本實(shí)用新型涉及一種基于模數(shù)混合FPAG和視覺(jué)傳感技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)高速、高精度的運(yùn)動(dòng)控制，屬于機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

典型的單軸直線系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件有：電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)或伺服)、滾珠絲桿(或皮帶、齒輪)、滑動(dòng)導(dǎo)軌(或者直線電機(jī)和直線導(dǎo)軌)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、左右限位感應(yīng)器、感應(yīng)片和零點(diǎn)感應(yīng)器等。單軸直線系統(tǒng)是以上述主要部件為基礎(chǔ)，構(gòu)成的單軸基本結(jié)構(gòu)。

直角坐標(biāo)系統(tǒng)是一把由多個(gè)獨(dú)立的單軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成平面或立體運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。通過(guò)專業(yè)的運(yùn)動(dòng)控制器和激光測(cè)距實(shí)現(xiàn)高精度的定位和回零控制。為了實(shí)現(xiàn)高速與高精度的的驅(qū)動(dòng)，控制與測(cè)量技術(shù)被采用。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，包括主軸電機(jī)、直線電機(jī)等驅(qū)動(dòng)方式，省卻了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，精度要高得多，但直線電機(jī)也有高成本、維護(hù)難等方面的不利點(diǎn)。

在控制方面，采用高增益的控制技術(shù)使得伺服驅(qū)動(dòng)能夠克服機(jī)械系統(tǒng)的非線性帶來(lái)的精度影響(如摩擦誤差等)，但高增益的控制技術(shù)需要高性能控制芯片來(lái)支撐。導(dǎo)致需要更高的材料成本和設(shè)計(jì)成本。

由于不同系統(tǒng)(電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制，精準(zhǔn)定位)都是獨(dú)立的。而為了適應(yīng)高速、高精度的現(xiàn)代應(yīng)用需求，現(xiàn)有技術(shù)需要增加額外的硬件和軟件以將不同的系統(tǒng)整合在一起工作。由此產(chǎn)生了兼容性的問(wèn)題。普遍導(dǎo)致成本提高，架構(gòu)復(fù)雜，可靠性下降的狀況。另外，組網(wǎng)、聯(lián)動(dòng)和協(xié)同工作等也是目前傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)械架構(gòu)不容易解決，且需要花費(fèi)較大代價(jià)才能去適應(yīng)的新形勢(shì)的發(fā)展。

機(jī)電系統(tǒng)是一個(gè)廣泛的課題，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)模組、控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在性能方面，高速、高精度是其中一個(gè)發(fā)展的方向。網(wǎng)絡(luò)控制、設(shè)備協(xié)同工作是將來(lái)的工業(yè)4.0的目標(biāo)和大勢(shì)。所以設(shè)計(jì)新的驅(qū)動(dòng)方法、控制與測(cè)量技術(shù)符合發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)際上高性能、高集成的芯片被大量應(yīng)用到機(jī)電系統(tǒng)中，以滿足日益增長(zhǎng)的新功能需求。新設(shè)計(jì)的機(jī)電產(chǎn)品勢(shì)必要符合工業(yè)4.0的要求和趨勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何在簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本地同時(shí)，提高機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制的精度和集成度。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是提供一種基于模數(shù)混合FPAG和視覺(jué)傳感技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于：包括：

作為核心控制器的模數(shù)混合FPGA模塊，模數(shù)混合FPGA模塊通過(guò)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接NMOS管，NMOS管連接電機(jī)；

用于將電機(jī)繞組線圈的模擬信號(hào)通過(guò)濾波送入FPGA模塊的采樣反饋單元；

用于實(shí)時(shí)測(cè)量出運(yùn)動(dòng)工件的絕對(duì)位置和移動(dòng)速度，以確定其移動(dòng)軌跡，并發(fā)送給FPGA模塊的工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述FPGA模塊中內(nèi)嵌有：模擬輸入/輸出模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，電機(jī)控制模塊，PWM模塊，用于實(shí)現(xiàn)控制所需要的算法的ARM處理及存儲(chǔ)系統(tǒng)，用于向ARM處理及存儲(chǔ)系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換模塊和PWM模塊提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)PLL時(shí)鐘模塊。

更優(yōu)選地，所述FPGA模塊中的電機(jī)控制模塊通過(guò)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接NMOS管。

更優(yōu)選地，所述采樣反饋單元連接FPGA模塊中的模擬輸入模塊。

更優(yōu)選地，所述模擬信號(hào)包括電機(jī)繞組線圈的電流、反電動(dòng)勢(shì)分壓、電機(jī)溫度。實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓和溫度的數(shù)據(jù)采集。

優(yōu)選地，所述模數(shù)混合FPGA模塊通過(guò)兩組無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、兩組NMOS管連接兩組電機(jī)。

優(yōu)選地，所述無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為MOSFET驅(qū)動(dòng)裝置。

優(yōu)選地，所述無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)三相全橋器件連接6個(gè)所述NMOS管。

優(yōu)選地，所述工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)連接到FPGA模塊。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型提供的基于模數(shù)混合FPAG和視覺(jué)傳感技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有如下有益效果：

