CN206020986U - 基于模数混合fpag和视觉传感技术的运动控制*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***，包括：作为核心控制器的模数混合FPGA模块，模数混合FPGA模块通过无刷电机驱动器连接NMOS管，NMOS管连接电机；用于将电机绕组的反电动势分压、滤波并送入FPGA模块的采样反馈单元；用于实时测量出运动工件的绝对位置和移动速度，以确定其移动轨迹，并发送给FPGA模块的工业视觉***。本实用新型提供的***采用嵌入式的视觉传感***及模数混合FPAG模块，结构简单，具有高集成度设计，既降低了成本，又提高了效率，且提高了控制精度和性能，同时具备网络协同工作的通路和能力。

Description

基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***

技术领域

本实用新型涉及一种基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***，用于实现高速、高精度的运动控制，属于机电***技术领域。

背景技术

典型的单轴直线***的主要构成部件有：电机(步进电机或伺服)、滚珠丝杆(或皮带、齿轮)、滑动导轨(或者直线电机和直线导轨)、运动平台、左右限位感应器、感应片和零点感应器等。单轴直线***是以上述主要部件为基础，构成的单轴基本结构。

直角坐标***是一把由多个独立的单轴直线运动机构组成平面或立体运动的机构。通过专业的运动控制器和激光测距实现高精度的定位和回零控制。为了实现高速与高精度的的驱动，控制与测量技术被采用。直接驱动技术，包括主轴电机、直线电机等驱动方式，省却了旋转运动到直线运动的转换环节，精度要高得多，但直线电机也有高成本、维护难等方面的不利点。

在控制方面，采用高增益的控制技术使得伺服驱动能够克服机械***的非线性带来的精度影响(如摩擦误差等)，但高增益的控制技术需要高性能控制芯片来支撑。导致需要更高的材料成本和设计成本。

由于不同***(电机驱动，运动控制，精准定位)都是独立的。而为了适应高速、高精度的现代应用需求，现有技术需要增加额外的硬件和软件以将不同的***整合在一起工作。由此产生了兼容性的问题。普遍导致成本提高，架构复杂，可靠性下降的状况。另外，组网、联动和协同工作等也是目前传统运动机械架构不容易解决，且需要花费较大代价才能去适应的新形势的发展。

机电***是一个广泛的课题，包括机械结构、运动模组、控制***和网络架构。在性能方面，高速、高精度是其中一个发展的方向。网络控制、设备协同工作是将来的工业4.0的目标和大势。所以设计新的驱动方法、控制与测量技术符合发展趋势。目前国际上高性能、高集成的芯片被大量应用到机电***中，以满足日益增长的新功能需求。新设计的机电产品势必要符合工业4.0的要求和趋势。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是如何在简化结构、降低成本地同时，提高机电运动控制的精度和集成度。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***，其特征在于：包括：

作为核心控制器的模数混合FPGA模块，模数混合FPGA模块通过无刷电机驱动器连接NMOS管，NMOS管连接电机；

用于将电机绕组线圈的模拟信号通过滤波送入FPGA模块的采样反馈单元；

用于实时测量出运动工件的绝对位置和移动速度，以确定其移动轨迹，并发送给FPGA模块的工业视觉***。

优选地，所述FPGA模块中内嵌有：模拟输入/输出模块，A/D转换模块，电机控制模块，PWM模块，用于实现控制所需要的算法的ARM处理及存储***，用于向ARM处理及存储***、A/D转换模块和PWM模块提供基准时钟信号PLL时钟模块。

更优选地，所述FPGA模块中的电机控制模块通过无刷电机驱动器连接NMOS管。

更优选地，所述采样反馈单元连接FPGA模块中的模拟输入模块。

更优选地，所述模拟信号包括电机绕组线圈的电流、反电动势分压、电机温度。实现对电流、电压和温度的数据采集。

优选地，所述模数混合FPGA模块通过两组无刷电机驱动器、两组NMOS管连接两组电机。

优选地，所述无刷电机驱动器为MOSFET驱动装置。

优选地，所述无刷电机驱动器通过三相全桥器件连接6个所述NMOS管。

优选地，所述工业视觉***通过以太网连接到FPGA模块。

相比现有技术，本实用新型提供的基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***具有如下有益效果：

