CN206710827U - 一种模块化的运动控制器 - Google Patents

Abstract

一种模块化的运动控制器。它主要是解决现有运动控制器可扩展能力差等技术问题。其技术方案要点是运动控制器包括外部通信模块、主控模块、内部总线模块、轴控模块、输入模块和输出模块，所述主控模块一端连接外部通信模块，另一端连接内部总线模块，所述内部总线模块分别连接轴控模块、输入模块和输出模块，所述的主控模块计算出的控制数据，通过内部总线模块，分发给相应的轴控模块和输出模块，所述的主控模块、轴控模块、输入模块和输出模块，通过内部总线模块组成星型局域网，实现内部数据的通信。本实用新型有使用便捷、工作稳定和可扩展能力强等优点。

Description

一种模块化的运动控制器

技术领域

本实用新型属于工业运动控制领域，特别涉及一种模块化的运动控制器。

背景技术

运动控制就是运动控制器根据预先设定的控制方案，通过规划出的指令，转化成为期望的机械运动。其表现形式一般为对电机进行运动控制，使运动部分按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。

目前运动控制器已经广泛用于自动化生产、测试和物流等工业设备上，是整个自动化装备控制系统的核心器件。

现有的国内技术中，运动控制器的主流方案一般分为两种。第一种方案主要是由中低端单片机MCU和运动控制专用芯片ASIC为核心构成，该方案的功能实现主要依赖运动控制专用芯片ASIC。第二种方案主要是采用高端单片机MCU（如32位ARM处理器）、高性能数字信号处理器DSP或现场可编程门阵列FPGA为运动控制核心处理器。上述控制器方案都是依赖于单一的核心处理器，没有采用模块化设计，可扩展能力较差，控制电机的轴数和控制IO点位的数量固定，不能进行扩展。

发明内容

为了克服现有运动控制器可扩展能力差的问题，本实用新型提供了一种模块化设计的运动控制器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：模块化的运动控制器根据上位机预先设定的控制方案，通过规划出的指令，输出到外围电路对电机进行运动控制，转化成为期望的机械运动，模块化的运动控制器包括外部通信模块、主控模块、内部总线模块、轴控模块、输入模块和输出模块，所述主控模块一端连接外部通信模块，另一端连接内部总线模块，所述内部总线模块分别连接轴控模块、输入模块和输出模块，所述的主控模块计算出的控制数据，通过内部总线模块，分发给相应的轴控模块和输出模块，所述的主控模块、轴控模块、输入模块和输出模块，通过内部总线模块组成星型局域网，实现内部数据的通信。

本实用新型的外部通信模块，与外部上位机进行数据通信，接收上位机的控制指令，转换上位机的信号，传输给主控模块，并向上位机反馈主控模块的实时状态。

本实用新型的主控模块，根据外部通信模块的信号，规划并计算出相应电机的插补运动控制数据和输出点位控制数。

本实用新型的内部总线模块，接收到主控模块的数据，分析处理传输给轴控模块、输入模块和输出模块。

本实用新型的轴控模块，根据接收到的插补运动控制数据，产生能够控制电机的信号。

本实用新型的输入模块接收输入接口板的高低电平信号，经过输入模块处理后，形成实时输入状态数据。

本实用新型的输出模块根据接收到的输出点位控制数据，产生相应的高低电平，直接控制输出接口板的输出，将实时的输出点位状态，通过内部总线模块，反馈到主控模块。

本实用新型的外部通信模块包括CAN通信芯片、以太网芯片和RS485串口芯片，三种芯片分别与主控模块的CAN通信接口、以太网接口和USART接口相连，用开关的方式选择与上位机通信方式，同一时刻只能采用一种通信方式进行通信，实现多种功能的信号传输。

本实用新型的主控模块包括主控MCU、SRAM芯片、CAN通信接口1、CAN通信接口2、以太网接口和USART异步串口通信接口，所述CAN通信接口1、以太网接口和USART异步串口通信接口分别与外部通信模块的CAN通信芯片1、以太网芯片和RS485串口芯片相连，所述CAN通信接口2与内部总线模块的CAN通信芯片相连，所述主控MCU与SRAM芯片连接。

