运动控制及其相关技术架构V0.4(初级)
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
运动控制及其相关 技术架构
内容提纲
• 一、工业自动化与运动控制 • 二、运动控制类型、应用和系统组成 • 三、运动控制目标参数与数据流程 • 四、运动控制器产品线和技术线分析
• 五、运动控制器的硬件架构
• 六、运动控制器的软件架构
一、工业自动化与运动控制
工业自动化的概念
工业控制自动化技术是一种运用
运动控制的系统组成
人机交互
（显示、键盘）
运动控制器
步进/伺服
电机驱动器
（如MPC系列）
外部信号 （限位、原点等）
位置反馈
运动控制的系统示例
点胶示教机器人
运动控制产品
• 机械传动 丝杆螺母、齿轮齿条（同步带）、减速机 • 执行电机及其驱动 步进电机及其驱动器 伺服电机及其驱动器 直线电机、平面电机 • 运动控制器 PLC（+运动控制模块） 数控系统：西门子、法那克 PC-base运动控制卡：MPC01~03/07/08 独立式运动控制器：MPC6xxx、Trio • 传感检测、人机交互…… 集成化产品：
状态 查询 数据
固件升级模块
PC 端数据包发送和接收模块
PC 端数据传输通讯协议模块 3、 数 据 通 讯 部 分
5、 固 件 固件升 升 级数据 级 及效验 部 数据 PC-DLL 端分 DLL 与 DRV 接口 PC-DRV 端
PCI 总线数据读写模块（驱动程序）
DSP 端数据传输通讯协议模块
状态缓冲区
DSP
FLASH
局 部 总 线
FPGA
光电隔离
限位 原点
可选
电机 控制
激光 控制
PC-base运动控制卡硬件架构示意图
PB-Base运动控制卡
六、运动控制器的软件架构
应用程序 指令 指令序列 磁盘文件 调试 调试 模块 状态查询 指令及结果
PC-APP 端 应用编程接口 API 错误 代码 处理 模块 4、 主 框 架 部 分 PC-DLL 端
PC-DRV 端 PCI 总线物理层 DSP 端
DSP 端数据包 发送和接收模块 加工指令 编码数据包
DSP 端状态缓 冲区刷新模块 立即指令 编码数据 DSP 核心处理部分 状态查询 数据
DSP 端固件升 级模块 固件升级及 效验数据
9、定时位置更新模块
加工指令 编码数据包
启动停止 暂停恢复 立即指令 立即 指令 缓冲 处理 模块 立即指令 缓冲区 状态 查询 数据 固件 升级 及效 验数 据
五、运动控制器的硬件架构
CPU
CPLD
DSP
A通道
通讯
PC机
B通道
存储
NAND Flash FLASH
RS232
人机界面
SRAM
局 部 总 线
Host USB
U盘
FPGA 限位 原点
光电隔离
I/O
电机 控制
激光 控制
脱机式运动控制器硬件架构示意图
脱机式运动控制器
PC PCI/ISA
PCI/ISA芯片
二、运动控制类型、应用和 系统组成
运动控制的类型
• 单机点位运动控制 • 轨迹运动控制（轮廓控制）
• 生产线同步运动控制
单 机 点 位 运 动 控 制
轨 迹 运 动 控 制
生 产 线 同 步 运 动 控 制
运动控制的应用行业
• 1）传统机床行业 车床、铣床、磨床、冲床、钻床等等 • 2）电子设备行业 PCB钻铣、SMT设备等等 • 3）医疗设备行业 血浆机、超声聚焦刀等等 • 4）激光加工行业 激光雕刻、激光切割等等 • 5）印刷包装行业 • 6）办公自动化行业 • ……
微指令FIFO
FPGA运动寄存器
FIFO_STATUS rFIFO_CS
D_IN(31-0) FIFO_CS
LOAD_CS
与顶层设计接口和控制电路部分 D_IN、CS D_IN、CS
A4-A0
RESET
CS
WR
FPGA 固 件 架 构
命令缓冲器 硬缓冲DW1 硬缓冲DW2
FIFO
RD
LOAD_TRIG
函数库参数检查及指 令编码模块
1、接口处理部分
PC 驱 动 架 构
2、 PC 指令 缓冲 处理 部分
加工指令 编码数据 指令 编码 数据 缓冲 链表 指令缓冲 区管理模 块 加工指令 编码数据
状态查询处理模块
指令编码数据包缓冲区 加工指令 编码数据包
立即 指令 编码 数据
