工業機器人運動控制器的架構的製作方法
2023-09-21 22:51:00 2
本發明屬於工業機器人技術領域，涉及一種工業機器人運動控制器的架構。
背景技術：
隨著我國經濟的快速增長，特別是食品生產與加工工業、汽車及汽車零部件製造行業、電子元器件製造行業等領域的發展，推動並引領我國製造業從傳統的勞動密集型向以自動化、信息化等為特徵的現代技術密集型轉變。
工業機器人作為典型的機電一體化產品，在加工、焊接、搬運、噴塗、裝配等工業生產中替代或協助人進行工作，提高了勞動生產率及生產質量，降低了生產成本，保障了人身安全。因此，工業機器人在現代製造業中得到了廣泛應用。
工業機器人運動控制系統是由運動控制器、執行器、傳感器、傳動部件構成。其中，運動控制器是機器人進行運動的最頂層規劃裝置，它將機器人要完成的動作轉換成相應的控制器指令，並採集信號經過運算為電機等機器人動力裝置提供控制信號，使機器人正確動作，所以它是工業機器人的大腦。
工業機器人運動控制器研究現狀：
(1)「PC/工控機(IPC)+運動控制卡」(PC模式)：這種模式控制系統被稱為基於個人計算機的運動控制系統，此種模式把與計算機相獨立的、具備開放式軟硬體結構的運動控制卡，通過PCI等標準的計算機總線連接至計算機軟硬體系統，在計算機主機內插入運動控制卡，與上位機控制軟體一起構成數控系統，數控系統通過專用接口對驅動器和電機進行運動控制。通過在PC及作業系統下調用相關函數，可實現插補、伺服控制等基本運動控制功能。運動控制晶片(ASIC)或專用處理器(ASIP),一些晶片還是專門為數控工具機設計的，如MCX314，具有各種基本插補功能，急停、硬限位等I/O控制功能，可實現對數字伺服電機和步進電機的控制。同時，還存在基於PCI、ISA等PC總線的以DSPs或FPGA或其他處理器如ARM等作為核心處理器的運動控制卡。PC模式運動控制系統體系雖然具備出色的開放性，但由於PC機的體積過大，基於PC機的運動控制系統不能集成到對體積嚴格要求的微小型工業系統內。另外，基於PC的運動控制系統雖然具備人機互動等豐富的功能，但對一些功能要求簡單的工業系統就顯得資源過剩，而過多的功能與接口又增加了系統的成本。同時，該類控制器主要基於微軟Windows通用作業系統，而Windows不是面向工業控制而設計的系統，無法滿足運動控制系統的穩定性、實時性控制要求；同時Windows作業系統是代碼不開源的商品化作業系統，因此無法對其進行實時性改造。
(2)「嵌入式處理器/IPC+實時作業系統」(非PC模式)：
非PC模式的運動控制系統最主要的特點為運動控制器可獨立於PC或IPC運行。工業環境存在很多限制，如空間體積等，而且存在各種電磁幹擾。通過嵌入式技術，將運動控制器小型化並增強其抗幹擾能力，應用於工業生產中，既解決了穩定性問題，又降低了控制系統的成本。
「PC模式」與「非PC模式」兩種總體架構。「PC模式」運動控制器的優點在於基於PC機使得控制系統具有良好的開放性，同時可以利用PC機豐富的資源。缺點在於由於PC機的存在，使得控制系統體積過大，不利於集成；同時PC機資源過剩，無法得到有效利用，無形中增加了系統的成本；普通PC機抗幹擾能力低，使得整個運動控制系統穩定性較低，使得整個運動控制系統穩定性較低；PC機上處理過多的任務，影響運動控制系統的實時性。「非PC模式」運動控制器的優點在於利用嵌入式軟硬體技術，減小了運動控制系統的結構規模，提高工業機器人在工業生產中的集成度，滿足了精度要求，提高了可靠性和實時性，同時降低了成本。
技術實現要素：
本發明的一個目的是解決至少上述問題和/或缺陷，並提供至少後面將說明的優點。
本發明還有一個目的是提供一種工業機器人運動控制器的架構。
為此，本發明提供的技術方案為：
一種工業機器人運動控制器的架構，包括：
ARM處理器，其作為主處理器，用於事件管理；和，
FPGA處理器，其與所述ARM處理器連接，作為協處理器，用於負責各個關節電機伺服控制、輸出數字量控制、輸出位置脈衝、接收編碼器信號及擴展IO信號的處理。
優選的是，所述的工業機器人運動控制器的架構中，所述ARM處理器與所述FPGA處理器通過總線進行數據交互。
優選的是，所述的工業機器人運動控制器的架構中，所述ARM處理器上設置有SPI接口。
優選的是，所述的工業機器人運動控制器的架構中，所述ARM處理器為嵌入式。
