一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，至少包括應(yīng)用管理框架層、功能模塊框架層、子功能模塊層和硬件接口驅(qū)動層；功能模塊框架層由多個功能模塊框架組成，每個功能模塊框架在子功能模塊層中都有一個由多個子功能模塊組成的子功能模塊族與其相對應(yīng)；功能模塊框架間及子功能模塊間均相互獨立、非直接耦合，功能模塊框架和子功能模塊都可根據(jù)控制需求進行增加、裁剪、修改和調(diào)度；通過應(yīng)用管理框架層對功能模塊框架調(diào)度以及功能模塊框架對子功能模塊調(diào)度，實現(xiàn)開放式運動控制系統(tǒng)的重構(gòu)。本發(fā)明的有益效果是：該架構(gòu)設(shè)計可應(yīng)用于自動化、過程控制和先進制造等領(lǐng)域中，具有很好的開放性和可重構(gòu)性。
【專利說明】一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及自動化、過程控制和先進制造領(lǐng)域，尤其涉及一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]運動控制廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人、紡織機械、食品機械、印刷機械、輕工造紙機械、橡塑機械、包裝機械、自動化裝配機械、木工機械、材料加工機械、激光加工機械、半導(dǎo)體制造機械、醫(yī)療設(shè)備、航空宇宙、國防現(xiàn)代化等行業(yè)中，而運動控制系統(tǒng)是完成運動控制的核心部件。
[0003]運動控制系統(tǒng)經(jīng)歷了以單片機或微處理器、專用芯片ASIC為核心處理器的封閉式體系結(jié)構(gòu)運動控制系統(tǒng)，發(fā)展到以DSP+FPGA雙核處理器的開放式體系結(jié)構(gòu)運動控制系統(tǒng)。對于封閉式體系結(jié)構(gòu)運動控制系統(tǒng)，設(shè)計者、集成者和最終用戶很難根據(jù)自己的控制需求對系統(tǒng)進行修改、拓展和重構(gòu)功能；對于開放式體系結(jié)構(gòu)運動控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開放程度低，互操作性、可移植性、可縮放性和可互換性等都較差，而且通常要求用戶必須使用運動控制器所提供的標(biāo)準(zhǔn)功能才能進行運動控制系統(tǒng)的設(shè)計和二次開發(fā)，這使得運動控制系統(tǒng)特別是運動控制器的擴充和修改極為有限，造成用戶對供應(yīng)商的依賴，并難以將自己的專業(yè)技術(shù)、控制算法等集成于運動控制系統(tǒng)內(nèi)，完成對運動控制系統(tǒng)的重構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的旨在提供一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，采用層次化、模塊化的設(shè)計方法設(shè)計，進而解決現(xiàn)有運動控制系統(tǒng)開放程度低，互操作性、可移植性、可縮放性和可互換性等都較差的問題，便于實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)功能的擴充和修改，使其能根據(jù)不同控制需求來快速重構(gòu)開放式的運動控制系統(tǒng)架構(gòu)，以滿足多樣化、個性化的控制需求。
[0005]為實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0006]一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，至少包括應(yīng)用管理框架層1、功能模塊框架層2、子功能模塊層3和硬件接口驅(qū)動層4:
[0007]所述應(yīng)用管理框架層I至少包括應(yīng)用管理框架1-1 ;所述應(yīng)用管理框架1-1至少包括系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度1-1-1和管理框架數(shù)據(jù)信息接口 1-1-2 ；
[0008]所述功能模塊框架層2包括多個功能模塊框架，其中第M個功能模塊框架(2-M)至少包括模塊重構(gòu)器(2-M-1)和模塊數(shù)據(jù)信息接口(2-M-2)，其中M為正整數(shù)；
[0009]所述子功能模塊層3包括多個子功能模塊族，每個子功能模塊族至少包括Ni個子功能模塊，其中Ni為自然數(shù)，其下標(biāo)數(shù)字i與子功能模塊族序號M —一對應(yīng)；所述子功能模塊族序號M與功能模塊框架序號M —一對應(yīng)，子功能模塊層3中的第M個子功能模塊族(3-M)與功能模塊框架層2中的第M個功能模塊框架(2-M)相對應(yīng)；
[0010]所述硬件接口驅(qū)動層4包括應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2。
[0011]所述的系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度1-1-1與功能模塊框架層2、應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1和管理框架數(shù)據(jù)信息接口 1-1-2分別相連；所述管理框架數(shù)據(jù)信息接口 1-1-2與功能模塊框架層2和應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1分別相連；所述應(yīng)用管理框架1-1通過系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度1-1-1完成功能模塊框架層2中各功能模塊框架和應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1的調(diào)度與數(shù)據(jù)信息管理；所述應(yīng)用管理框架1-1通過管理框架數(shù)據(jù)信息接口 1-1-2完成各功能模塊框架間以及應(yīng)用管理框架1-1與應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1的數(shù)據(jù)交互。
