CN201163363Y - 数控机床上的通用多轴运动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种数控机床上的通用多轴运动控制系统，包括设置于数控机床上的微控制单元、伺服控制器、伺服电机和板级接口电路，微控制单元通过伺服控制器与伺服电机连接，其中系统还包括设置于数控机床上的可编程逻辑器件，可编程逻辑器件分别与一控制计算机、微控制单元和板级接口电路连接。采用该种结构的数控机床上的通用多轴运动控制系统，巧妙利用了FPGA芯片编程灵活的优势对多轴运动控制器电路进行ASIC定制，满足了多轴协调及高速高精复杂运动控制要求，简化了电路设计，提高了系统可靠性，降低了系统制造成本，而且结构简单，系统集成度高，工作性能稳定可靠、适用范围较为广泛，为数控机床运动控制技术的进一步发展奠定了坚实的基础。
Description
技术领域
本实用新型涉及数控机床领域，特别涉及数控机床运动控制技术领域，具体是指一种数控机床上的通用多轴运动控制系统。
背景技术
制造业是国民经济的基础产业，制造业的水平高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志。数控机床质量水平的高低，关系着国家制造业水平的高低。
在数控机床中，最重要的系统就是运动控制系统，其主要由控制计算机、运动控制器、驱动装置、执行机构和反馈装置构成。运动控制器响应闭环信号，接受控制系统的应用程序指令并将其转换为运动指令给驱动装置，由驱动装置将这些指令信号转换成电流以驱动执行结构，实现预定的运动轨迹和目标装置。由此可见，运动控制器是运动指令的直接发出者，在运动控制系统中处于核心的地位。运动控制器的控制性能在很大程度上决定了系统的控制精度和响应速度。运动控制器是运动系统的核心环节之一，只要有伺服电机应用的场合就离不开运动控制器。它以其特有的灵活性和优异的运动轨迹控制能力使许多工业生产数控设备焕发出勃勃生机。
在现有技术中，目前的运动控制器一般低端采用8位单片机，高端采用16位微控制单元(MCU，MICRO CONTROLLER UNIT)或数字信号处理芯片(DSP，DIGITAL SIGNALPROCESSOR)，精度比较高的是1um级，加速度比较高的是2G～3G。
由于采用传统8位单片机或者DSP处理器构成控制卡的精度与速度方面不能满足多轴协调及高速、高精复杂运动控制的严格要求，从而大大限制了数控机床的应用范围，给人们的生产和工作带来了一定的障碍。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够满足多轴协调及高速高精复杂运动控制的严格要求、结构简单、系统集成度高、成本较低、工作性能稳定可靠、适用范围较为广泛的数控机床上的通用多轴运动控制系统。
为了实现上述的目的，本实用新型的数控机床上的通用多轴运动控制系统具有如下构成：
该数控机床上的通用多轴运动控制系统，包括设置于数控机床上的微控制单元、伺服控制器、伺服电机和板级接口电路，所述的微控制单元通过伺服控制器与所述的伺服电机相连接，其主要特点是，所述的系统还包括设置于数控机床上的可编程逻辑器件，所述的可编程逻辑器件分别与一控制计算机、所述的微控制单元和板级接口电路相连接。
该数控机床上的通用多轴运动控制系统的可编程逻辑器件内设置有第一地址译码单元、第二地址译码单元和内部控制电路模块，所述的控制计算机通过第一地址译码单元与所述的内部控制电路模块相连接，所述的微控制单元通过第二地址译码单元与所述的内部控制电路模块相连接，所述的控制计算机、板级接口电路、伺服控制器和伺服电机均与所述的内部控制电路模块直接相连接。
