专利名称：多轴运动控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种运动控制装置，具体涉及应用于机器人轴系、数控机床轴系或其它多轴系的运动控制器。
背景技术：
在机器人、数控机床或其它多轴系的运动控制系统中，多轴运动控制器是最核心的组成部分，近年来越来越多力量投入到多轴运动器的研究中，在市场上也出现了接口不一、性能各异的同类产品。随着机电设备智能化的发展，其控制系统机载化、小型化的成为一种必然的趋势。PC104系列工控机以其小巧的结构、优越的性能和可靠的连接，非常适合作为机电设备机载化控制系统的主控计算机，并在这方面得到了非常广泛的应用。但现有的多轴运动控制器都是基于ISA、PCI或现场总线的，它们都不能和PC104系列工控机以总线方式直接进行连接，在集成机电一体化多轴运动控制系统时，常常因为没有配套的多轴运动控制器而不得不放弃以PC104系列工控机作为主控计算机的方案，不能满足目前实际操作的需要。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是克服目前现有技术的缺陷，提供一种基于PC104总线和串行通讯总线接口的多轴运动控制器，以解决原有多轴运动控制器不能和PC104系列工控机直接进行总线连接的问题。
本实用新型是通过下面的技术解决方案解决上述技术问题的。其特征在于它包括PC104总线、数字信号处理器、处理器总线驱动及译码、AD转换器、模拟信号前置处理电路、PWM信号发生器、公用存储器和非易失性存储器，所述PC104总线通过总线译码及总线驱动与公用存储器相联，数字信号处理器分别与处理器总线驱动及译码、公用存储器、非易失性存储器和串行通讯接口相联，所述AD转换器分别与电压基准源、处理器总线驱动及译码和模拟信号前置处理电路相联，模拟信号前置处理电路与模拟多路切换器连接；处理器总线驱动及译码又与公用存储器和PWM信号发生器相联，PWM信号发生器与光电隔离器相接。本实用新型还包括微处理器监控器，与数字信号处理器相联。
本实用新型具有下列技术效果(1)具有PC104总线接口和串行通讯总线接口，可以直接和PC104系列工控机组成多轴运动控制系统，也可以通过串行通讯总线组成分布式多轴运动控制系统；(2)具有8通道16位高精度模数转换器，可直接连接电压型反馈传感器；(3)具有8通道12位PWM发生器，频率10-20K可调节；(4)可同时对8个轴系进行连动控制和独立控制，控制精度高；(5)具有4K公用存储器，既可作为数字信号处理器缓存使用，也可以作为双向通讯数据缓冲池使用，总线通讯，快速可靠；(6)控制参数可灵活地在线设置、修改和存储记忆；(7)具有闭环控制、数据采集处理、信号发生器、混合模式四种工作模式，使得在集成系统时具有极大的灵活性；(8)单轴伺服速率60us，8轴伺服速率400us，8通道数据采集速率10us，8通道信号发生速率5us。
图1为本实用新型原理结构方框图；图2为本实用新型具体实施电路图之一；图3为本实用新型具体实施电路图之二；图4为本实用新型具体实施电路图之三。
具体实施方式
图1反映了本实用新型的基本结构，它采用DSP、大规模CPLD、高精度AD、公用存储和串行通讯技术，提供了一种基于PC104总线和串行通讯总线的多轴运动控制器。如图所示，本实用新型包括PC104总线、总线译码及总线驱动、数字信号处理器、处理器总线驱动及译码、AD转换器、模拟信号前置处理、模拟多路切换器、PWM信号发生器、光电隔离器、公用存储器、非易失性存储器、串行通讯接口和电压基准源，所述PC104总线通过总线译码及总线驱动与公用存储器相联，数字信号处理器分别与处理器总线驱动及译码、公用存储器、非易失性存储器和串行通讯接口相联，同时与JTAG接口相接；所述AD转换器分别与电压基准源、处理器总线驱动及译码和模拟信号前置处理相联，模拟信号前置处理与模拟多路切换器、模拟量输入接口连接；处理器总线驱动及译码又与公用存储器和PWM信号发生器相联，PWM信号发生器与光电隔离器、PWM输出接口相联。本实用新型还设有微处理器监控器，与数字信号处理器相联。其中，PC104总线、总线译码及驱动构成PC104总线接口，与串行通讯接口一起，构成PC104总线接口和串行通讯接口，可实现和PC104工控机以及其它串行设备的数据通讯；数字信号处理器、处理器总线驱动及译码、微处理器监控器和JTAG接口构成数字信号处理器核心部分，可实现控制算法和程序流程的控制；AD转换器、模拟信号前置处理、模拟多路切换器、模拟信号输入接口和电压基准源构成多路模拟量通道，可实现模拟量的预处理和采集；PWM信号发生器、光电隔离器和PWM输出接口构成多路PWM通道，可实现控制信号的输出；公用存储器作为数字信号处理器的缓存双向通讯数据缓冲池；非易失存储器用来记忆控制器各通道的控制参数。
