[发明专利]一种基于FPGA的通用工业运动控制系统及基于该运动控制系统的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业运动控制领域。

背景技术

现场总线控制技术是20世纪80年代在国际上发展起来的工业控制技术，各个控制节点通过网络进行连接，极大的简化了传统控制系统繁琐的布线功能，因此在工控领域得到了广泛的应用。但是，现场总线标准种类繁多，有ModBus、Profibus、CAN、LonWorks等，并没有事实的标准，不同厂家的伺服驱动器、运动控制器、PLC等工控设备支持不同的网络，必须采用支持该网络协议的工控设备，这样就给系统的集成带来了困难，也增加了系统成本。

在工业领域中，运动控制系统已经在装配加工、机器人控制、数控机床等场合得到广泛应用。现有的运动控制器对于工控网络的支持也存在类似的问题，在进行组网时必须使用支持相同协议的设备。对于不同协议的设备之间只能使用协议转接器进行转换，增加了系统成本，也降低了通讯速率。

另外，对于控制精度较高的场合，运动控制器有时需要进行位置闭环控制。不同种类的位置传感器支持的接口协议可能不一样，因此在使用位置传感器构成系统闭环控制时，运动控制器或者位置传感器的接口必须统一起来，这也给系统集成带来很大的困难。

目前高性能的运动控制器普遍采用DSP作为主控芯片，应用于运动控制时，能够较好的完成轨迹规划、坐标变换等控制算法。但是此类系统应用于工业场合时，常常需要与人机接口设备HMI、PLC以及作为节点工业以太网或者其他网络协议进行组网，将通讯与状态监控功能集成在DSP时会占用大量的系统资源，降低控制性能，一般会采用独立的控制芯片进行通讯与状态监控。这种方式会使系统硬件更加复杂，同时增加系统硬件成本和开发成本。

发明内容

本发明为了解决现有运动控制器在进行工业组网和运动控制时，对于常用工业现场总线协议和位置传感器接口协议支持较少且固定，导致运动控制器无法与外部设备兼容的缺陷，同时，现有运动控制器的控制方法过于复杂导致控制时间长和精度低的问题，提出了一种基于FPGA的通用工业运动控制系统。

一种基于FPGA的通用工业运动控制系统，其特征在于，它包括：

用于同时与外部现场总线、上位机、电机伺服驱动器和SD存储卡实现数据交互，并根据接收的数据信息进行运动学计算的FPGA模块，

用于实现外部现场总线与FPGA模块进行数据交互的总线接口模块，

用于实现上位机与FPGA模块进行数据交互的USB接口模块，

用于实现SD存储卡与FPGA模块进行数据交互的SD卡接口模块，

用于实现电机伺服驱动器与FPGA模块进行数据交互的驱动器接口模块，

用于将加载FPGA模块的引脚和资源配置信息和执行FPGA模块中存储的系统软件，并将该配置信息进行存储的配置模块，

用于将外部输入的模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号输送至FPGA模块的A/D转换模块。

所述FPGA模块内部有软件实现的数据接收计算模块，所述数据接收计算模块包括：

用于通过总线接口模块接收外部现场总线数据的外部现场总线数据接收模块，

用于通过总线接口模块向外部现场总线发送数据的外部现场总线数据发送模块，

用于通过USB接口模块接收上位机数据的上位机数据接收模块，

用于通过USB接口模块向上位机发送数据的上位机数据发送模块，

用于通过SD卡接口模块接收SD存储卡数据的SD存储卡数据接收模块，

用于通过SD卡接口模块向SD存储卡发送数据的SD存储卡数据发送模块，

用于通过驱动器接口模块接收电机伺服驱动器数据的电机伺服驱动器数据接收模块，

用于通过驱动器接口模块向电机伺服驱动器发送数据的电机伺服驱动器数据发送模块，

用于对外部现场总线数据、上位机数据、电机伺服驱动器数据和SD存储卡数据进行解析，并将解析结果发送至浮点处理器的定点处理器，

用于根据解析结果进行逻辑运算，并将逻辑运算结果发送至电机控制模块的浮点处理器，

用于根据逻辑运算结果对电机伺服驱动器进行控制的电机控制模块。

所述电机控制模块包括：

用于识别当前对电机伺服驱动器进行控制的控制方法为开环控制方法或闭环控制方法的电机控制识别模块，当控制方法为开环控制方法时，电机控制识别模块向闭环控制模块发送停止工作的信号，当控制方法为闭环控制方法时，电机控制识别模块向闭环控制模块发送开始工作的信号，