本实用新型的内部总线模块由三个以上的CAN通信芯片组成基于CAN通信协议的总线式通信网。

本实用新型的轴控模块包括轴控MCU、CAN通信接口、电机驱动控制信号接口、电机驱动状态信号接口和编码器信号接口，所述CAN通信接口与内部总线模块的CAN通信芯片相连，所述电机驱动控制信号接口、电机驱动状态信号接口和编码器信号接口分别与电机控制外围电路、驱动状态外围电路和编码器外围电路相连。

本实用新型的输入模块包括输入MCU、CAN通信接口和输入信号接口，所述CAN通信接口与内部总线模块的CAN通信芯片，所述输入信号接口连接输入外围电路。

本实用新型的输出模块包括输出MCU、CAN通信接口和输出信号接口，所述CAN通信接口与内部总线模块的CAN通信芯片，所述输出信号接口连接输出外围电路。

本实用新型的轴控模块与电机驱动相连接，轴控模块根据接收到的插补运动控制数据，产生能够控制电机的信号，控制电机运动，所述信号包括方向/脉冲信号、模拟量信号和总线式信号。

本实用新型的轴控模块接收电机驱动传回的状态信号和电机传回的编码器信号，经过轴控模块处理后，形成实时电机数据，通过内部总线模块，反馈到主控模块，所述编码器信号包括增量式编码器和绝对值编码器传回的编码器信号。

本实用新型的主控模块计算出的控制数据，通过内部总线模块，分发给相应的轴控模块和输出模块。

本实用新型的轴控模块与电机驱动相连接，通过控制电机信号，控制电机运动。

本实用新型的输出模块根据接收到的输出点位控制数据，产生相应的高低电平，直接控制输出接口板的输出。

本实用新型的输入模块接收输入接口板的高低电平信号，经过输入模块处理后，形成实时输入状态数据，通过内部总线模块，反馈到主控模块。

本实用新型的主控模块使用中高端MCU为核心部件。

本实用新型的轴控模块、输入模块和输出模块使用中低端MCU为核心部件。

模块化的运动控制器的有益效果：通过将运动控制器功能进行模块化划分后，分成主控模块、轴控模块、输出模块和输入模块；主控模块根据上位机指令，计算出总体的控制数据，通过内部总线分发给相应的轴控模块、输出模块和输入模块；轴控模块、输出模块和输入模块则根据主控模块分配的任务，各自执行指定的任务，并将实时状态通过内部总线反馈给主控模块；各个子模块的任务由主控模块直接分配，子模块的实时状态也直接反馈给主控模块，子模块之间的功能是相互隔离，因此，本实用新型的运动控制器实现了模块化设计，在工业应用中，可以根据现场实际情况，准确调配各个子模块的数量；如工业缝纫领域，一般需要3个电机轴、16路输出和32路输入，采用本实用新型的运动控制器可以在内部总线上挂载3个轴控模块（1个轴控模块控制1个电机）、1个输出模块（1个输出模块有16路输出）和2个输入模块（1个输入模块有16路输入）。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的输出模块结构示意图；

图3是本实用新型的输入模块结构示意图；

图4是本实用新型的主控模块结构示意图；

图5是本实用新型的轴控模块结构示意图；

图6是本实用新型的内部总线模块内芯片连接示意图；

图7是本实用新型的外部通信模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。

实施例1，本实用新型模块化的运动控制器根据上位机预先设定的控制方案，通过规划出的指令，输出到外围电路对电机进行运动控制，转化成为期望的机械运动，模块化的运动控制器包括外部通信模块、主控模块、内部总线模块、轴控模块、输入模块和输出模块，所述主控模块一端连接外部通信模块，另一端连接内部总线模块，所述内部总线模块分别连接轴控模块、输入模块和输出模块，所述的主控模块计算出的控制数据，通过内部总线模块，分发给相应的轴控模块和输出模块，所述的主控模块、轴控模块、输入模块和输出模块，通过内部总线模块组成星型局域网，实现内部数据的通信。参阅图1至图7。