本实用新型功能包括(1)参数设置和记忆当以PC104总线和PC104工控机连接使用时，PC104工控机将参数、参数类别、通讯密匙存储在公用存储约定的存储单元中，然后发出中断信号，多轴控制器立即响应中断并进入中断服务程序，在中断服务中验证密匙、判断类别、读取参数并存储到非易失性存储器；当以串行总线连接使用时，连接的串行设备将参数、参数类别、通讯密匙、参数存储标志按约定的协议打包发送到多轴运动控制器串行通讯接口，多轴运动控制器接收到串行信息后按约定的协议解包、验证密匙、判别类别、读取参数并存储到非易失性存储器中。(2)参数在线调整在多轴运动控制器上电时，初始化程序会将非易失性存储器中的参数读出并存储在公用存储器约定的单元中，在进入多轴运动控制时，每个周期中要使用这些参数时将直接从公用存储器相应单元读取，当以PC104总线和PC104工控机连接使用时，PC104工控机可以不断在线地将参数直接存储在公用存储器相应储单元中，即可更新原来的参数达到调整目的；当以串行总线连接使用时，连接的串行设备将参数按约定的协议打包发送到多轴运动控制器串行通讯接口，多轴运动控制器接收到串行信息后按约定的协议解包得到参数并存储到公用存储器相应单元中即可更新原来的参数达到调整目的。(3)工作模式多轴运动控制器具有8路模拟量输入和8路PWM输出通道，它们一一对应。每一对应都设置有工作模式控制参数，程序运行的每个周期对这些参数进行检测并转入相应的工作模式，这些模式包括闭环控制、数据采集、信号发生和混合模式，每一对应可互不影响地工作在上述四种模式之下。(4)闭环控制模式由一组一一对应的模拟采集通道相和PWM控制信号输出通道构成一个闭环控制回路，其中模拟采集通道连接电压型反馈传感器，其采集数据作为闭环控制算法(PID)的反馈值，控制算法期望值由PC104工控机通过PC104总线不断地存储到公用存储器约定单元，或从所连接的串行设备通过串行通讯总线接收并存储到公用存储器约定单元。(5)数据采集模式一一对应的模拟输入和PWM输出通道组通过模式控制参数的调整可以只单独使用模拟输入通道进行数据采集，数字信号处理器将采集到的数据存放到公用存储器中约定的单元中，或通过串行通讯总线发送到与之相连接的串行设备，每个周期更新一次。(6)信号发生模式一一对应的模拟输入和PWM输出通道组通过模式控制参数的调整也可以只单独使用PWM输出通道发生所需的控制信号，在每个周期控制器数字信号处理器从公用存储器中读取由PC104工控机存储的波形数据或从串行总线接收到的波形数据写到相应的PWM通道控制字中即可产生需要的控制信号。(7)混合工作模式一一对应的模拟输入和PWM输出通道组通过模式控制参数的调整还可以不形成闭环回路同时使用模拟输入通道进行数据采集，利用PWM输出通道发生所需的控制信号，其工作过程和信号采集模式、信号发生模式一致。
图2、图3和图4是实施本实用新型的具体电路图。
如图2所示，U1为数字信号处理器TMS320F206，U2、U3为大规模CPLD EMP7128，U4为公用存储器IDT71 34，U5为总线驱动器74HC245，U6为微处理器监控器MAX706，U7为AD转换器AD976，JP1为PC104总线连接器，J1为U2的JTAG接口，J2为U3的JTAG接口，JP2、R5组成U1的JTAG接口，J3、J4、R1、R2、R3、R4、D1、PZ2、X1为U1外围辅助器件、PZ1为U2外围辅助器件，C1、C2、R6为U7外围辅助器件。其中U1为多轴运动控制器的处理器，U2、U3通过内部编程实现PC104总线译码、数字信号处理器总线译码、PWM信号发生等功能。
如图3所示，U8、U9、U10、U11、U12、U13、U14、U15为高速光藕6N137，作为PWM信号光电隔离器器；J5、J6为PWM控制信号输出接口，J7为多轴运动控制器LED状态显示接口，R7至R22为光藕外围电阻，R23、R24、R25为LED限流电阻。
如图4所示，U16为串行通讯接口器件MAX232，C3、C4、C5、C6为U16外围器件，J8为串行通讯接口；U17为模拟多路切换器ADG508，R26为其外围器件，J9、J10为模拟信号输入接口；U18为运放、在C7、R27、R28、VR1辅助下实现模拟信号前置处理功能；U19为电压基准源MC1403；U20为非易失性存储器X5043，用于参数的记忆存储；其它电容C8至C40为电源滤波和芯片电源去藕电容。
权利要求1.一种多轴运动控制器，其特征在于它包括PC104总线、数字信号处理器、处理器总线驱动及译码、AD转换器、模拟信号前置处理电路、PWM信号发生器、公用存储器和非易失性存储器，所述PC104总线通过总线译码及总线驱动与公用存储器相联，数字信号处理器分别与处理器总线驱动及译码、公用存储器、非易失性存储器和串行通讯接口相联，所述AD转换器分别与电压基准源、处理器总线驱动及译码和模拟信号前置处理电路相联，模拟信号前置处理电路与模拟多路切换器连接；处理器总线驱动及译码又与公用存储器和PWM信号发生器相联，PWM信号发生器与光电隔离器相接。
2.根据权利要求1所述的多轴运动控制器，其特征在于本实用新型还包括微处理器监控器，与数字信号处理器相联。
专利摘要一种多轴运动控制器，其特征在于它包括PC104总线、数字信号处理器、处理器总线驱动及译码、AD转换器、模拟信号前置处理电路、PWM信号发生器、公用存储器和非易失性存储器，其中PC104总线通过总线译码及总线驱动与公用存储器相联，数字信号处理器与处理器总线驱动及译码、公用存储器、非易失性存储器和串行通讯接口相联；AD转换器与电压基准源、处理器总线驱动及译码和模拟信号前置处理电路相联，模拟信号前置处理电路与模拟多路切换器连接；处理器总线驱动及译码又与公用存储器和PWM信号发生器相联，PWM信号发生器与光电隔离器相接。本实用新型具有PC104总线接口和串行通讯总线接口，可解决原有多轴运动控制器不能和PC104系列工控机直接进行总线连接的问题。
文档编号G05B19/18GK2624254SQ03248110
公开日2004年7月7日 申请日期2003年6月25日 优先权日2003年6月25日
发明者周华平, 李迅, 黄茜薇 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学