基于pci+dsp+fpga的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)，包括嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、I/O接口板、人機(jī)通訊設(shè)備和數(shù)控管理模塊，其中嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成伺服閉環(huán)系統(tǒng)，并與運(yùn)動(dòng)控制卡通過PCI總線相連接，運(yùn)動(dòng)控制卡包括DSP、FPGA和PCI接口，DSP、FPGA、PCI接口與嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)依次相連接。數(shù)控管理模塊在Windows系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制卡、I/O接口板的PCI總線驅(qū)動(dòng)、I/O接口板的監(jiān)控和診斷，以及數(shù)控系統(tǒng)的圖形用戶界面、文件管理系統(tǒng)和人機(jī)交互。其優(yōu)點(diǎn)在于：系統(tǒng)穩(wěn)定性好，運(yùn)算能力強(qiáng)，處理速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各組成部分相對(duì)獨(dú)立，與現(xiàn)行的控制系統(tǒng)相比，不僅性能提高、成本降低，而且裝配、使用、升級(jí)極為簡(jiǎn)單。
【專利說明】基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及控制系統(tǒng)，具體地說，是一種基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)行數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)主要分成兩大類，第一類控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，它沒有運(yùn)動(dòng)控制卡，由計(jì)算機(jī)直接和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、繼電器驅(qū)動(dòng)板和切割機(jī)限位開關(guān)連接，完成所有的電機(jī)控制任務(wù)和輸入輸出口的讀寫任務(wù)，這樣結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)由軟件實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算。第二類控制系統(tǒng)采用運(yùn)動(dòng)控制專用芯片對(duì)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。它采用計(jì)算機(jī)加運(yùn)動(dòng)控制專用芯片組成控制系統(tǒng)。該芯片中已經(jīng)做好了運(yùn)動(dòng)控制算法，而且還給外界提供了一些應(yīng)用接口。它們都屬于封閉式結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，各地?cái)?shù)控廠商都設(shè)計(jì)了自己的專用硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。這種封閉式的結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成本極高，開發(fā)周期很長(zhǎng)，升級(jí)困難，可靠性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性和易用性極差，二次開發(fā)困難。
[0003]經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，林金南在“數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)一一開放式數(shù)控系統(tǒng)”(《機(jī)床與液壓》2003.N0.6) —文中描述了現(xiàn)有數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)存在的不足可以理解為:①軟件為數(shù)控制造商所占有，機(jī)床制造商難以體現(xiàn)其獨(dú)立性；②需要開發(fā)專用的硬件來追隨硬件的進(jìn)步，一般相對(duì)滯后；③功能單一化，只適用于機(jī)床行業(yè)；④第一類控制系統(tǒng)使用軟件插補(bǔ)極耗系統(tǒng)資源，在切割過程中沒有可視化界面，切割軟件的功能也不夠豐富，實(shí)時(shí)響應(yīng)性差，而且速度和精度都達(dá)不到現(xiàn)在切割機(jī)的工藝要求；⑤第二類控制系統(tǒng)通常采用Windows操作系統(tǒng)，由于其自身的不穩(wěn)定性，會(huì)造成整個(gè)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。而且Windows屬于商業(yè)軟件，由于版權(quán)問題無疑會(huì)提高數(shù)控系統(tǒng)的成本。⑥第二類系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)采用專用芯片來完成實(shí)時(shí)采樣插補(bǔ)，但是采用專用芯片的系統(tǒng)散熱差、系統(tǒng)的算法固定、不易維護(hù)、無法進(jìn)行算法的升級(jí)與更新，價(jià)格也比較昂貴。在科技飛速發(fā)展的今天，新技術(shù)與新標(biāo)準(zhǔn)不斷涌，技術(shù)的更新周期大大加快，采用專用芯片的系統(tǒng)其生命周期必會(huì)縮短，給用戶帶來極大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和損失。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性好、精度高、操作簡(jiǎn)易、方便升級(jí)、性價(jià)比高的基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)，包括被控切割機(jī)系統(tǒng)的繼電器、限位開關(guān)和交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置，還包括嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、I/o接口板、人機(jī)通訊設(shè)備和數(shù)控管理模塊，其中:
[0006]所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成伺服閉環(huán)系統(tǒng)，并與所述運(yùn)動(dòng)控制卡通過PCI總線相連接，所述運(yùn)動(dòng)控制卡包括DSP、FPGA和PCI接口，所述DSP、FPGA、PCI接口與所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)依次相連接，所述運(yùn)動(dòng)控制卡安插在所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部的PCI槽上；
[0007]所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與所述I/O接口板通過PCI總線相連接，所述I/O接口板讀入限位開關(guān)信號(hào)，輸出燃?xì)恻c(diǎn)火、預(yù)熱處理、割炬升降、鋼板穿孔、弧壓開關(guān)的繼電器開關(guān)量信號(hào)，所述I/o接口板安插在所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部的PCI槽上；
[0008]所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與所述人機(jī)通訊設(shè)備通過顯示器IXD/VGA接口、閃存盤USB接口、PS/2鍵盤接口和軟盤驅(qū)動(dòng)器相連接，所述顯示器IXD/VGA接口、閃存盤USB接口、PS/2鍵盤接口和軟盤驅(qū)動(dòng)器在所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的主板上；