实施例2，本实用新型的外部通信模块，与外部上位机进行数据通信，接收上位机的控制指令，转换上位机的信号，传输给主控模块，并向上位机反馈主控模块的实时状态。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例3，本实用新型的主控模块，根据外部通信模块的信号，规划并计算出相应电机的插补运动控制数据和输出点位控制数。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例4，本实用新型的内部总线模块，接收到主控模块的数据，分析处理传输给轴控模块、输入模块和输出模块。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例5，本实用新型的轴控模块，根据接收到的插补运动控制数据，产生能够控制电机的信号。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例6，本实用新型的输入模块接收输入接口板的高低电平信号，经过输入模块处理后，形成实时输入状态数据。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例7，本实用新型的输出模块根据接收到的输出点位控制数据，产生相应的高低电平，直接控制输出接口板的输出，将实时的输出点位状态，通过内部总线模块，反馈到主控模块。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例8，本实用新型的外部通信模块包括CAN通信芯片、以太网芯片和RS485串口芯片，三种芯片分别与主控模块的CAN通信接口、以太网接口和USART接口相连，用开关的方式选择与上位机通信方式，同一时刻只能采用一种通信方式进行通信，实现多种功能的信号传输。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例9，本实用新型的主控模块包括主控MCU、SRAM芯片、CAN通信接口1、CAN通信接口2、以太网接口和USART异步串口通信接口，所述CAN通信接口1、以太网接口和USART异步串口通信接口分别与外部通信模块的CAN通信芯片1、以太网芯片和RS485串口芯片相连，所述CAN通信接口2与内部总线模块的CAN通信芯片相连，所述主控MCU与SRAM芯片连接。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例10，本实用新型的内部总线模块由三个以上的CAN通信芯片组成基于CAN通信协议的总线式通信网。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例11，本实用新型的轴控模块包括轴控MCU、CAN通信接口、电机驱动控制信号接口、电机驱动状态信号接口和编码器信号接口，所述CAN通信接口与内部总线模块的CAN通信芯片相连，所述电机驱动控制信号接口、电机驱动状态信号接口和编码器信号接口分别与电机控制外围电路、驱动状态外围电路和编码器外围电路相连。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例12，本实用新型的输入模块包括输入MCU、CAN通信接口和输入信号接口，所述CAN通信接口与内部总线模块的CAN通信芯片，所述输入信号接口连接输入外围电路。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例13，本实用新型的输出模块包括输出MCU、CAN通信接口和输出信号接口，所述CAN通信接口与内部总线模块的CAN通信芯片，所述输出信号接口连接输出外围电路。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例14，本实用新型的轴控模块与电机驱动相连接，轴控模块根据接收到的插补运动控制数据，产生能够控制电机的信号，控制电机运动，所述信号包括方向/脉冲信号、模拟量信号和总线式信号。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例15，本实用新型的轴控模块接收电机驱动传回的状态信号和电机传回的编码器信号，经过轴控模块处理后，形成实时电机数据，通过内部总线模块，反馈到主控模块，所述编码器信号包括增量式编码器和绝对值编码器传回的编码器信号。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例16，本实用新型的主控模块计算出的控制数据，通过内部总线模块，分发给相应的轴控模块和输出模块。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例17，本实用新型的轴控模块与电机驱动相连接，通过控制电机信号，控制电机运动。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例18，本实用新型的输出模块根据接收到的输出点位控制数据，产生相应的高低电平，直接控制输出接口板的输出。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例19，本实用新型的输入模块接收输入接口板的高低电平信号，经过输入模块处理后，形成实时输入状态数据，通过内部总线模块，反馈到主控模块。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例20，本实用新型的主控模块使用中高端MCU为核心部件。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例21，本实用新型的轴控模块、输入模块和输出模块使用中低端MCU为核心部件。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例22，本实用新型的主控模块，通过外部通信模块与外部上位机进行数据通信，用于接收上位机的控制指令，并向上位机反馈运动控制器的实时状态，主控模块根据上位机的控制指令，规划并计算出相应电机的插补运动控制数据和输出点位控制数据，主控模块计算出的控制数据，通过内部总线模块，分发给相应的轴控模块和输出模块。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例23，本实用新型的轴控模块根据接收到的插补运动控制数据，产生能够控制电机的信号（方向/脉冲信号、模拟量信号和总线式信号），轴控模块与电机驱动相连接，通过控制电机信号，控制电机运动，轴控模块接收电机驱动传回的状态信号和电机传回的编码器信号（增量式编码器和绝对值编码器），经过轴控模块处理后，形成实时电机数据，通过内部总线模块，反馈到主控模块。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例24，本实用新型的输出模块根据接收到的输出点位控制数据，产生相应的高低电平，直接控制输出接口板的输出，输出模块将实时的输出点位状态，通过内部总线模块，反馈到主控模块。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例25，本实用新型的输入模块接收输入接口板的高低电平信号，经过输入模块处理后，形成实时输入状态数据，通过内部总线模块，反馈到主控模块。参阅图1至图7，其余同本实用新型的另外任意1个实施例或2个以上实施例的组合。