優選的是，所述的工業機器人運動控制器的架構中，所述ARM處理器包括集成於嵌入式運動控制器電路板上的ARM核心板，所述ARM核心板通過排針將各個功能埠引出，並和FPGA最小系統接口板連接。
優選的是，所述的工業機器人運動控制器的架構中，所述FPGA最小系統接口板採用的為Xilinx SpartanⅢ系列的FPGA晶片XC3S400。
優選的是，所述的工業機器人運動控制器的架構，還包括：利用長線傳輸驅動晶片AM26LS31將單端TTL信號轉換為雙端差分信號傳輸，以減小位置脈衝信號在傳輸過程中受到的電磁幹擾。
本發明至少包括以下有益效果：
1.運動控制器採用嵌入式微處理器ARM作為主處理器，更擅長事件管理，並且可以快速實現不同模式的切換，這對於作業系統來說是非常有益的。
2.運動控制器採用FPGA作為協處理器，解決了專用控制晶片功能單一、靈活性差的不足，具備方便靈活的動態可重構性。同時，FPGA擁有強大的並行計算和執行能力，系統的實時性得到很大提升，而且具備較高的可靠性。
3.實現了獨立於PC或IPC運行的功能，利用嵌入式硬體技術，減小了運動控制系統的結構規模，提高工業機器人在工業生產中的集成度，滿足了精度要求，同時降低了成本。
本發明的其它優點、目標和特徵將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。
附圖說明
圖1為本發明所述的工業機器人運動控制器的硬體系統結構框圖；
圖2為本發明其中一個實施例中ARM核心板的照片；
圖3為本發明其中一個實施例中FPGA最小系統接口板的照片；
圖4為本發明其中一個實施例中的電源接口電路示意圖；
圖5為本發明其中一個實施例中一路脈衝信號的轉換原理；
圖6為本發明其中一個實施例中IO接口電路圖；
圖7為本發明其中一個實施例中模擬量輸出接口電路圖；
圖8為本發明其中一個實施例中驅動器接口電路圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。
應當理解，本文所使用的諸如「具有」、「包含」以及「包括」術語並不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。
本發明主要架構方案：「ARM主處理器+FPGA協處理器」。
硬體系統的整體結構體系為：ARM核心板為上位主處理器電路板，通過SPI高速串行接口總線與下位協處理器FPGA進行數據交換。FPGA負責各個關節電機伺服控制、輸出數字量控制、輸出位置脈衝、接收編碼器信號及擴展IO信號的處理。實現了獨立於PC或IPC運行的功能，利用嵌入式硬體技術，減小了運動控制系統的結構規模，提高工業機器人在工業生產中的集成度，滿足了精度要求，同時降低了成本。
本發明提供一種工業機器人運動控制器的架構，包括：
ARM處理器，其作為主處理器，用於事件管理；和，
FPGA處理器，其與所述ARM處理器連接，作為協處理器，用於負責各個關節電機伺服控制、輸出數字量控制、輸出位置脈衝、接收編碼器信號及擴展IO信號的處理。
在本發明的其中一個實施例中，作為優選，所述ARM處理器與所述FPGA處理器通過總線進行數據交互。
在本發明的其中一個實施例中，作為優選，所述ARM處理器上設置有SPI接口。
在本發明的其中一個實施例中，作為優選，所述ARM處理器為嵌入式。
在上述方案中，作為優選，所述ARM處理器包括集成於嵌入式運動控制器電路板上的ARM核心板，所述ARM核心板通過排針將各個功能埠引出，並和FPGA最小系統接口板連接。
在上述方案中，作為優選，所述FPGA最小系統接口板採用的為Xilinx SpartanⅢ系列的FPGA晶片XC3S400。
在本發明的其中一個實施例中，作為優選，還包括：利用長線傳輸驅動晶片AM26LS31將單端TTL信號轉換為雙端差分信號傳輸，以減小位置脈衝信號在傳輸過程中受到的電磁幹擾。
運動控制器的核心處理器必須具備多事件管理能力。同時，由於ARM架構的不斷演進，半導體工藝的不斷提高，新一代ARM的主要技術指標不斷提高，主頻由幾十兆赫茲提高至幾百兆赫茲，時鐘周期大幅度降低，採用了改進型哈佛結構，能夠同時進行數據讀寫操作和取指操作；流水線級數不斷增加，提高了ARM並行處理能力；增加了增強型硬體乘法器設計，它的數位訊號處理能力進一步增強，能夠實現一些複雜的運動控制算法。因此，選擇ARM作為運動控制器主處理器。
