本發明屬于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、汽車及汽車零部件制造行業、電子元器件制造行業等領域的發展，推動并引領我國制造業從傳統的勞動密集型向以自動化、信息化等為特征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、噴涂、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，工業機器人在現代制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，并采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于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、具備開放式軟硬件結構的運動控制卡，通過PCI等標準的計算機總線連接至計算機軟硬件系統，在計算機主機內插入運動控制卡，與上位機控制軟件一起構成數控系統，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及操作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。運動控制芯片(ASIC)或專用處理器(ASIP),一些芯片還是專門為數控機床設計的，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，還存在基于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，但由于PC機的體積過大，基于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，基于PC的運動控制系統雖然具備人機交互等豐富的功能，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，該類控制器主要基于微軟Windows通用操作系統，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操作系統是代碼不開源的商品化操作系統，因此無法對其進行實時性改造。

(2)“嵌入式處理器/IPC+實時操作系統”(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于PC或IPC運行。工業環境存在很多限制，如空間體積等，而且存在各種電磁干擾。通過嵌入式技術，將運動控制器小型化并增強其抗干擾能力，應用于工業生產中，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于基于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。缺點在于由于PC機的存在，使得控制系統體積過大，不利于集成；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機抗干擾能力低，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于利用嵌入式軟硬件技術，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，并提供至少后面將說明的優點。

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，用于事件管理；和，

FPGA處理器，其與所述ARM處理器連接，作為協處理器，用于負責各個關節電機伺服控制、輸出數字量控制、輸出位置脈沖、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處理器包括集成于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端口引出，并和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最小系統接口板采用的為Xilinx SpartanⅢ系列的FPGA芯片XC3S400。

優選的是，所述的工業機器人運動控制器的架構，還包括：利用長線傳輸驅動芯片AM26LS31將單端TTL信號轉換為雙端差分信號傳輸，以減小位置脈沖信號在傳輸過程中受到的電磁干擾。

本發明至少包括以下有益效果：

1.運動控制器采用嵌入式微處理器ARM作為主處理器，更擅長事件管理，并且可以快速實現不同模式的切換，這對于操作系統來說是非常有益的。

2.運動控制器采用FPGA作為協處理器，解決了專用控制芯片功能單一、靈活性差的不足，具備方便靈活的動態可重構性。同時，FPGA擁有強大的并行計算和執行能力，系統的實時性得到很大提升，而且具備較高的可靠性。

3.實現了獨立于PC或IPC運行的功能，利用嵌入式硬件技術，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、目標和特征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件系統結構框圖；

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沖信號的轉換原理；

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”術語并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”。

硬件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、輸出位置脈沖、接收編碼器信號及擴展IO信號的處理。實現了獨立于PC或IPC運行的功能，利用嵌入式硬件技術，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，用于事件管理；和，

FPGA處理器，其與所述ARM處理器連接，作為協處理器，用于負責各個關節電機伺服控制、輸出數字量控制、輸出位置脈沖、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處理器包括集成于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端口引出，并和FPGA最小系統接口板連接。

在上述方案中，作為優選，所述FPGA最小系統接口板采用的為Xilinx SpartanⅢ系列的FPGA芯片XC3S400。

在本發明的其中一個實施例中，作為優選，還包括：利用長線傳輸驅動芯片AM26LS31將單端TTL信號轉換為雙端差分信號傳輸，以減小位置脈沖信號在傳輸過程中受到的電磁干擾。

運動控制器的核心處理器必須具備多事件管理能力。同時，由于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，采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并行處理能力；增加了增強型硬件乘法器設計，它的數字信號處理能力進一步增強，能夠實現一些復雜的運動控制算法。因此，選擇ARM作為運動控制器主處理器。

對于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、位置脈沖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制電路，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件編程語言程序設計，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并行處理能力，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件描述語言(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。采用串行總線作為ARM和FPGA之間的通信載體，由于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。具體硬件系統結構框圖如圖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，輸出位置脈沖，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芯片為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，該板采用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端口引出和FPGA最小系統接口板連接，可利用該核心板上的以太網、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芯片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，設計芯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。

為了減小位置脈沖信號在傳輸過程中受到的電磁干擾，利用長線傳輸驅動芯片AM26LS31將單端TTL信號轉換為雙端差分信號傳輸，如圖5所示(圖中為一路脈沖信號的轉換原理)：

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，對于運動控制器輸出開關量信號，首先通過普通光耦TLP181將前后兩級隔離，同時將CMOS電平信號轉換為24V電壓信號，然后利用達林頓管芯片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件電路設計。首先，從運動控制器硬件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串行通信總線的硬件方案。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、輸出位置脈沖、接收編碼器信號及擴展IO信號的處理。實現了獨立于PC或IPC運行的功能，利用嵌入式硬件技術，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。

盡管本發明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發明的領域，對于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范圍所限定的一般概念下，本發明并不限于特定的細節和這里示出與描述的圖例。