1、降低成本：通过高集成度设计，同时控制2台同步电机，省去2个专业伺服控制器；能在一个控制***里实现对于2个运动机构的协调控制，既降低了成本，又提高了效率。

2、简化机构：采用成熟的嵌入式的视觉传感***，简化机械定位结构的设计；既能实现回零定位，又能实现现场检测校验和运动轨迹修正，提高了重复定位精度。

3、网络协同：ARM硬核平台上运行RTOS，实现网络通信和底层设备管理。使设备具备网络协同工作的通路和能力。

附图说明

图1为本实施例提供的基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实施例是根据无霍尔传感器无刷电机，反电动势检测法原理，结合最新的模数混合FPGA的内部功能特性，以及成熟的视觉传感定位技术，提出的一个具有价格优势、高集成度和扩展性的2轴高速运动精确控制方案。

图1为本实施例提供的基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***框图，所述的基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***选用Actel SmartFusionAFS600作为核心控制器，这是世界领先的模数混合FPGA(现场可编程门阵列)，具有强大的模拟输入/输出模块。在AFS600中配置内嵌的ARM-M3硬核，选择运行Uc/OS-III实时操作***，以支持用户层应用。支持网络协议、底层通讯协议、多任务实时切换相应等功能。另外，利用ARM***的IDE开发软件平台资源和FPGA的丰富的IP库，实现控制算法PARK&CLARTE变化和逆变化算法、PID算法等实现电机闭环控制所需要的算法。AFS600片内的高速12位A/D转换器分别检测三相绕组的反电动势，并且写入FPGA的存储单元。电机的预定转动方向和预期转速设置，通过网络通信输入FPGA的ARM***，并完成相关的控制算法输出，实现闭环控制。

三相PWM波形发生模块由AFS600逻辑门电路实现了PWM频率和占空比可连续调节。AFS600的PLL时钟模块用于向ARM、A/D转换器和PWM(脉冲宽度调制)模块提供基准时钟信号。无刷电机驱动器(MOSFET驱动1、2)采用A3935三相全桥器件配合6个大功率NMOS管IRF2807S实现完整的无刷电机控制方案。每项绕组的反电动势通过(采样反馈电路1、2)串联电阻分压并滤波再送入AFS600内部的A/D转换器。

ARM及存储***设计符合标准的分层结构。用户应用层同时运行多个任务：分别对用网络协议解析和通信连接任务；底层低速外设响应和管理；算法支持；运行维护***；异常处理任务；设备日志管理及文件管理***等。为了保证***稳定运行所需要的各类程序，中间层实现网络连接协议、打包/发送，建立连接等工作。根据实际需求对TCP/IP协议进行了精简和优化修改，以满足工业控制所需的实时快速响应。实时操作***的性能指标能够满足底层任务的实时响应的需求。但是对于电机控制的部分算法还是使用AFS600的逻辑矩阵来设计。

选择3组YZ-7000嵌入式工业视觉***，实现回零控制和2轴的运动定位。预先在视觉***中对视界内的空间划分多个特殊的区域和边界。由于视觉***固定在相对的空间位置上。当运动工件进入和经过视界区域的时候，就可以实时测量出绝对位置和移动速度确定移动轨迹。同时，视界内还有绝对固定的标尺和定位参考点。通过对移动工件的测量，并且给出与固定标尺和定位点的相对位置和距离的数据。将这些数据通过以太网传输到FPGA控制器，计算相对数据的误差并进行修正。可以通过标定2轴运动机构在平面运动中的位置，通过多次测量，以提高重复定位精度。

测量精度与视觉传感器的像素、分辨率、数据处理能力以及工件运动速度等互相关联。像素越高，视界区域越小，所能测量的分辨率就越高。出于成本考虑，在高速运动的***中将视觉传感应用到运动的末程。在这个末端行程期，移动速度快速下降，便于实现末端引导和测量。

本实施例提供的基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***是智能工具***最后加工段设备的闭环控制机构。它可以应用于诸如机器人打磨工具、智能拧紧工具、智能装配工具上，用于达到要求的定位与运动精度。视频检测是综合传感器的一种，代表外接感知与智能工具动作的有机结合。无论受人操作的智能工具，还是自动化工具，都需要有确保准确与安全的闭环***。本设计用于智能工具的加工定位，辅助机器人自身的动作控制，可以达到0.1mm的精准度。