1、降低成本：通過(guò)高集成度設(shè)計(jì)，同時(shí)控制2臺(tái)同步電機(jī)，省去2個(gè)專業(yè)伺服控制器；能在一個(gè)控制系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)對(duì)于2個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制，既降低了成本，又提高了效率。

2、簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)：采用成熟的嵌入式的視覺(jué)傳感系統(tǒng)，簡(jiǎn)化機(jī)械定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；既能實(shí)現(xiàn)回零定位，又能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)校驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)軌跡修正，提高了重復(fù)定位精度。

3、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同：ARM硬核平臺(tái)上運(yùn)行RTOS，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和底層設(shè)備管理。使設(shè)備具備網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作的通路和能力。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)施例提供的基于模數(shù)混合FPAG和視覺(jué)傳感技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本實(shí)用新型講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。

本實(shí)施例是根據(jù)無(wú)霍爾傳感器無(wú)刷電機(jī)，反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法原理，結(jié)合最新的模數(shù)混合FPGA的內(nèi)部功能特性，以及成熟的視覺(jué)傳感定位技術(shù)，提出的一個(gè)具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)、高集成度和擴(kuò)展性的2軸高速運(yùn)動(dòng)精確控制方案。

圖1為本實(shí)施例提供的基于模數(shù)混合FPAG和視覺(jué)傳感技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖，所述的基于模數(shù)混合FPAG和視覺(jué)傳感技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)選用Actel SmartFusionAFS600作為核心控制器，這是世界領(lǐng)先的模數(shù)混合FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)，具有強(qiáng)大的模擬輸入/輸出模塊。在AFS600中配置內(nèi)嵌的ARM-M3硬核，選擇運(yùn)行Uc/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以支持用戶層應(yīng)用。支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、底層通訊協(xié)議、多任務(wù)實(shí)時(shí)切換相應(yīng)等功能。另外，利用ARM系統(tǒng)的IDE開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)資源和FPGA的豐富的IP庫(kù)，實(shí)現(xiàn)控制算法PARK&CLARTE變化和逆變化算法、PID算法等實(shí)現(xiàn)電機(jī)閉環(huán)控制所需要的算法。AFS600片內(nèi)的高速12位A/D轉(zhuǎn)換器分別檢測(cè)三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)，并且寫(xiě)入FPGA的存儲(chǔ)單元。電機(jī)的預(yù)定轉(zhuǎn)動(dòng)方向和預(yù)期轉(zhuǎn)速設(shè)置，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信輸入FPGA的ARM系統(tǒng)，并完成相關(guān)的控制算法輸出，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

三相PWM波形發(fā)生模塊由AFS600邏輯門(mén)電路實(shí)現(xiàn)了PWM頻率和占空比可連續(xù)調(diào)節(jié)。AFS600的PLL時(shí)鐘模塊用于向ARM、A/D轉(zhuǎn)換器和PWM(脈沖寬度調(diào)制)模塊提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(MOSFET驅(qū)動(dòng)1、2)采用A3935三相全橋器件配合6個(gè)大功率NMOS管IRF2807S實(shí)現(xiàn)完整的無(wú)刷電機(jī)控制方案。每項(xiàng)繞組的反電動(dòng)勢(shì)通過(guò)(采樣反饋電路1、2)串聯(lián)電阻分壓并濾波再送入AFS600內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器。

ARM及存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的分層結(jié)構(gòu)。用戶應(yīng)用層同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)：分別對(duì)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析和通信連接任務(wù)；底層低速外設(shè)響應(yīng)和管理；算法支持；運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)；異常處理任務(wù)；設(shè)備日志管理及文件管理系統(tǒng)等。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行所需要的各類程序，中間層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議、打包/發(fā)送，建立連接等工作。根據(jù)實(shí)際需求對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行了精簡(jiǎn)和優(yōu)化修改，以滿足工業(yè)控制所需的實(shí)時(shí)快速響應(yīng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的性能指標(biāo)能夠滿足底層任務(wù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)的需求。但是對(duì)于電機(jī)控制的部分算法還是使用AFS600的邏輯矩陣來(lái)設(shè)計(jì)。

選擇3組YZ-7000嵌入式工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)回零控制和2軸的運(yùn)動(dòng)定位。預(yù)先在視覺(jué)系統(tǒng)中對(duì)視界內(nèi)的空間劃分多個(gè)特殊的區(qū)域和邊界。由于視覺(jué)系統(tǒng)固定在相對(duì)的空間位置上。當(dāng)運(yùn)動(dòng)工件進(jìn)入和經(jīng)過(guò)視界區(qū)域的時(shí)候，就可以實(shí)時(shí)測(cè)量出絕對(duì)位置和移動(dòng)速度確定移動(dòng)軌跡。同時(shí)，視界內(nèi)還有絕對(duì)固定的標(biāo)尺和定位參考點(diǎn)。通過(guò)對(duì)移動(dòng)工件的測(cè)量，并且給出與固定標(biāo)尺和定位點(diǎn)的相對(duì)位置和距離的數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)紽PGA控制器，計(jì)算相對(duì)數(shù)據(jù)的誤差并進(jìn)行修正?？梢酝ㄟ^(guò)標(biāo)定2軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在平面運(yùn)動(dòng)中的位置，通過(guò)多次測(cè)量，以提高重復(fù)定位精度。