内部 指令 处理 线程 管理 模块
运动学参数 位移 速度 加速度
微积分 量化误差 ……
牛顿力学 弹性力学 工程力学 机械振动 牛顿第二定律 学 …… 动量守恒定律 动能守恒定律 ……
力学参数 刚度 阻尼 惯性
数据流与数据处理
AutoCAD CorelDraw ……
设计文件
数据提取 轨迹优化
G-code 协议 ……
速度设置 直线/圆弧 …… 速度寄存器 位移寄存器 …… 脉冲/方向 模拟电压 ……
技术手段
控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术， 对工业生产过程实现 研究范围 检测、控制、优化、调度、管理和决策， 预期目标 达到 增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全 等目的的综合性技术， 主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。
工业自动化的发展趋势
一、 以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流 二、 PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展 三、 面向测控管一体化设计的DCS系统 四、 控制系统正在向现场总线（FCS）方向发展 五、仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方 向发展 六、 数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展 七、 工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展
中国工业自动化的难关
我国装备落后的原因主要存在以下几个技术难点： 一、自动化技术应用较少； 二、缺少光机电一体化技术人才； 三、先进的传感器技术应用匮乏，难以生产先进高档装备； 四、信息技术应用较少，在新一代技术标准和开放技术面前 缺少集成能力。
工业自动化与运动控制的关系
PLC 设备自动化 工业自动化 管理自动化
状态缓冲器 R00 R0 R1 R2 R3 R4
D_IN
硬缓冲DW3 硬缓冲DW4 硬缓冲DW5 硬缓冲DW6
10、硬件微指令FIFO
11、硬缓冲寄存器
12、运动寄存器
R 启动控制电路 （ADCC） 变频分配电路 （VFDC）
CP1_IO 倍率因子分频 电路（MFFDC）
CP2_IO 预置计数器 （R0_PC）
Exlar电动缸 JVL电机
机械传动
导轨、滑台、丝杠传动等
减速器
执行电机及驱动器
步进电机其驱动器
伺服电机其驱动器
直线电机运动台
运动控制器
PLC
数控系统
脱机式运动控制器 PC-Base控制卡
集成化产品
电动缸
JVL一体化电机
三、运动控制目标参数 与数据流
运动控制目标与理论基础
控制目标参数 精度 效率 稳定性
机器人 机器视觉 嵌入PLC ……
运控与驱动集成 热设计、集成测试
MPC7410
多任务、指令集 现场总线
通用
MPC02
FPGA
MPC01
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
运动控制器产品线与技术发展示意图
工业现场总线
wenku.baidu.com
多任务与指令集 自适应控制 嵌入式ARM平台 运控与驱 动集成
运动控制
数据采集
运动控制的范畴
狭义的运动控制： 电机的控制
普通电机+变频器 步进电机+驱动器 伺服电机+驱动器 ……
广义的运动控制： 控制器 驱动 电机 传动机构
运动控制的概念
运动控制技术是一门结合了电机学、 自动控制学、 电气技术、 机电一体化技术、 计算机控制技术的综合技术。 在生产实际中，使用运动控制技术/设备，能够解决各种复杂 的定位控制问题，因此它在设备自动化领域得到了广泛的 应用。
6、DSP 缓冲处理部分
批指 令缓 冲处 理模 块
批指令 缓冲区
DSP 固 件 架 构
指令处理过程控制模块
7 、指令处理部分 8 、微指令处理部分
批 指 令 指令解析模块 批处理方式 微指令缓冲 区管理模块