[0009]所述數(shù)控管理模塊安裝在嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，在Windows系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)所述運(yùn)動(dòng)控制卡、I/O接口板的PCI總線驅(qū)動(dòng)、I/O接口板的監(jiān)控和診斷，以及數(shù)控系統(tǒng)的圖形用戶界面、文件管理系統(tǒng)和人機(jī)交互；
[0010]所述I/O接口板通過PCI總線從所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接受控制命令，然后將這些命令通過FPGA傳送給所述DSP執(zhí)行,所述DSP作為運(yùn)動(dòng)控制單元完成對(duì)所述交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置包括直線和圓弧線段的插補(bǔ)、多軸同步運(yùn)動(dòng)、速度控制、線段預(yù)處理的輸出控制，同時(shí)所述DSP通過FPGA將切割過程中的數(shù)據(jù)信息由所述I/O接口板反饋到所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)據(jù)雙向傳輸。
[0011]本發(fā)明基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用型號(hào)為RPC-206的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，所述DSP采用工作頻率為10MHz的高速浮點(diǎn)型微處理芯片，F(xiàn)PGA為2萬門的可編程邏輯器件，PCI接口芯片采用型號(hào)為PCI9052的芯片。
[0012]本發(fā)明基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述I/O接口板采用32路輸入輸出控制卡，包括16路輸入信號(hào)端口和16路輸出信號(hào)端口。
[0013]本發(fā)明基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于:由于采用的嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)PCI總線驅(qū)動(dòng)，PCI總線傳輸速度快，穩(wěn)定性較好。運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)置了 DSP、FPGA和PCI接口，DSP指令執(zhí)行速度快，其發(fā)出的脈沖最大頻率可以達(dá)到250KHz，確保切割機(jī)最高運(yùn)行速度可達(dá)15000mmpm，控制精度能夠達(dá)到8000個(gè)(脈沖)/mm，實(shí)現(xiàn)高效、高精度的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)時(shí)性強(qiáng)且便于升級(jí)。FPGA不僅可以實(shí)現(xiàn)基本的雙口 RAM(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)功能，并且是可編程的，大大增加了運(yùn)動(dòng)控制卡功能控制的靈活性。數(shù)控管理模塊在Windows系統(tǒng)上運(yùn)行，其可靠性、穩(wěn)定性方面非常適合于惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，且功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)便，界面友好，很好地滿足了切割工藝的特殊要求。
[0014]總之，嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、基于PCI+DSP+FPGA技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制卡、I/O接口板、人機(jī)通訊設(shè)備、基于Windows平臺(tái)的數(shù)控管理模塊的優(yōu)化組合，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好且不易受工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾源干擾；運(yùn)算能力強(qiáng)，處理速度快；具有豐富的接口并能通過串口與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊；并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各組成部分相對(duì)獨(dú)立，與現(xiàn)行的控制系統(tǒng)相比，不僅性能提高、成本降低，而且裝配、使用、升級(jí)極為簡(jiǎn)單。
[0015]下面將結(jié)合實(shí)施例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0017]圖2是運(yùn)動(dòng)控制卡的結(jié)構(gòu)框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1所示，本發(fā)明基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)，包括被控切割機(jī)系統(tǒng)的繼電器、限位開關(guān)和交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置，以及嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、I/o接口板、人機(jī)通訊設(shè)備和數(shù)控管理模塊。其中:
[0019](I)嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用一臺(tái)工業(yè)專用計(jì)算機(jī)，選用華北工控型號(hào)RPC-2066-PCI槽工業(yè)專用計(jì)算機(jī)，帶顯示器IXD/VGA接口、閃存盤USB接口、PS/2鍵盤接口和軟盤驅(qū)動(dòng)器，也可以采用帶以上接口的其它型號(hào)嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。
[0020](2)如圖2所示，運(yùn)動(dòng)控制卡包括DSP、FPGA和PCI接口，DSP、FPGA、PCI接口與嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)依次相連接，運(yùn)動(dòng)控制卡安插在嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部的PCI槽上。DSP采用工作頻率為10MHz的高速浮點(diǎn)型微處理芯片，F(xiàn)PGA為2萬門的可編程邏輯器件，PCI接口芯片采用型號(hào)為PCI9052的芯片。
[0021](3)人機(jī)通訊設(shè)備由IXD/VGA顯示器、工業(yè)鍵盤、U盤、軟盤等組成，通過顯示器IXD/VGA接口、閃存盤USB接口、PS/2鍵盤接口和軟盤驅(qū)動(dòng)器等接口與嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊。顯示器IXD/VGA接口、閃存盤USB接口、PS/2鍵盤接口和軟盤驅(qū)動(dòng)器在嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的主板上。
[0022](4) I/O接口板為32路輸入輸出控制卡，包括16路輸入信號(hào)端口與16路輸出信號(hào)端口。I/o接口板讀入限位開關(guān)信號(hào)，輸出燃?xì)恻c(diǎn)火、預(yù)熱處理、割炬升降、鋼板穿孔、弧壓開關(guān)的繼電器開關(guān)量信號(hào)，I/o接口板安插在嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部的PCI槽上。
[0023](5)數(shù)控管理模塊安裝在嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，在Windows系統(tǒng)平臺(tái)上工作。
