基于國產(chǎn)FPGA的運(yùn)動(dòng)控制加速卡

現(xiàn)階段，大部分的工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)和數(shù)控運(yùn)動(dòng)中的控制中心為PC端控制器，通過PC端控制器控制伺服驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)坐標(biāo)上的運(yùn)動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)之間的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)精確的位置控制、速度和加速度控制、轉(zhuǎn)矩和力的控制等。同時(shí)，PC端控制器還需要控制其他傳感器或運(yùn)動(dòng)單元。這種PC端控制器直接控制上述設(shè)備的方案，存在效率低、難以做到指令發(fā)送或接收的同步處理、延時(shí)較大、采集的數(shù)據(jù)無法做到準(zhǔn)確同步等問題。因此需要簡化PC端控制器的數(shù)據(jù)通信量、降低指令延遲、提升控制效率，同時(shí)需要獲取同步后的數(shù)據(jù)。中科億海微研制的FPGA運(yùn)動(dòng)控制加速卡主要完成PC端與伺服驅(qū)動(dòng)器、相機(jī)、壓力及柔性傳感器等模塊之間的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)監(jiān)測。FPGA運(yùn)動(dòng)控制加速卡將復(fù)雜的控制卸載到FPGA中實(shí)現(xiàn)，簡化了PC端控制器的控制流程，極大地減小了數(shù)據(jù)鏈路通信時(shí)間消耗。同時(shí)FPGA將同步后的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC處理，使得數(shù)據(jù)處理流程更合理。

圖 基于FPGA的運(yùn)動(dòng)控制加速方案系統(tǒng)構(gòu)成框圖

基于FPGA的運(yùn)動(dòng)控制加速方案主要由兩塊板卡構(gòu)成：以EQ6HL130為核心的同步采集板、以EQ6HL9為核心的柔性傳感器采集板。

以EQ6HL130為核心的同步采集板控制伺服驅(qū)動(dòng)器，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制伺服電機(jī)的指令，同時(shí)接收其應(yīng)答指令，將指令解析處理后結(jié)果傳輸給PC端控制器作進(jìn)一步操作；接收柔性傳感器采集器采集的數(shù)據(jù)，解析后傳輸給控制器；接收壓力傳感器的數(shù)據(jù)，解析后傳輸給控制器。對(duì)所有接收數(shù)據(jù)打上時(shí)間戳，便于后續(xù)使用。

以EQ6HL9為核心的柔性傳感器采集板通過AD采集柔性傳感器的數(shù)據(jù)并組幀傳輸給同步采集板控制；將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壓力值顯示到顯示屏上。

FPGA運(yùn)動(dòng)控制加速卡經(jīng)測試，PC端控制器方案的系統(tǒng)指令延遲大于50ms。基于FPGA的運(yùn)動(dòng)控制加速方案的系統(tǒng)指令延遲小于100us，同時(shí)伺服電機(jī)應(yīng)答數(shù)據(jù)、多傳感器數(shù)據(jù)、相機(jī)數(shù)據(jù)能做到完全同步，更具使用意義。