立即 指令
微指令缓冲区
立即方式
微指令输出模块 微指令 寄存器读写模块 DSP 端 DSP 读写 FPGA 接口 FPGA 端
X位置计数器 （R5_PC）
CPX_IO
X轴电子齿轮电 路
Pul_flow
Y位置计数器 （R6_PC）
13、运动控制输出模块
CPY_IO
X轴电子齿轮电 路
结束语
• 运动控制技术是设备自动化的关键核心技术之一； • 运动控制技术是一门多学科的综合性技术；
• 欢迎访问：www.leetro.com
谢谢！
中国工业自动化的现状
我国每年都要进口大量的先进装备，例如： • 制造手机的许多设备是从德国进口的； • 三峡工程的一些发电设备是ＡＢＢ的； • 大型工程机械主要是日本和德国的； • 集成电路的主要生产设备是美国的； • 汽车生产线上的很多设备是日本、美国或德国的； • 高档纺织机械很多是日本和意大利的； • 机床数控系统主要来自日本和德国； ……
加工数据
坐标转换 运动规划
运动指令
速度前瞻 插补算法
微指令
脉冲序列 I/O逻辑
信号
四、运动控制器产品线和技术线分析
系统集成
可靠性 矢量S型速度 闭环算法 增益调整 从USB DSP+FPGA 硬件同步 速度前瞻 主USB、串口 指令协议 G代码 MPC05 PCI总线 底层驱动 ISA总线 专用运控芯片 运控基本逻辑 运控指令系统 MPC2810 嵌入式技术 MPC03 激光 MPC07/08 指令硬缓冲 S型速度 MPC6515 MPC6610 MPC6535 MPC6536 MPC6575 点胶 LT7310 示教机器人
USB、 RS232
指令体系与协议
闭环算法
DSP+FPGA平台 速度前瞻 PCI总线 底层驱动技术 插补算法 运控基础技术 ISA总线 总线技术 PC平台 平台与架构技术 专用运控芯片 运动控制算法 集成技术 接口保护 可靠性技术 电磁兼容 工艺集成
运动控制器技术路线示意图
运动控制器技术的层次
硬件层： CPU（单片机、DSP、FPGA等） 存储（FLASH、SRAM等） 接口技术 驱动层： 固件（单片机、DSP、FPGA等） 设备驱动（DRV） 动态连接库（DLL） 应用层： 系统集成（设备工艺）
内容提纲
• 一、工业自动化与运动控制 • 二、运动控制类型、应用和系统组成 • 三、运动控制目标参数与数据流程 • 四、运动控制器产品线和技术线分析
• 五、运动控制器的硬件架构
• 六、运动控制器的软件架构
一、工业自动化与运动控制
工业自动化的概念
工业控制自动化技术是一种运用
运动控制的系统组成
人机交互
（显示、键盘）
运动控制器
步进/伺服
电机驱动器
（如MPC系列）
外部信号 （限位、原点等）
位置反馈
运动控制的系统示例
点胶示教机器人
运动控制产品
• 机械传动 丝杆螺母、齿轮齿条（同步带）、减速机 • 执行电机及其驱动 步进电机及其驱动器 伺服电机及其驱动器 直线电机、平面电机 • 运动控制器 PLC（+运动控制模块） 数控系统：西门子、法那克 PC-base运动控制卡：MPC01~03/07/08 独立式运动控制器：MPC6xxx、Trio • 传感检测、人机交互…… 集成化产品：
状态 查询 数据
固件升级模块
PC 端数据包发送和接收模块
PC 端数据传输通讯协议模块 3、 数 据 通 讯 部 分
5、 固 件 固件升 升 级数据 级 及效验 部 数据 PC-DLL 端分 DLL 与 DRV 接口 PC-DRV 端
PCI 总线数据读写模块（驱动程序）
DSP 端数据传输通讯协议模块
状态缓冲区
DSP
FLASH
局 部 总 线
FPGA
光电隔离
限位 原点
可选
电机 控制
激光 控制
PC-base运动控制卡硬件架构示意图
PB-Base运动控制卡
六、运动控制器的软件架构
应用程序 指令 指令序列 磁盘文件 调试 调试 模块 状态查询 指令及结果
PC-APP 端 应用编程接口 API 错误 代码 处理 模块 4、 主 框 架 部 分 PC-DLL 端
PC-DRV 端 PCI 总线物理层 DSP 端
DSP 端数据包 发送和接收模块 加工指令 编码数据包
DSP 端状态缓 冲区刷新模块 立即指令 编码数据 DSP 核心处理部分 状态查询 数据
