通过所述串口从串口设备获取控制命令，并对控制命令进行分析、处理后，依据控制命令控制电机的运动。
4.如权利要求1-3任一项所述的运动控制器，其特征在于，所述FPGA电路包括软核CPU和运动控制模块，所述软核CPU用于接收所述控制指令，并对控制命令进行分析和处理后，将控制命令发送至所述运动控制模块。
5.如权利要求4所述的运动控制器，其特征在于，所述运动控制模块包括时钟子模块、接口子模块、缓存子模块、预置计数器、逻辑运算子模块、减速点控制子模块、加减速控制子模块、分频子模块、倍频子模块、脉冲输出子模块、直线和圆弧插补子模块；
其中，所述时钟子模块用于为运动控制模块的各个子模块提供时钟脉冲；
所述接口子模块将所述软核CPU输出的控制命令发送至缓存子模块；
所述缓存子模块存放控制命令；
所述预置计数器输出计数脉冲至减速点控制子模块和加减速控制子模块；
所述逻辑运算子模块输出控制命令至减速点控制子模块，控制其输出；
所述加减速控制子模块的输出信号通过分频子模块分频后进入倍频子模块，倍频子模块产生高频脉冲，通过脉冲输出子模块输出高频脉冲，实现高频脉冲控制；
同时，所述脉冲输出子模块输出脉冲至直线和圆弧插补子模块，通过直线和圆弧插补子模块输出，控制电机的直线和圆弧插补。
6.如权利要求5所述的运动控制器，其特征在于，所述FPGA电路还包括媒体访问控制模块，所述媒体访问控制模块包括发送控制子模块和接收控制子模块，所述发送控制子模块用于在发送数据时，判断是否可以发送数据，若可以发送数据，则给数据加上控制信息，并以规定的格式发送至物理层；
所述接收控制子模块用于在接收数据时，判断输入的数据是否发生传输错误，若没有传输错误，则去掉控制信息发送至数据链路层。
7.一种运动控制系统，其特征在于，包括至少一台上述权利要求1-6任一项所述的运动控制器，还包括控制终端和以太网，其中控制终端通过以太网经发送控制指令至所述运动控制器，所述运动控制器对控制命令进行分析、处理，依据控制命令控制电机的运动。

一种运动控制器及运动控制系统 \n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及工业工控领域，特别涉及一种运动控制器及运动控制系统。 背景技术\n[0002] 现场总线控制系统技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。现场总线控制系统的出现引起了传统的PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)和DCS(Distributed Control System，分布式控制系统)控制系统基本结构的革命性变化。现场总线控制系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐的布线工作，使其系统的控制、检测单元分布更加合理，更重要的是从原来的面向设备选择控制和通讯方式转变成基于网络来选择设备。 \n[0003] 目前的总线标准有Modbus、Profibus、LonWorks、CAN Open等，虽然这些标准各有各自的特点，却很难形成统一标准。随着电脑网络的普及和网络技术水平的提高，工业现场总线标准有向以太网(Ethernet)标准靠拢的趋势。 \n[0004] 运动控制器与PLC类似，是一种专门用于自动化设备中控制步进电机、伺服电机、I/O器件的控制器，但其运动控制功能、编程的灵活性等方面都优于PLC。目前脉冲式运动控制器已广泛应用于自动化生产、测试等设备上，是自动化设备控制系统的关键器件。但是，在现场总线控制技术应用方面，运动控制 器和PLC比相对落后，国外运动控制器上只有Modbus、CAN Open总线接口，而国内运动控制器几乎没有现场总线的应用，只能对单工位进行控制，难以实现对自动生产线的控制。 \n[0005] 现有技术中，运动控制器多采用单片机和进口的运动控制专用芯片ASIC，也有一些采用ARM微处理器、DSP或FPGA作为核心处理器的运动控制器，这些方案的结构较为复杂，成本也较高。 \n实用新型内容\n[0006] 本实用新型提供了一种运动控制器，可通过以太网现场总线进行运动控制。 [0007] 本实用新型采用了如下技术方案： \n[0008] 一方面，本实用新型公开了一种运动控制器，包括FPGA电路和以太网接口，其中，所述FPGA电路通过所述以太网接口与以太网相连； \n[0009] 控制终端发送的控制命令经以太网，通过以太网接口发送至所述FPGA电路，FPGA电路接收所述控制命令后，对控制命令进行分析、处理，依据控制命令控制电机的运动。 [0010] 上述运动控制器的一个实施例中，还包括USB接口，所述FPGA电路通过所述USB接口从USB设备获取控制命令，并对控制命令进行分析、处理后，依据控制命令控制电机的运动。 \n[0011] 上述运动控制器的一个实施例中，还包括串口，所述FPGA电路通过所述串口从串口设备获取控制命令，并对控制命令进行分析、处理后，依据控制命令控制电机的运动。 [0012] 上述运动控制器的一个实施例中，所述FPGA电路包括软核CPU和运动控制模块，所述软核CPU用于接收所述控制指令，并对控制命令进行分析和处理后，将控制命令发送至所述运动控制模块。 \n[0013] 上述运动控制器的一个实施例中，所述运动控制模块包括时钟子模块、接口子模块、缓存子模块、预置计数器、逻辑运算子模块、减速点控制子模块、加减速控制子模块、分频子模块、倍频子模块、脉冲输出子模块、直线和圆弧插补子模块； \n[0014] 其中，所述时钟子模块用于为运动控制模块的各个子模块提供时钟脉冲； [0015] 所述接口子模块将所述软核CPU输出的控制命令发送至缓存子模块； [0016] 所述缓存子模块存放控制命令； \n[0017] 所述预置计数器输出计数脉冲至减速点控制子模块和加减速控制子模块； [0018] 所述逻辑运算子模块输出控制命令至减速点控制子模块，控制其输出； [0019] 所述加减速控制子模块的输出信号通过分频子模块分频后进入倍频子模块，倍频子模块产生高频脉冲，通过脉冲输出子模块输出高频脉冲，实现高频脉冲控制； [0020] 同时，所述脉冲输出子模块输出脉冲至直线和圆弧插补子模块，通过直线和圆弧插补子模块输出，控制电机的直线和圆弧插补。 \n[0021] 上述运动控制器的一个实施例中，所述FPGA电路还包括媒体访问控制模块，所述媒体访问控制模块包括发送控制子模块和接收控制子模块，所述发送控制子模块用于在发送数据时，判断是否可以发送数据，若可以发送数据，则给数据加上控制信息，并以规定的格式发送至物理层； \n[0022] 所述接收控制子模块用于在接收数据时，判断输入的数据是否发生传输错误，若没有传输错误，则去掉控制信息发送至数据链路层。 \n[0023] 另一方面，本实用新型还公开了一种运动控制系统，包括至少一台上述运动控制器，还包括控制终端和以太网，其中控制终端通过以太网经发送控制指令至所述运动控制器，所述运动控制器对控制命令进行分析、处理，依据控制命令控制电机的运动。 [0024] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于： \n[0025] 本实用新型的运动控制器包括FPGA电路和以太网接口，其中，所述FPGA电路通过所述以太网接口与以太网相连；控制终端发送的控制命令经以太网，通过以太网接口发送至所述FPGA电路，FPGA电路接收所述控制命令后，对控制命令进行分析、处理，依据控制命令控制电机的运动。采用以太网作为现场总线，可实现生产线自动化控制，还可以进行远程固件升级；采用FPGA控制电机的运动，结构简单，功能强大、成本较低。 附图说明\n[0026] 图1示例性地描述了本实用新型的运动控制器的结构图； \n[0027] 图2示例性地描述了本实用新型的FPGA电路结构图； \n[0028] 图3示例性地描述了本实用新型的FPGA中运动控制模块结构图； [0029] 图4示例性地描述了本实用新型的运动控制系统结构图。 \n具体实施方式\n[0030] 下面对照附图并结合具体实施方式对本实用新型进行进一步详细说明。 [0031] 本实用新型公开了一种运动控制器，包括FPGA电路和以太网接口，其中，所述FPGA电路通过所述以太网接口与以太网相连；控制终端发送的控制命令经以太网，通过以太网接口发送至所述FPGA电路，FPGA电路接收所述控制命令后，对控制命令进行分析、处理，依据控制命令控制电机的运动。 \n[0032] 实施例一： \n[0033] 如图1所示，一种运动控制器包括FPGA电路和以太网接口，其中，所述FPGA电路通过所述以太网接口与以太网相连；控制终端发送的控制命令经以太网，通过以太网接口发送至所述FPGA电路，FPGA电路接收所述控制命令后，对控制命令进行分析、处理，依据控制命令控制电机的运动。 \n[0034] 控制终端在本实用新型的实施例中指的是PC机，可包括现场PC机，也可以是远程PC机。 \n[0035] 采用以太网作为现场总线，可实现生产线自动化控制，还可以进行远程固件升级；\n采用FPGA控制电机的运动，结构简单，功能强大、成本较低。 \n[0036] 上述运动控制器还包括USB接口，所述FPGA电路通过所述USB接口从USB设备获取控制命令，并对控制命令进行分析、处理后，依据控制命令控制电机的运动。 [0037] 上述运动控制器还包括串口，所述FPGA电路通过所述串口从串口设备获取控制命令，并对控制命令进行分析、处理后，依据控制命令控制电机的运动。 [0038] 多种获取控制指令的方法扩展了本实用新型的运动控制器的使用场合，给用户提供了更多样化、更丰富的服务。 \n[0039] 本实用新型的运动控制器还包括以太网接口电路、单端转差分信号的电机接口电路、CPLD电路、有光电隔离的通用I/O接口电路、串行通讯接口电路、U盘接口电路等外围电路，这些外围电路由FPGA电路控制。 \n[0040] 上述运动控制器还包括CPLD电路，所述CPLD电路有两个用途，一是为所述FPGA固件加密，以保护版权，保护自主知识产权。 \n[0041] FPGA程序在烧录为FPGA固件的过程中，采用CPLD为其固件加密，可避免被破解，可保护版权，保护自主知识产权。 \n[0042] 由于CPLD电路在刚刚上电时的输出处于不定态，因此，CPLD的另一个用途是设置一个上电初始电平，使其数字输出端在初始上电时保持稳定态，可保证整个设备在上电时不会因为不定态而产生误动作。 \n[0043] 本实施例中，设置电平设置拨码开关，用户可通过电平设置拨码开关，方便地确定CPLD的数字输出端口上电时的初始电平。 \n[0044] 如图2所示，所述FPGA电路包括软核CPU和运动控制模块，所述软核CPU用于接收所述控制指令，并对控制命令进行分析和处理后，将控制命令发送至所述运动控制模块。 [0045] 本实施例中的FPGA电路还包括串口控制模块、RAM控制模块、FLASH控制模块、U盘控制模块、CPLD控制模块等通用功能模块，在此不再赘述。 \n[0046] 本实施例中，FPGA内部嵌入的软核CPU为32位，且主频为80MHZ。 [0047] 软核CPU通过软件实现TCP/IP通讯模块、串口通讯模块、PC指令处理模块、用户指令解释执行模块、G代码执行模块、运动控制模块、通用I/O控制模块、输入检测模块、输入处理模块、文件存储模块等具体功能。 \n[0048] 在FPGA中采用软核CPU，计算能力、处理能力较强，可加强运动控制器的控制能力，同时无需独立的CPU，结构简单、成本低。 \n[0049] 如图3所示，运动控制模块是运动控制器的核心，包括时钟子模块、接口子模块、缓存子模块、预置计数器、逻辑运算子模块、减速点控制子模块、加减速控制子模块、分频子模块、倍频子模块、脉冲输出子模块、直线和圆弧插补子模块； \n[0050] 其中，所述时钟子模块用于为运动控制模块的各个子模块提供时钟脉冲； [0051] 所述接口子模块将所述软核CPU输出的控制指令发送至缓存电路； [0052] 所述缓存电路存放控制指令； \n[0053] 所述预置计数器输出计数脉冲至减速点控制子模块和加减速控制子模块； [0054] 逻辑运算子模块输出控制命令至减速点控制子模块，控制其输出； [0055] 所述加减速控制子模块的输出信号通过分频子模块分频后输入倍频子模块，倍频子模块产生高频脉冲，通过脉冲输出子模块输出高频脉冲，实现高频脉冲控制； [0056] 同时，所述脉冲输出子模块输出脉冲至直线和圆弧插补子模块，通过直线和圆弧插补子模块输出，控制电机的直线和圆弧插补。 \n[0057] 通过脉冲子模块、直线和圆弧插补子模块输出进行控制，可实现对电机的多轴控制。 \n[0058] 上述缓存子模块中存放最多可512条控制指令。 \n[0059] 一般情况下，缓存子模块中存放多条控制指令，可消除因为以太网与运动控制器通讯所耗时间所产生的轨迹运动的瞬间停顿现象，可提高运动控制器在进行高速轨迹控制时的速度及轨迹的平滑性。 \n[0060] FPGA电路还包括媒体访问控制模块(以太网MAC)，所述媒体访问控制模块包括发送控制子模块和接收控制子模块，所述发送控制子模块用于在发送数据时，判断是否可以发送数据，若可以发送数据，则给数据加上控制信息，并以规定的格式发送至物理层；所述接收控制子模块用于在接收数据时，判断输入的数据是否发生传输错误，若没有传输错误，则去掉控制信息发送至数据链路层。 \n[0061] 数控机床上采用的控制指令为ISO数控代码，俗称G代码，本实用新型的实施例中，在ISO数控代码的基础上增加了一些专用的控制指令，如：条件判断指令、循环控制指令、I/O控制指令和实时多任务调用指令等。 \n[0062] 下面简要说明本实用新型实施例的专用控制代码及其示例。 \n[0063] 1、条件判断指令：M94 \n[0064] 示例：N10 M94 S3 V1 N50；当输入口3有效时，程序跳转置行号为50的指令 [0065] 2、循环控制指令：M91 \n[0066] 示例：N40M91C6 ；循环开始，循环6次； \n[0067] N50 G00 X2.00 ；X轴移动2mm； \n[0068] N60 G04 P500 ；延时500mS； \n[0069] N70 M90 ；循环结束 \n[0070] 3、实时多任务调用指令：M97 \n[0071] 该指令可以实现控制电机运动的同时实时处理I/O。 \n[0072] 示例：N10 M97 N200 ；在主程序中打开多任务子程序N200 [0073] N20 G00 X400.00 ；X轴运动400mm； \n[0074] …… \n[0075] N99 M02 ；主程序结束 \n[0076] N200 M94 S1 V0 N220 ；如果输入口1为0，则跳转置N225 \n[0077] N210 M80 S5 ；输入口1为1，输出口5打开 \n[0078] N215 G04 P300 ；延时300mS \n[0079] N220 M95 N200 ；跳转置N200 \n[0080] N225 M81 S5 ；输出口5关闭 \n[0081] N230 G04 P300 ；延时300mS \n[0082] N235 M95 N200 ；跳转置N200 \n[0083] N240 M99 ；子程序结束 \n[0084] 实施例二： \n[0085] 如图4所示，一种运动控制系统，包括至少一台上述的运动控制器，还包括控制终端和以太网，其中控制终端通过以太网经发送控制指令至所述运动控制器，所述运动控制器对控制命令进行分析、处理，依据控制命令控制电机的运动。 \n[0086] 实施例三： \n[0087] 一个实施例的运动控制方法，包含以下步骤： \n[0088] 步骤101，将PC机通过以太网网与运动控制器连接。 \n[0089] 本实施例中，采用PC机作为控制终端。 \n[0090] 步骤102，PC机通过以太网发出运动控制指令至运动控制器，并获取所述运动控制器反馈信息。 \n[0091] 步骤103，所述运动控制器根据运动控制指令，控制电机的运动。 [0092] 本实施例中，若PC机是与一台以上运动控制器相连，则通过IP地址为各运动控制器编号。 \n[0093] 运动控制器的数量一般没有限制，只要不超过IP地址的数量即可。 [0094] 当有多台运动控制器时，控制系统程序采用高级语言调用运动控制器各种功能的函数编写而成。PC机通过以太网向个运动控制器发出控制指令，可实现生产线的自动控制， [0095] 本实施例中，若PC机与一台运动控制器相连，则运动控制器还可以通过以太网接口、USB接口或串口下载控制指令至运动控制器。 \n[0096] 只有一台运动控制器时，其程序用G代码编写，此时G代码也可在触摸屏 上直接编写。 \n[0097] 实施例四： \n[0098] 本实用新型一个实施例的运动控制器，包括电机接口J21、I/O接口J11、D/A接口、两个串口、扩展I/O口，以及网口、U盘口、初始电平设置拨码开关、电源、指示灯。 [0099] 其主要技术指标如下： \n[0100] 控制电机数：4个 \n[0101] 控制电机的指令脉冲： \n[0102] 频率范围：1～5.0MHz \n[0103] 频率精度：±0.1Hz \n[0104] 脉冲个数：-2,147,483,647～+2,147,483,648(32位) \n[0105] 2--4轴直线插补精度：±1脉冲当量 \n[0106] 2轴圆弧插补精度：±1脉冲当量 \n[0107] I/O信号： \n[0108] 通用数字输出口：24个；其中：8路光电隔离，16路非隔离 \n[0109] 通用数字输入口：32个；其中：16路光电隔离，16路非隔离 \n[0110] 通用、专用数字输入口有RC低通滤波器 \n[0111] D/A信号： \n[0112] 两路8位D/A数模转换接口，输出电压范围0.07～4.45V \n[0113] PWM信号： \n[0114] 两路PWM脉宽调制接口，最高频率1MHz，0～100％占空比可调 软件： [0115] 函数库：支持Windows 98/NT/2000/XP/Win7操作系统使用VB、VC、Delphi、LabView软件进行应用软件开发。 \n[0116] 指令集：控制器内置G代码指令集。 \n[0117] 本实用新型的运动控制器包括FPGA电路和以太网接口，其中，所述FPGA电路通过所述以太网接口与以太网相连；控制终端发送的控制命令经以太网，通过以太网接口发送至所述FPGA电路，FPGA电路接收所述控制命令后，对控制命令进行分析、处理，依据控制命令控制电机的运动。采用以太网作为现场总线，可实现生产线自动化控制，还可以进行远程固件升级；采用FPGA控制电机的运动，结构简单，功能强大、成本较低。同时，本实用新型的FPGA中的缓存子模块中存放多条控制指令，可消除因为以太网与运动控制器通讯所耗时间所产生的轨迹运动的瞬间停顿现象，可提高运动控制器在进行高速轨迹控制时的速度及轨迹的平滑性。 \n[0118] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，但这只是为便于理解而举的实例，不应认为本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，可以做出各种可能的等同改变或替换，这些改变或替换都应属于本实用新型的保护范围。