该数控机床上的通用多轴运动控制系统的内部控制电路模块包括A/D信号控制单元、I/O状态寄存单元、系统ID信号控制单元、第一手轮A/B相编码单元、FIFO(First Input FirstOutput)单元、多轴编码器零点捕捉单元、第二A/B相编码单元和多轴脉冲发生控制单元，所述的A/D信号控制单元、I/O状态寄存单元、系统ID信号控制单元和第一手轮A/B相编码单元分别与所述的板级接口电路相连接，所述的第一地址译码单元与所述的A/D信号控制单元、I/O状态寄存单元、系统ID信号控制单元、第一手轮A/B相编码单元、FIFO单元和多轴编码器零点捕捉单元相连接，所述的第二地址译码单元与所述的第二A/B相编码单元、FIFO单元和多轴脉冲发生控制单元相连接，所述的伺服控制器与所述的多轴脉冲发生控制单元相连接，所述的伺服电机与所述的多轴编码器零点捕捉单元相连接。
该数控机床上的通用多轴运动控制系统的FIFO单元包括FIFO写单元和FIFO读单元，所述的第一地址译码单元与所述的FIFO写单元相连接，所述的第二地址译码单元与所述的FIFO读单元相连接。
该数控机床上的通用多轴运动控制系统的控制计算机通过ISA(industry-standardarchitecture)总线与所述的第一地址译码单元相连接，且该控制计算机还通过ISA总线与所述的内部控制电路模块直接相连接。
该数控机床上的通用多轴运动控制系统的控制计算机依次通过ISA总线、总线信号隔离放大器与第一地址译码单元相连接，且该控制计算机还依次通过ISA总线、总线信号隔离放大器与内部控制电路模块相连接。
该数控机床上的通用多轴运动控制系统的总线信号隔离放大器为74LS245芯片。
该数控机床上的通用多轴运动控制系统的可编程逻辑器件为FPGA(Field ProgrammableGateArray)芯片。
该数控机床上的通用多轴运动控制系统的FPGA芯片为A3P250芯片。
采用了该实用新型的数控机床上的通用多轴运动控制系统，由于其采用了FPGA芯片与传统的MCU相结合的方式来构成整个控制系统，并由FPGA完成PC机与MCU之间的接口通信，同时该FPGA芯片还能够完成脉冲发送、驱动器脉冲反馈和数字I/O口等功能，从而巧妙利用了FPGA芯片编程灵活的优势对多轴运动控制器电路进行ASIC(Application-SpecificIntegrated Circuit)定制，使其能够满足多轴协调及高速高精复杂运动控制的严格要求，并在很大程度上简化了电路设计，提高了系统的可靠性，降低了系统制造的成本，而且结构简单，系统集成度高，工作性能稳定可靠、适用范围较为广泛，为数控机床运动控制技术的进一步发展奠定了坚实的基础。
附图说明
图1为本实用新型的数控机床上的通用多轴运动控制系统整体架构示意图。
图2为本实用新型的数控机床上的通用多轴运动控制系统的MCU与FPGA芯片连接的电路原理图。
图3为本实用新型的数控机床上的通用多轴运动控制系统的控制计算机与FPGA芯片连接的电路原理图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1所示，该数控机床上的通用多轴运动控制系统，包括设置于数控机床上的微控制单元1、伺服控制器2、伺服电机3和板级接口电路4，所述的微控制单元1通过伺服控制器2与所述的伺服电机3相连接，其中，所述的系统还包括设置于数控机床上的可编程逻辑器件5，所述的可编程逻辑器件5分别与一控制计算机、所述的微控制单元1和板级接口电路4相连接。
其中，该可编程逻辑器件5可以为FPGA芯片，该FPGA芯片为A3P250芯片，当然也可以根据情况采用其它类型的可编程逻辑器件芯片。该可编程逻辑器件5内设置有第一地址译码单元51、第二地址译码单元52和内部控制电路模块，所述的控制计算机通过第一地址译码单元51与所述的内部控制电路模块相连接，所述的微控制单元1通过第二地址译码单元52与所述的内部控制电路模块相连接，所述的控制计算机、板级接口电路4、伺服控制器2和伺服电机3均与所述的内部控制电路模块直接相连接。