DSP 端固件升 级模块 固件升级及 效验数据
9、定时位置更新模块
加工指令 编码数据包
启动停止 暂停恢复 立即指令 立即 指令 缓冲 处理 模块 立即指令 缓冲区 状态 查询 数据 固件 升级 及效 验数 据
五、运动控制器的硬件架构
CPU
CPLD
DSP
A通道
通讯
PC机
B通道
存储
NAND Flash FLASH
RS232
人机界面
SRAM
局 部 总 线
Host USB
U盘
FPGA 限位 原点
光电隔离
I/O
电机 控制
激光 控制
脱机式运动控制器硬件架构示意图
脱机式运动控制器
PC PCI/ISA
PCI/ISA芯片
二、运动控制类型、应用和 系统组成
运动控制的类型
• 单机点位运动控制 • 轨迹运动控制（轮廓控制）
• 生产线同步运动控制
单 机 点 位 运 动 控 制
轨 迹 运 动 控 制
生 产 线 同 步 运 动 控 制
运动控制的应用行业
• 1）传统机床行业 车床、铣床、磨床、冲床、钻床等等 • 2）电子设备行业 PCB钻铣、SMT设备等等 • 3）医疗设备行业 血浆机、超声聚焦刀等等 • 4）激光加工行业 激光雕刻、激光切割等等 • 5）印刷包装行业 • 6）办公自动化行业 • ……
微指令FIFO
FPGA运动寄存器
FIFO_STATUS rFIFO_CS
D_IN(31-0) FIFO_CS
LOAD_CS
与顶层设计接口和控制电路部分 D_IN、CS D_IN、CS
A4-A0
RESET
CS
WR
FPGA 固 件 架 构
命令缓冲器 硬缓冲DW1 硬缓冲DW2
FIFO
RD
LOAD_TRIG
函数库参数检查及指 令编码模块
1、接口处理部分
PC 驱 动 架 构
2、 PC 指令 缓冲 处理 部分
加工指令 编码数据 指令 编码 数据 缓冲 链表 指令缓冲 区管理模 块 加工指令 编码数据
状态查询处理模块
指令编码数据包缓冲区 加工指令 编码数据包
立即 指令 编码 数据
内部 指令 处理 线程 管理 模块
运动学参数 位移 速度 加速度
微积分 量化误差 ……
牛顿力学 弹性力学 工程力学 机械振动 牛顿第二定律 学 …… 动量守恒定律 动能守恒定律 ……
力学参数 刚度 阻尼 惯性
数据流与数据处理
AutoCAD CorelDraw ……
设计文件
数据提取 轨迹优化
G-code 协议 ……
速度设置 直线/圆弧 …… 速度寄存器 位移寄存器 …… 脉冲/方向 模拟电压 ……
技术手段
控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术， 对工业生产过程实现 研究范围 检测、控制、优化、调度、管理和决策， 预期目标 达到 增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全 等目的的综合性技术， 主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。
工业自动化的发展趋势
一、 以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流 二、 PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展 三、 面向测控管一体化设计的DCS系统 四、 控制系统正在向现场总线（FCS）方向发展 五、仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方 向发展 六、 数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展 七、 工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展
中国工业自动化的难关
我国装备落后的原因主要存在以下几个技术难点： 一、自动化技术应用较少； 二、缺少光机电一体化技术人才； 三、先进的传感器技术应用匮乏，难以生产先进高档装备； 四、信息技术应用较少，在新一代技术标准和开放技术面前 缺少集成能力。
工业自动化与运动控制的关系
PLC 设备自动化 工业自动化 管理自动化