[0024]在本發(fā)明基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)中，嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成伺服閉環(huán)系統(tǒng)，并與運(yùn)動(dòng)控制卡、I/o接口板通過PCI總線相連接，與人機(jī)通訊設(shè)備通過顯示器IXD/VGA接口、閃存盤USB接口、PS/2鍵盤接口和軟盤驅(qū)動(dòng)器相連接。
[0025]數(shù)控管理模塊安裝在嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，在Windows系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制卡，I/o接口板的PCI總線驅(qū)動(dòng)，I/O接口的監(jiān)控和診斷，以及數(shù)控系統(tǒng)的圖形用戶界面，文件管理系統(tǒng)和人機(jī)交互。
[0026]I/O接口板通過PCI總線從嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接受控制命令，然后將這些命令通過FPGA傳送給DSP執(zhí)行，DSP作為運(yùn)動(dòng)控制單元完成對(duì)交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置包括直線和圓弧線段的插補(bǔ)、多軸同步運(yùn)動(dòng)、速度控制、線段預(yù)處理的輸出控制，同時(shí)DSP通過FPGA將切割過程中的數(shù)據(jù)信息由I/O接口板反饋到嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)據(jù)雙向傳輸，達(dá)到交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)反饋的目的。
[0027]發(fā)明基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)在工作時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制卡通過PCI接口接收嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令，DSP內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的預(yù)處理任務(wù)，然后通過插補(bǔ)運(yùn)算，發(fā)出脈沖信號(hào)控制切割機(jī)按指定軌跡和速度運(yùn)行。同時(shí)，DSP通過PCI接口實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)給嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。
[0028]上面所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思和范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)方案前提下，本領(lǐng)域中普通工程技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變型和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)內(nèi)容，已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)，包括被控切割機(jī)系統(tǒng)的繼電器、限位開關(guān)和交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，還包括嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、I/O接口板、人機(jī)通訊設(shè)備和數(shù)控管理模塊，其中: 所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成伺服閉環(huán)系統(tǒng)，并與所述運(yùn)動(dòng)控制卡通過PCI總線相連接，所述運(yùn)動(dòng)控制卡包括DSP、FPGA和PCI接口，所述DSP、FPGA>PCI接口與所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)依次相連接,所述運(yùn)動(dòng)控制卡安插在所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部的PCI槽上； 所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與所述I/O接口板通過PCI總線相連接，所述I/O接口板讀入限位開關(guān)信號(hào)，輸出燃?xì)恻c(diǎn)火、預(yù)熱處理、割炬升降、鋼板穿孔、弧壓開關(guān)的繼電器開關(guān)量信號(hào)，所述I/O接口板安插在所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部的PCI槽上； 所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與所述人機(jī)通訊設(shè)備通過顯示器LCD/VGA接口、閃存盤USB接口、PS/2鍵盤接口和軟盤驅(qū)動(dòng)器相連接，所述顯示器IXD/VGA接口、閃存盤USB接口、PS/2鍵盤接口和軟盤驅(qū)動(dòng)器在所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的主板上； 所述數(shù)控管理模塊安裝在嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，在Windows系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)所述運(yùn)動(dòng)控制卡、I/O接口板的PCI總線驅(qū)動(dòng)、I/O接口板的監(jiān)控和診斷，以及數(shù)控系統(tǒng)的圖形用戶界面、文件管理系統(tǒng)和人機(jī)交互； 所述I/O接口板通過PCI總線從所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接受控制命令，然后將這些命令通過FPGA傳送給所述DSP執(zhí)行，所述DSP作為運(yùn)動(dòng)控制單元完成對(duì)所述交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置包括直線和圓弧線段的插補(bǔ)、多軸同步運(yùn)動(dòng)、速度控制、線段預(yù)處理的輸出控制，同時(shí)所述DSP通過FPGA將切割過程中的數(shù)據(jù)信息由所述I/O接口板反饋到所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)據(jù)雙向傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)，其特征是，所述嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用型號(hào)為RPC-206的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，所述DSP采用工作頻率為10MHz的高速浮點(diǎn)型微處理芯片，F(xiàn)PGA為2萬門的可編程邏輯器件，PCI接口芯片采用型號(hào)為PCI9052的芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于PCI+DSP+FPGA的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)，其特征是，所述I/o接口板采用32路輸入輸出控制卡，包括16路輸入信號(hào)端口和16路輸出信號(hào)端口。
【文檔編號(hào)】G05B19/414GK104375467SQ201410663437
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】武浩 申請(qǐng)人:淮南市海寶得焊割設(shè)備制造有限公司