实施例26，本实用新型的模块化运动控制器中的主控模块，结构如图2所示，包括主控MCU芯片、SRAM芯片、2路CAN通信接口、1路以太网接口和1路USART（异步串口通信）接口。

需要说明的是，主控MCU的型号优选为LPC43XX系列芯片，SRAM芯片的信号优选为K4S56XXX系列芯片。

主控模块中的CAN通信接口1、以太网接口和USART接口用于与上位机通信，物理上分别与CAN通信芯片1、以太网芯片和RS485串口芯片连接。

主控模块中的CAN通信接口2接口用于与轴控模块、输出模块和输入模块通信，物理上与CAN通信芯片2连接，挂载在内部总线模块上。

本实用新型的模块化运动控制器中的轴控模块，结构如图3所示，包括轴控MCU芯片、1路CAN通信接口、电机驱动控制信号接口、电机驱动状态信号接口和编码器信号接口。

需要说明的是，轴控MCU的型号优选为LPC17XX系列芯片。

轴控模块中的CAN通信接口用于与主控模块通信，物理上与CAN通信芯片连接，挂载在内部总线模块上。

轴控模块中的电机驱动控制信号接口用来控制电机驱动，物理上与电机控制外围电路相连，电机控制外围电路主要起电压转换、单端/差分信号转换、电气隔离和保护的作用。

轴控模块中的电机驱动状态信号接口用来接收电机驱动反馈回来的实时状态信号（主要包括零位信号、限位信号和报警信号等），物理上与驱动状态外围电路相连，驱动状态外围电路主要起电压转换、单端/差分信号转换、电气隔离和保护的作用。

轴控模块中的编码器信号接口用来接收电机反馈回来的电机实时位置，物理上与编码器外围电路相连，编码器外围电路主要起电压转换、单端/差分信号转换、电气隔离和保护的作用。

本实用新型的模块化运动控制器中的输出模块，结构如图4所示，包括输出MCU芯片、1路CAN通信接口和输出信号接口。

需要说明的是，输出MCU的型号优选为LPC17XX系列芯片。

输出模块中的CAN通信接口用于与主控模块通信，物理上与CAN通信芯片连接，挂载在内部总线模块上。

输出模块中的输出信号接口用来产生高低电平用来控制输出接口板继电器的通断，物理上与输出外围电路相连，输出外围电路主要起电压转换、电气隔离和保护的作用。

本实用新型的模块化运动控制器中的输入模块，结构如图5所示，包括输入MCU芯片、1路CAN通信接口和输入信号接口。

需要说明的是，输入MCU的型号优选为LPC17XX系列芯片。

输入模块中的CAN通信接口用于与主控模块通信，物理上与CAN通信芯片连接，挂载在内部总线模块上。

输入模块中的输入信号接口用来接收输入接口板传递过来的输入信号，物理上与输入外围电路相连，输入外围电路主要起电压转换、电气隔离和保护的作用。

本实用新型的模块化运动控制器的内部总线模块，结构如图6所示，由CAN通信芯片组成基于CAN通信协议的总线式通信网。

需要说明的是，CAN通信芯片的型号优选为TJA1050。

内部总线模块挂载CAN通信芯片的数量，受CAN通信协议限制，不能超过256个，因此子模块（包括轴控、输出和输入模块）的总数量不能超过255个。

本实用新型的模块化运动控制器的外部通信模块，结构如图6所示，包括CAN通信芯片、以太网芯片和RS485串口芯片。

需要说明的是，CAN通信芯片的型号优选为CTM1051A，以太网芯片的型号优选为DP83848，RS485串口芯片的型号优选为RSM3485。

外部通信模块提供CAN、以太网和485串口三种通信方式，但是与上位机通信时只能采用其中一种方式。

Claims (9)