状态缓冲器 R00 R0 R1 R2 R3 R4
D_IN
硬缓冲DW3 硬缓冲DW4 硬缓冲DW5 硬缓冲DW6
10、硬件微指令FIFO
11、硬缓冲寄存器
12、运动寄存器
R 启动控制电路 （ADCC） 变频分配电路 （VFDC）
CP1_IO 倍率因子分频 电路（MFFDC）
CP2_IO 预置计数器 （R0_PC）
Exlar电动缸 JVL电机
机械传动
导轨、滑台、丝杠传动等
减速器
执行电机及驱动器
步进电机其驱动器
伺服电机其驱动器
直线电机运动台
运动控制器
PLC
数控系统
脱机式运动控制器 PC-Base控制卡
集成化产品
电动缸
JVL一体化电机
三、运动控制目标参数 与数据流
运动控制目标与理论基础
控制目标参数 精度 效率 稳定性
机器人 机器视觉 嵌入PLC ……
运控与驱动集成 热设计、集成测试
MPC7410
多任务、指令集 现场总线
通用
MPC02
FPGA
MPC01
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
运动控制器产品线与技术发展示意图
工业现场总线
wenku.baidu.com
多任务与指令集 自适应控制 嵌入式ARM平台 运控与驱 动集成
运动控制
数据采集
运动控制的范畴
狭义的运动控制： 电机的控制
普通电机+变频器 步进电机+驱动器 伺服电机+驱动器 ……
广义的运动控制： 控制器 驱动 电机 传动机构
运动控制的概念
运动控制技术是一门结合了电机学、 自动控制学、 电气技术、 机电一体化技术、 计算机控制技术的综合技术。 在生产实际中，使用运动控制技术/设备，能够解决各种复杂 的定位控制问题，因此它在设备自动化领域得到了广泛的 应用。
6、DSP 缓冲处理部分
批指 令缓 冲处 理模 块
批指令 缓冲区
DSP 固 件 架 构
指令处理过程控制模块
7 、指令处理部分 8 、微指令处理部分
批 指 令 指令解析模块 批处理方式 微指令缓冲 区管理模块
立即 指令
微指令缓冲区
立即方式
微指令输出模块 微指令 寄存器读写模块 DSP 端 DSP 读写 FPGA 接口 FPGA 端
X位置计数器 （R5_PC）
CPX_IO
X轴电子齿轮电 路
Pul_flow
Y位置计数器 （R6_PC）
13、运动控制输出模块
CPY_IO
X轴电子齿轮电 路
结束语
• 运动控制技术是设备自动化的关键核心技术之一； • 运动控制技术是一门多学科的综合性技术；
• 欢迎访问：www.leetro.com
谢谢！
中国工业自动化的现状
我国每年都要进口大量的先进装备，例如： • 制造手机的许多设备是从德国进口的； • 三峡工程的一些发电设备是ＡＢＢ的； • 大型工程机械主要是日本和德国的； • 集成电路的主要生产设备是美国的； • 汽车生产线上的很多设备是日本、美国或德国的； • 高档纺织机械很多是日本和意大利的； • 机床数控系统主要来自日本和德国； ……
加工数据
坐标转换 运动规划
运动指令
速度前瞻 插补算法
微指令
脉冲序列 I/O逻辑
信号
四、运动控制器产品线和技术线分析
系统集成
可靠性 矢量S型速度 闭环算法 增益调整 从USB DSP+FPGA 硬件同步 速度前瞻 主USB、串口 指令协议 G代码 MPC05 PCI总线 底层驱动 ISA总线 专用运控芯片 运控基本逻辑 运控指令系统 MPC2810 嵌入式技术 MPC03 激光 MPC07/08 指令硬缓冲 S型速度 MPC6515 MPC6610 MPC6535 MPC6536 MPC6575 点胶 LT7310 示教机器人
USB、 RS232
指令体系与协议
闭环算法
DSP+FPGA平台 速度前瞻 PCI总线 底层驱动技术 插补算法 运控基础技术 ISA总线 总线技术 PC平台 平台与架构技术 专用运控芯片 运动控制算法 集成技术 接口保护 可靠性技术 电磁兼容 工艺集成
运动控制器技术路线示意图
运动控制器技术的层次
硬件层： CPU（单片机、DSP、FPGA等） 存储（FLASH、SRAM等） 接口技术 驱动层： 固件（单片机、DSP、FPGA等） 设备驱动（DRV） 动态连接库（DLL） 应用层： 系统集成（设备工艺）