一种基于FPGA的多轴电子齿轮同步控制系统和方法

本发明涉及工业控制领域，特别是涉及一种基于fpga的多轴电子齿轮同步控制系统和方法。

背景技术：

1、随着现代计算机及电子技术的迅速发展，运动控制系统也在不断创新，作为其核心产品之一的数字化运动控制卡也取得了显著的进步。传统运动控制系统结构复杂、可移植性较差、升级换代难度较大，难以满足工业控制的需求，在实际控制应用中运动控制系统的开放性、模块化显得更为重要。

2、现有技术中的多轴电子齿轮控制系统主要是用电子器件来代替机械齿轮传动，可以通过软件端灵活地设置电子齿轮各轴的传动比参数。目前开放性的运动控制系统主要基于单片机、dsp作为核心输出脉冲信号控制多轴电机运动，但这些方式的局限性比较显著：

3、1、单片机、dsp只能顺序地执行程序而不能完全并行工作，会导致多轴同步启动时间间隔较大的问题；

4、2、单片机、dsp的i/o接口数量少(通常为几十到几百个)，在被控电机数量较多时则需要多板级联，这样既增加了系统复杂度，还会降低多轴同步性能。

5、3、现有技术难以适配工业中的复杂软件环境，单片机通常用于简单的嵌入式系统，无法运行linux这样的复杂操作系统，dsp主要优势在于其针对数字信号处理任务的专用指令集和优化算法，通常也不是为运行复杂操作系统而设计，传统的齿轮传动随着各齿轮齿数的确定，传动比也随之确定，此时如果想要改变传动比参数，则只能更换不同齿数的齿轮。在很多实际的工业控制场景中都需要灵活地设置多轴传动比参数，此时传统的齿轮传动箱则受限较大。其中多轴同步性作为电子齿轮最重要的性能参数，在设计之初应该着重考虑。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于fpga的多轴电子齿轮同步控制系统和方法，可通过arm和fpga结合可以进行更为复杂的逻辑控制，同时实现了多轴电子齿轮实时同步控制。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

4、一种基于fpga的多轴电子齿轮同步控制系统，所述系统包括：arm和fpga；

5、所述arm与所述fpga连接，所述arm用于基于用户指令生成check数据和多轴电子齿轮的各轴的运动参数数据，并将check数据和多轴电子齿轮的各轴的运动参数数据发送给所述fpga；所述check数据包括运动指令和运动轴号，所述运动指令用于表征多轴电子齿轮的运动控制模式，所述运动轴号用于表征多轴电子齿轮的各轴是否需要更新运动；

6、所述fpga与多轴电子齿轮的各轴的驱动控制端连接，所述fpga用于根据所述check数据和所述运动参数数据对多轴电子齿轮中需要更新运动轴进行同步控制。

7、可选的，所述arm内运行有linux操作系统，linux操作系统上运行有电机软件系统，所述电机软件系统包括数据库和多轴运动控制函数；

8、数据库中不同的字段代表多轴电子齿轮的多轴电机的不同属性，所述属性包括：运动参数、运动指令、齿轮传动比参数、运动轴号和运动状态；

9、所述多轴运动控制函数包括：move运动控制函数、home运动控制函数、stop运动控制函数和jog运动控制函数。

10、可选的，在基于用户指令生成check数据和多轴电子齿轮的各轴的运动参数数据的方面，所述arm具体用于：

11、根据用户指令中用户输入的主轴的运动参数和传动比参数，计算各轴的运动参数数据；

12、根据所述传动比参数，生成运动轴号；

13、根据用户指令中用户输入的运动指令和运动轴号，生成所述check数据。

14、可选的，根据用户指令中用户输入的运动指令和运动轴号，生成所述check数据，之后还包括，在所述check数据的指定位置添加校验数据，所述校验数据用于进行参数校验与确认运动指令是否更新。

15、可选的，fpga包括：第一存储器、第一存储器接口模块、多个轴控制模块和多个脉冲输出模块；

16、所述第一存储器与所述第一存储器接口模块连接；所述第一存储器用于存储所述check数据和所述运动参数数据；

17、所述第一存储器接口模块分别与多个所述轴控制模块连接；所述第一存储器接口模块用于基于第一有限状态机读取所述check数据和所述运动参数数据；所述第一有限状态机包括idle闲置状态与各轴参数获取状态，idle闲置状态时，所述第一存储器接口模块不断获取第一存储器中的check数据，各轴参数获取状态时，所述第一存储器接口模块在所述第一存储器中获取需要更新运动的各轴的运动参数数据，并分别将check数据和需要更新运动的轴的运动参数数据发送给需要更新运动的轴对应的轴控制模块；

18、多个所述轴控制模块与多个所述脉冲输出模块一一对应的连接；所述轴控制模块用于根据所述check数据和所对应的轴的运动参数数据，利用第二有限状态机确定运动模式状态，在同一个时钟上升沿到来时同步进入到运动模式状态，在进入运动模式状态的下一个时钟周期，根据所述运动模式状态和所对应的轴的运动参数数据生成脉冲控制信号，并将所述脉冲控制信号发送给对应的脉冲输出模块；