同时，该内部控制电路模块包括A/D信号控制单元53、I/O状态寄存单元54、系统ID信号控制单元55、第一手轮A/B相编码单元561、FIFO单元、多轴编码器零点捕捉单元58、第二A/B相编码单元和多轴脉冲发生控制单元59，所述的A/D信号控制单元53、I/O状态寄存单元54、系统ID信号控制单元55和第一手轮A/B相编码单元561分别与所述的板级接口电路4相连接，所述的第一地址译码单元51与所述的A/D信号控制单元53、I/O状态寄存单元54、系统ID信号控制单元55、第一手轮A/B相编码单元561、FIFO单元和多轴编码器零点捕捉单元58相连接，所述的第二地址译码单元52与所述的第二A/B相编码单元562、FIFO单元和多轴脉冲发生控制单元59相连接，所述的伺服控制器2与所述的多轴脉冲发生控制单元59相连接，所述的伺服电机3与所述的多轴编码器零点捕捉单元58相连接；其中所述的FIFO单元包括FIFO写单元571和FIFO读单元572，所述的第一地址译码单元51与所述的FIFO写单元571相连接，所述的第二地址译码单元52与所述的FIFO读单元572相连接。
不仅如此，该控制计算机依次通过ISA总线、总线信号隔离放大器与所述的第一地址译码单元51相连接，且该控制计算机还依次通过ISA总线、总线信号隔离放大器与内部控制电路模块相连接；该总线信号隔离放大器可以为74LS245芯片。
在实际使用当中，请参阅图1所示，其中的虚框内为一块通用FPGA芯片，可以采用A3P250芯片。其在整个系统中它处于核心地位，主要负责与测试计算机(PC)通信，与MCU通信以及与外部数字I/O口进行接口。其中
①上位机通过ISA总线将的PC信号传送给本系统；
②PC机的总线信号经过74LS245进行隔离和放大后，驱动FPGA；
③PC机的地址信息经过FPGA内部译码器后，产生内部控制电路的片选信号，内部控制电路包括AD控制器，IO状态寄存器，系统ID信息控制器，第一手轮A/B相编码器，FIFO写单元以及多轴编码器零点捕捉器；
④FPGA内部控制电路产生外围电路控制信号，用于与外围电路进行接口。内部控制电路如③所述；外围接口电路包括数控系统中常用的数字IO口，DA控制器，手轮以及存储系统ID信息芯片；
⑤FIFO单元，通过该电路可以将PC机与MCU进行连接；
⑥MCU的地址信号、数据信号、控制信号以及伺服控制器的方向信号直接连接到FPGA的外围引脚上；
⑦MCU的地址信号进过FPGA内部译码后产生内部信号的片选信号，这些内部电路包括FIFO读单元，脉冲发生控制器以及第二A/B相编码器；
⑧MCU根据PC机发送脉冲以及伺服电机反馈的信息，计算出脉冲控制器的控制周期；脉冲控制器负责向伺服驱动器发送差分脉冲信号；
⑨伺服控制器依据接收的脉冲产生伺服电机的控制信号，控制伺服电机的转速和转向；
⑩伺服电机产生的A/B相编码信号以及编码器零点信号连接到FPGA上，用于位置反馈和零点反馈。
综上所述，PC机通过ISA总线接口将多轴的运动数据发送给FPGA芯片5，FPGA芯片5将接收的数据缓冲到内部FIFO中并更新FIFO的状态信息来通知MCU 1。MCU 1检测到FIFO单元的状态信息后会主动读取FIFO单元里的数据，并根据具体的运动数据以及伺服电机的位置反馈信号来控制FPGA内部脉冲发生器使之产生差分脉冲及方向信号。
再请参阅图2所示，其为MCU 1(可以采用STC89C58芯片)与FPGA接口原理图，在图中，MCU 1的数据总线，地址以及读写控制线直接连接到FPGA芯片5上；为了对电机实现方向控制，MCU 1还必须提供方向信号给FPGA芯片5。图中所示的MD0～MD7，MA0～MA7以及MRD和MWR分别为MCU的数据线、地址线和总线读写信号。XD，YD以及ZD用于为X、Y和Z轴的方向标志。在整个系统中MCU 1负责读取电机位置反馈信息，并读取FIFO单元里的脉冲数据，并根据各轴的脉冲数据以及位置误差计算得到的控制周期送脉冲发送器。由FPGA芯片5内部的脉冲发送器负责将差分脉冲信号发送给伺服控制器2中。
再请参阅图3所示，其为PC机与FPGA芯片的接口电路原理图，在图中，ISA数据总线，地址以及读写控制线经过总线信号隔离放大器(可以采用74LS245芯片)或隔离后直接连接到FPGA芯片5上。如图所示SD0～SD7，SA0～SA9以及-IOW、-IOR和AEN分别为ISA接口的数据总线，地址总线以及I/O空间的控制总线。