測(cè)量精度與視覺(jué)傳感器的像素、分辨率、數(shù)據(jù)處理能力以及工件運(yùn)動(dòng)速度等互相關(guān)聯(lián)。像素越高，視界區(qū)域越小，所能測(cè)量的分辨率就越高。出于成本考慮，在高速運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)中將視覺(jué)傳感應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)的末程。在這個(gè)末端行程期，移動(dòng)速度快速下降，便于實(shí)現(xiàn)末端引導(dǎo)和測(cè)量。

本實(shí)施例提供的基于模數(shù)混合FPAG和視覺(jué)傳感技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是智能工具系統(tǒng)最后加工段設(shè)備的閉環(huán)控制機(jī)構(gòu)。它可以應(yīng)用于諸如機(jī)器人打磨工具、智能擰緊工具、智能裝配工具上，用于達(dá)到要求的定位與運(yùn)動(dòng)精度。視頻檢測(cè)是綜合傳感器的一種，代表外接感知與智能工具動(dòng)作的有機(jī)結(jié)合。無(wú)論受人操作的智能工具，還是自動(dòng)化工具，都需要有確保準(zhǔn)確與安全的閉環(huán)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)用于智能工具的加工定位，輔助機(jī)器人自身的動(dòng)作控制，可以達(dá)到0.1mm的精準(zhǔn)度。

本實(shí)施例提供的基于模數(shù)混合FPAG和視覺(jué)傳感技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1)通過(guò)模數(shù)混合FPGA的高集成度，來(lái)降低電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的成本。一顆FPGA可以實(shí)現(xiàn)2路直流電機(jī)的控制，既能省去2個(gè)專業(yè)伺服控制器，又能在一個(gè)控制系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)對(duì)于2個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制；降低的成本，提高了效率。能夠以十分之一的制造成本實(shí)現(xiàn)同樣的運(yùn)動(dòng)功能，并且達(dá)到或超過(guò)原有機(jī)電設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。

(2)采用視覺(jué)傳感系統(tǒng)，簡(jiǎn)化機(jī)械定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。既能實(shí)現(xiàn)回零定位，又能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)校驗(yàn)，實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡修正，并且提高重復(fù)定位精度。機(jī)械傳動(dòng)和機(jī)電控制在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后會(huì)因?yàn)槎喾N原因?qū)е抡`差的產(chǎn)生和誤差的積累，最終誤差合成超出門(mén)限而引起系統(tǒng)運(yùn)行故障。傳統(tǒng)技術(shù)和工藝設(shè)計(jì)采用更高等級(jí)的運(yùn)動(dòng)模組和運(yùn)動(dòng)控制來(lái)滿足需求。這勢(shì)必導(dǎo)致價(jià)格，成本的急劇上升，加工和生產(chǎn)工藝的復(fù)雜化。如果能在原有架構(gòu)平臺(tái)上，通過(guò)采用實(shí)時(shí)檢驗(yàn)和校準(zhǔn)系統(tǒng)，能夠及時(shí)檢查和發(fā)現(xiàn)誤差的產(chǎn)生和發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)修正來(lái)維持正常運(yùn)行，就能節(jié)約大量的硬件成本和降低工藝要求，有利市場(chǎng)的拓展。另外，當(dāng)發(fā)現(xiàn)超出修正范圍的預(yù)期出現(xiàn)還能及時(shí)報(bào)警和安全聯(lián)動(dòng)。及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)解決，減少故障導(dǎo)致的生產(chǎn)損失。

(3)混合FPGA是一顆cSoCs系統(tǒng)級(jí)芯片。FPGA內(nèi)部有內(nèi)嵌硬核ARM Cortex-M3核，也有基于IP的8位MCU軟核。可配置的各類通信接口：SPI、I2C、UART以及EMAC。一顆FPGA能實(shí)現(xiàn)對(duì)底層各種控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，通信和協(xié)同控制，同時(shí)還可以利用ETHNENT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的互聯(lián)和系統(tǒng)協(xié)同工作。ARM系統(tǒng)上可以運(yùn)行數(shù)種不同特點(diǎn)的RTOS。利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多進(jìn)程和多任務(wù)機(jī)制，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)與多個(gè)低速外部通信設(shè)備的互聯(lián)通信控制，且任務(wù)可以根據(jù)需要進(jìn)行加載和釋放。還能實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算和提供上層應(yīng)用。RTOS極大方便了應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)重用有很大的幫助。在不增加制造成本的情況下，輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、控制協(xié)議、上層應(yīng)用等。同時(shí)操作提供還提供大量經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的SDK庫(kù)，方便用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)新設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，協(xié)議通信和管理。還能結(jié)合FPGA強(qiáng)大的天賦并行數(shù)據(jù)搬移和運(yùn)算能力，提供各類優(yōu)化的MATH庫(kù)，以便用戶實(shí)現(xiàn)特定領(lǐng)域的算法計(jì)算需求。