19、所述脉冲输出模块用于输出脉冲控制所对应的轴进行运动。

20、可选的，在第一有限状态机读取所述check数据和所述运动参数数据方面，当运动轴号表征多轴电子齿轮的各轴不需要更新运动时，所述第一存储器接口模块进入idle状态，当运动轴号表征多轴电子齿轮的各轴需要更新运动时，所述第一存储器接口模块进入各轴参数获取状态。

21、可选的，在根据所述运动模式状态和所对应的轴的运动参数数据生成脉冲控制信号方面，所述轴控制模块具体用于：

22、当所述运动模式状态为move运动模式时，根据所述运动模式状态与轴的运动参数计算运动至运动位置所需的脉冲总数、每种脉冲的时钟周期数；不同种脉冲对应的步进电机的不同运动速度，在同一脉冲周期中步进电机的运动距离一致；基于脉冲总数、每种脉冲的时钟周期数，按照步进电机的运动速度由0加速到最大速度然后由最大速度减速到0的过程中每种脉冲的时钟周期数的和等于所述脉冲总数的原理，通过move运动控制函数生成move运动模式下的脉冲控制信号；

23、当所述运动模式状态为stop运动模式时，根据所述运动模式状态与轴的运动参数计算由当前运动速度减速至0所需的脉冲总数、每种脉冲的时钟周期数；不同种脉冲对应的步进电机的不同运动速度，在同一脉冲周期中步进电机的运动距离一致；基于所需的脉冲总数、每种脉冲的时钟周期数，按照步进电机的运动速度由当前速度减速到0的过程中每种脉冲的时钟周期数的和等于所述脉冲总数的原理，通过stop运动控制函数生成stop运动模式下的脉冲控制信号；

24、当所述运动模式状态为home运动模式时，根据所述运动模式状态与轴的运动参数计算保持最小速度运动所需的脉冲的时钟周期数；基于脉冲的时钟周期数，按照步进电机以保持最小速度运动所需的脉冲的时钟周期数运动，直到接收到外部寻零信号后，将速度由最小速度减速至0的原理，通过home运动控制函数生成home运动模式下的脉冲控制信号；

25、当所述运动模式状态为jog运动模式时，根据所述运动模式状态与轴的运动参数计算由最小速度加速到最大速度过程中所需的脉冲总数和每种脉冲的时钟周期数；不同种脉冲对应的步进电机的不同运动速度，在同一脉冲周期中步进电机的运动距离一致；基于脉冲总数、每种脉冲的时钟周期数，按照步进电机的运动速度由最小速度加速到最大速度的过程中，每种脉冲的时钟周期数的和等于所述脉冲总数的原理，通过jog运动控制函数生成jog运动模式下的脉冲控制信号。

26、可选的，所述fpga还包括：多轴编码器模块、第二存储器接口模块和第二存储器；

27、多编码器模块的输入端与多轴电子齿轮的各轴上设置的编码器连接，多个编码器模块的输出端与所述第二存储器模块连接；所述编码器模块用于采集轴的状态信息，并将各轴的状态信息发送至第二存储器；所述第二存储器接口模块用于将各轴的状态信息发送至所述arm。

28、可选的，所述arm包括：cpu、第一总线通信模块和第二总线通信模块；

29、所述cpu的输入端与所述第二总线通信模块连接，所述第二总线通信模块与所述fpga的第一存储器连接；所述第二总线通信模块用于接收所述fpga上传的各轴的状态信息；所述状态信息，具体包括：轴的位置、轴的转速、运动状态和运动方向；

30、所述cpu的输出端与所述第一总线通信模块连接，所述第一总线通信模块与所述fpga的第二存储器连接；所述cpu用于基于用户指令生成check数据和多轴电子齿轮的各轴的运动参数数据，并将check数据和多轴电子齿轮的各轴的运动参数数据通过所述第一总线通信模块发送至所述fpga。

31、一种基于fpga的多轴电子齿轮同步控制方法，所述方法应用于以上任一项所述的系统，所述方法包括：

32、采用arm获取check数据和多轴电子齿轮的各轴的运动参数数据；

33、采用fpga根据所述check数据和所述运动参数数据对多轴电子齿轮中需要更新运动轴进行同步控制。

34、本发明通过将arm与fpga连接，arm用于基于用户指令生成check数据和多轴电子齿轮的各轴的运动参数数据，并将check数据和多轴电子齿轮的各轴的运动参数数据发送给fpga；fpga与多轴电子齿轮的各轴的驱动控制端连接，fpga用于根据check数据和运动参数数据对多轴电子齿轮中需要更新运动轴进行同步控制。本发明通过arm和fpga结合可以进行更为复杂的逻辑控制，同时实现了多轴电子齿轮实时同步控制。