本实施例提供的基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***具有如下特点：

(1)通过模数混合FPGA的高集成度，来降低电机运动控制的成本。一颗FPGA可以实现2路直流电机的控制，既能省去2个专业伺服控制器，又能在一个控制***里实现对于2个运动机构的协调控制；降低的成本，提高了效率。能够以十分之一的制造成本实现同样的运动功能，并且达到或超过原有机电设计的技术指标。

(2)采用视觉传感***，简化机械定位结构的设计。既能实现回零定位，又能实现现场检测校验，实时运动轨迹修正，并且提高重复定位精度。机械传动和机电控制在长时间的运行后会因为多种原因导致误差的产生和误差的积累，最终误差合成超出门限而引起***运行故障。传统技术和工艺设计采用更高等级的运动模组和运动控制来满足需求。这势必导致价格，成本的急剧上升，加工和生产工艺的复杂化。如果能在原有架构平台上，通过采用实时检验和校准***，能够及时检查和发现误差的产生和发展趋势。通过修正来维持正常运行，就能节约大量的硬件成本和降低工艺要求，有利市场的拓展。另外，当发现超出修正范围的预期出现还能及时报警和安全联动。及时发现，及时解决，减少故障导致的生产损失。

(3)混合FPGA是一颗cSoCs***级芯片。FPGA内部有内嵌硬核ARM Cortex-M3核，也有基于IP的8位MCU软核。可配置的各类通信接口：SPI、I2C、UART以及EMAC。一颗FPGA能实现对底层各种控制***的数据采集，通信和协同控制，同时还可以利用ETHNENT网络实现***级的互联和***协同工作。ARM***上可以运行数种不同特点的RTOS。利用实时操作***的多进程和多任务机制，能够同时实现与多个低速外部通信设备的互联通信控制，且任务可以根据需要进行加载和释放。还能实现数学运算和提供上层应用。RTOS极大方便了应用软件设计，对设计重用有很大的帮助。在不增加制造成本的情况下，轻松实现网络通信、控制协议、上层应用等。同时操作提供还提供大量经过验证的SDK库，方便用户实现对新设备的驱动，协议通信和管理。还能结合FPGA强大的天赋并行数据搬移和运算能力，提供各类优化的MATH库，以便用户实现特定领域的算法计算需求。

Claims (9)

1.一种基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***，其特征在于：包括：

作为核心控制器的模数混合FPGA模块，模数混合FPGA模块通过无刷电机驱动器连接NMOS管，NMOS管连接电机；

用于将电机绕组的模拟信号滤波并送入FPGA模块的采样反馈单元；

用于实时测量出运动工件的绝对位置和移动速度，以确定其移动轨迹，并发送给FPGA模块的工业视觉***。

2.如权利要求1所述的一种基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***，其特征在于：所述FPGA模块中内嵌有：模拟输入/输出模块，A/D转换模块，电机控制模块，PWM模块，用于实现控制所需要的算法的ARM处理及存储***，用于向ARM处理及存储***、A/D转换模块和PWM模块提供基准时钟信号PLL时钟模块。

3.如权利要求2所述的一种基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***，其特征在于：所述FPGA模块中的电机控制模块通过无刷电机驱动器连接NMOS管。

4.如权利要求2所述的一种基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***，其特征在于：所述采样反馈单元连接FPGA模块中的模拟输入模块。

5.如权利要求1所述的一种基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***，其特征在于：所述模拟信号包括电机绕组线圈的电流、反电动势分压、电机温度。

6.如权利要求1或2所述的一种基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***，其特征在于：所述模数混合FPGA模块通过两组无刷电机驱动器、两组NMOS管连接两组电机。

7.如权利要求1所述的一种基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***，其特征在于：所述无刷电机驱动器为MOSFET驱动装置。

8.如权利要求或7所述的一种基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***，其特征在于：所述无刷电机驱动器通过三相全桥器件连接6个所述NMOS管。

9.如权利要求1所述的一种基于模数混合FPAG和视觉传感技术的运动控制***，其特征在于：所述工业视觉***通过以太网连接到FPGA模块。