采用了上述的数控机床上的通用多轴运动控制系统，由于其采用了FPGA芯片与传统的MCU相结合的方式来构成整个控制系统，并由FPGA完成PC机与MCU之间的接口通信，同时该FPGA芯片还能够完成脉冲发送、驱动器脉冲反馈和数字I/O口等功能，从而巧妙利用了FPGA芯片编程灵活的优势对多轴运动控制器电路进行ASIC定制，使其能够满足多轴协调及高速高精复杂运动控制的严格要求，并在很大程度上简化了电路设计，提高了系统的可靠性，降低了系统制造的成本，而且结构简单，系统集成度高，工作性能稳定可靠、适用范围较为广泛，为数控机床运动控制技术的进一步发展奠定了坚实的基础。
在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (9)
1、一种数控机床上的通用多轴运动控制系统，包括设置于数控机床上的微控制单元、伺服控制器、伺服电机和板级接口电路，所述的微控制单元通过伺服控制器与所述的伺服电机相连接，其特征在于，所述的系统还包括设置于数控机床上的可编程逻辑器件，所述的可编程逻辑器件分别与一控制计算机、所述的微控制单元和板级接口电路相连接。
2、根据权利要求1所述的数控机床上的通用多轴运动控制系统，其特征在于，所述的可编程逻辑器件内设置有第一地址译码单元、第二地址译码单元和内部控制电路模块，所述的控制计算机通过第一地址译码单元与所述的内部控制电路模块相连接，所述的微控制单元通过第二地址译码单元与所述的内部控制电路模块相连接，所述的控制计算机、板级接口电路、伺服控制器和伺服电机均与所述的内部控制电路模块直接相连接。
3、根据权利要求2所述的数控机床上的通用多轴运动控制系统，其特征在于，所述的内部控制电路模块包括A/D信号控制单元、I/O状态寄存单元、系统ID信号控制单元、第一手轮A/B相编码单元、FIFO单元、多轴编码器零点捕捉单元、第二A/B相编码单元和多轴脉冲发生控制单元，所述的A/D信号控制单元、I/O状态寄存单元、系统ID信号控制单元和第一手轮A/B相编码单元分别与所述的板级接口电路相连接，所述的第一地址译码单元与所述的A/D信号控制单元、I/O状态寄存单元、系统ID信号控制单元、第一手轮A/B相编码单元、FIFO单元和多轴编码器零点捕捉单元相连接，所述的第二地址译码单元与所述的第二A/B相编码单元、FIFO单元和多轴脉冲发生控制单元相连接，所述的伺服控制器与所述的多轴脉冲发生控制单元相连接，所述的伺服电机与所述的多轴编码器零点捕捉单元相连接。
4、根据权利要求3所述的数控机床上的通用多轴运动控制系统，其特征在于，所述的FIFO单元包括FIFO写单元和FIFO读单元，所述的第一地址译码单元与所述的FIFO写单元相连接，所述的第二地址译码单元与所述的FIFO读单元相连接。
5、根据权利要求2至4中任一项所述的数控机床上的通用多轴运动控制系统，其特征在于，所述的控制计算机通过ISA总线与所述的第一地址译码单元相连接，且该控制计算机还通过ISA总线与所述的内部控制电路模块直接相连接。
6、根据权利要求5所述的数控机床上的通用多轴运动控制系统，其特征在于，所述的控制计算机依次通过ISA总线、总线信号隔离放大器与第一地址译码单元相连接，且该控制计算机还依次通过ISA总线、总线信号隔离放大器与内部控制电路模块相连接。
7、根据权利要求6所述的数控机床上的通用多轴运动控制系统，其特征在于，所述的总线信号隔离放大器为74LS245芯片。
8、根据权利要求1至4中任一项所述的数控机床上的通用多轴运动控制系统，其特征在于，所述的可编程逻辑器件为FPGA芯片。
9、根据权利要求8所述的数控机床上的通用多轴运动控制系统，其特征在于，所述的FPGA芯片为A3P250芯片。
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