1.一种模块化的运动控制器，其特征是：模块化的运动控制器根据上位机预先设定的控制方案，通过规划出的指令，输出到外围电路对电机进行运动控制，转化成为期望的机械运动，模块化的运动控制器包括外部通信模块、主控模块、内部总线模块、轴控模块、输入模块和输出模块，所述主控模块一端连接外部通信模块，另一端连接内部总线模块，所述内部总线模块分别连接轴控模块、输入模块和输出模块，所述的主控模块计算出的控制数据，通过内部总线模块，分发给相应的轴控模块和输出模块，所述的主控模块、轴控模块、输入模块和输出模块，通过内部总线模块组成星型局域网，实现内部数据的通信；

所述的外部通信模块，与外部上位机进行数据通信，接收上位机的控制指令，转换上位机的信号，传输给主控模块，并向上位机反馈主控模块的实时状态；

所述的主控模块，根据外部通信模块的信号，规划并计算出相应电机的插补运动控制数据和输出点位控制数据；

所述的内部总线模块，接收到主控模块的数据，分析处理传输给轴控模块、输入模块和输出模块；

所述的轴控模块，根据接收到的插补运动控制数据，产生能够控制电机的信号；

所述的输入模块接收输入接口板的高低电平信号，经过输入模块处理后，形成实时输入状态数据；

所述的输出模块根据接收到的输出点位控制数据，产生相应的高低电平，直接控制输出接口板的输出，同时将实时的输出点位状态，通过内部总线模块，反馈到主控模块。

2.根据权利要求1所述的模块化的运动控制器，其特征是：所述外部通信模块包括CAN通信芯片、以太网芯片和RS485串口芯片，三种芯片分别与主控模块的CAN通信接口、以太网接口和USART接口相连，用开关的方式选择与上位机通信方式，实现多种功能的信号传输。

3.根据权利要求1所述的模块化的运动控制器，其特征是：所述主控模块包括主控MCU、SRAM芯片、CAN通信接口1、CAN通信接口2、以太网接口和USART异步串口通信接口，所述CAN通信接口1、以太网接口和USART异步串口通信接口分别与外部通信模块的CAN通信芯片1、以太网芯片和RS485串口芯片相连，所述CAN通信接口2与内部总线模块的CAN通信芯片相连，所述主控MCU与SRAM芯片连接。

4.根据权利要求1所述的模块化的运动控制器，其特征是：所述内部总线模块由三个以上的CAN通信芯片组成基于CAN通信协议的总线式通信网。

5.根据权利要求1所述的模块化的运动控制器，其特征是：所述轴控模块包括轴控MCU、CAN通信接口、电机驱动控制信号接口、电机驱动状态信号接口和编码器信号接口，所述CAN通信接口与内部总线模块的CAN通信芯片相连，所述电机驱动控制信号接口、电机驱动状态信号接口和编码器信号接口分别与电机控制外围电路、驱动状态外围电路和编码器外围电路相连。

6.根据权利要求1所述的模块化的运动控制器，其特征是：所述输入模块包括输入MCU、CAN通信接口和输入信号接口，所述CAN通信接口与内部总线模块的CAN通信芯片，所述输入信号接口连接输入外围电路。

7.根据权利要求1所述的模块化的运动控制器，其特征是：所述输出模块包括输出MCU、CAN通信接口和输出信号接口，所述CAN通信接口与内部总线模块的CAN通信芯片，所述输出信号接口连接输出外围电路。

8.根据权利要求1所述的模块化的运动控制器，其特征是：所述的轴控模块与电机驱动相连接，轴控模块根据接收到的插补运动控制数据，产生能够控制电机的信号，控制电机运动，所述信号包括方向/脉冲信号、模拟量信号和总线式信号。

9.根据权利要求1所述的模块化的运动控制器，其特征是：所述的轴控模块接收电机驱动传回的状态信号和电机传回的编码器信号，经过轴控模块处理后，形成实时电机数据，通过内部总线模块，反馈到主控模块，所述编码器信号包括增量式编码器和绝对值编码器传回的编码器信号。