對於機器人多軸運動控制器，需要處理器具備多管腳輸入輸出能力，以實現電機編碼器信號處理、位置脈衝及速度模擬電壓輸出等基本功能。FPGA作為專用集成電路領域中的一種半定製電路，具有豐富的輸入輸出模塊，既滿足了IO擴展的要求，又通過在大規模門電路基礎上的硬體程式語言程序設計，解決了專用IO擴展集成電路的不足，實現了輸入輸出功能的靈活配置。同時,FPGA具備其它處理器沒有的並行處理能力，十分適合多軸運動控制系統同步性和實時性的要求。因此，選擇FPGA作為運動控制器協處理器，與ARM配合完成機器人運動控制任務。
「ARM主處理器+FPGA協處理器」通信總線，最主要的特點是ARM與FPGA之間通過總線直接進行數據交互。FPGA上的總線接口可通過硬體描述語言(HDL)編程實現，不同的邏輯時序可實現不同通信協議總線接口。採用串行總線作為ARM和FPGA之間的通信載體，由於ARM處理器上有專用SPI(Serial Peripheral Interface)接口，SPI通信速率可達25Mbps，滿足機器人運動控制器通信速率要求，可作為該嵌入式運動控制器第一代樣機主，協處理器通信接口。具體硬體系統結構框圖如圖1所示。
ARM核心板為上位主處理器電路板，通過SPI高速串行接口總線與下位協處理器FPGA進行數據交換。FPGA負責各個關節電機伺服控制，輸出數字量控制DAC，輸出位置脈衝，接收編碼器信號，電機驅動器控制模式配置IO信號的處理以及擴展IO信號的處理。
嵌入式運動控制器的核心處理晶片為ARM和FPGA。一款名為SBC84621的ARM核心板被集成到嵌入式運動控制器電路板上，該板採用AMD CS5536CPU，擴展了存儲容量為512Mb的DDR400SO-DIMM CL3。ARM核心板通過排針將各個功能埠引出和FPGA最小系統接口板連接，可利用該核心板上的乙太網、串口、USB或音頻等接口。FPGA最小系統接口板使用了Xilinx SpartanⅢ系列的一款FPGA晶片XC3S400，可滿足本控制器系統設計要求。
ARM核心板與FPGA最小系統接口板如圖2和3所示。
針對ARM和FPGA的特點，設計晶片外圍基本功能電路，實現如電源供應、程序復位、程序的調試及下載。ARM核心板供電電壓為3.3V，FPGA最小系統接口板需要3.3V、2.5V及1.2V三種電壓供電，如圖4所示。
為了減小位置脈衝信號在傳輸過程中受到的電磁幹擾，利用長線傳輸驅動晶片AM26LS31將單端TTL信號轉換為雙端差分信號傳輸，如圖5所示(圖中為一路脈衝信號的轉換原理)：
運動控制器中存在兩種輸入輸出開關量信號：一種是伺服驅動器控制模式配置IO信號，當相關配置信號正確時，驅動器才可以正常工作，此種IO信號是基本IO信號；另一種是額外增加的輸入輸出開關量信號，來滿足運動控制開關控制功能擴展，此種信號是擴展的IO信號。兩種IO信號的處理方式一致。如圖6所示，按照伺服驅動器用戶手冊推薦方式，對於運動控制器輸出開關量信號，首先通過普通光耦TLP181將前後兩級隔離，同時將CMOS電平信號轉換為24V電壓信號，然後利用達林頓管晶片ULN2804，將信號功率放大，提高驅動能力。
模擬量輸出接口電路如圖7所示。
驅動器接口電路如圖8所示。
以上詳細介紹了工業機器人嵌入式運動控制器硬體電路設計。首先，從運動控制器硬體架構的角度描述了控制器的總體結構，包括核心處理器的選擇以及核心處理器間的通信總線的選擇，最終確定了以「ARM主處理器+FPGA協處理器」以及SPI串行通信總線的硬體方案。接著，詳細介紹了以各個單元電路的功能和設計，包括運動控制器核心及其外圍基本電路。
如上所述，本發明將ARM核心板為上位主處理器電路板，通過SPI高速串行接口總線與作為下位協處理器的FPGA進行數據交換。FPGA負責各個關節電機伺服控制、輸出數字量控制、輸出位置脈衝、接收編碼器信號及擴展IO信號的處理。實現了獨立於PC或IPC運行的功能，利用嵌入式硬體技術，減小了運動控制系統的結構規模，提高工業機器人在工業生產中的集成度，滿足了精度要求，同時降低了成本。
儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。