[0012]所述功能模塊框架層2中的第M個功能模塊框架(2-M)的模塊重構(gòu)器(2-M-1)分別與模塊數(shù)據(jù)信息接口(2-M-2)、子功能模塊層3中的第M個子功能模塊族(3-M)和硬件接口驅(qū)動層4中的功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2相連；所述模塊數(shù)據(jù)信息接口(2-M-2)與子功能模塊族(3-M)和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2分別相連；所述第M個功能模塊框架(2-M)通過模塊重構(gòu)器(2-M-1)完成子功能模塊族(3-M)中各子功能模塊和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2的調(diào)度與數(shù)據(jù)信息管理；所述第M個功能模塊框架(2-M)通過模塊數(shù)據(jù)信息接口(2-M-2)完成各子功能模塊間及子功能模塊與功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2的數(shù)據(jù)交互。
[0013]所述功能模塊框架層2中的每個功能模塊框架完成單獨的模塊功能，功能模塊框架之間相互獨立，非直接耦合。
[0014]所述子功能模塊層3中的第M個子功能模塊族(3-M)中的每個子功能模塊完成單一的子功能，子功能模塊之間相互獨立，非直接耦合。
[0015]所述應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1，用于完成應(yīng)用管理框架1-1與硬件接口的數(shù)據(jù)交互；所述功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2，用于完成各功能模塊框架與硬件接口的數(shù)據(jù)交互。
[0016]所述應(yīng)用管理框架層I只能通過功能模塊框架層2完成對子功能模塊層3中子功能模塊的調(diào)度；所述子功能模塊層3只能通過功能模塊框架層2完成對硬件接口驅(qū)動4-2的調(diào)度。
[0017]所述應(yīng)用管理框架層I中的系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度1-1-1對功能模塊框架層2中的一個或多個功能模塊框架進行調(diào)度，實現(xiàn)系統(tǒng)功能任務(wù)的重構(gòu)。
[0018]所述功能模塊框架層2中的第M個功能模塊框架(2-M)中的模塊重構(gòu)器(2-M-1)對子功能模塊層3中的第M個子功能模塊族(3-M)中的一個或多個子功能模塊進行調(diào)度，實現(xiàn)第M個功能模塊框架(2-M)的模塊功能重構(gòu)。
[0019]所述功能模塊框架層2中的功能模塊框架和子功能模塊層3中的子功能模塊族及子功能模塊，都可以根據(jù)運動控制系統(tǒng)控制需求進行增加、裁剪、修改和調(diào)度，實現(xiàn)開放式運動控制系統(tǒng)的重構(gòu)。
[0020]本發(fā)明的特點和有益效果在于:
[0021]1、采用應(yīng)用管理框架對多個功能模塊框架和應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動進行調(diào)用與數(shù)據(jù)信息管理，以及功能模塊框架對功能模塊族中多個子功能模塊和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動進行調(diào)用與數(shù)據(jù)信息管理，提高了可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)的互操作性。
[0022]2、功能模塊框架、子功能模塊族和子功能模塊，可根據(jù)運動控制器控制功能需求進行自由增加、裁剪和修改，提高了可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)的可縮放性。
[0023]3、運動控制系統(tǒng)中功能模塊框架層中各功能模塊框架和子功能模塊層中各子功能模塊彼此獨立，且子功能模塊不直接與硬件驅(qū)動層進行數(shù)據(jù)信息交互，因此當(dāng)硬件結(jié)構(gòu)改變后，可以只對硬件驅(qū)動層進行最小修改，將該可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)移植于其他硬件平臺上，提高了可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)的可移植性和可互換性。
[0024]4、開放式運動控制系統(tǒng)中的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)完全開放，用戶可以將自己設(shè)計的功能模塊加入其中或根據(jù)可重構(gòu)信息對功能模塊間拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系的進行配置及可重構(gòu)操作，完成對開放式運動控制系統(tǒng)的重構(gòu)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計框圖；
[0026]圖2為本發(fā)明的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計應(yīng)用于CNC伺服控制系統(tǒng)的實例圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明:
[0028]如圖1所示，本發(fā)明的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，主要由應(yīng)用管理框架層1、功能模塊框架層2、子功能模塊層3和硬件接口驅(qū)動層4組成；將圖1的架構(gòu)設(shè)計應(yīng)用于CNC伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計中，如圖2所示。
[0029]本發(fā)明實施例CNC伺服控制系統(tǒng)由開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)A、硬件接口 B、驅(qū)動器C、被控對象D、傳感器E和人機界面F組成；所述的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)A與硬件接口 B相連；所述的硬件接口 B還與驅(qū)動器C、傳感器E和人機界面F分別相連；所述的驅(qū)動器C與被控對象D相連；所述的被控對象D與傳感器E相連；開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)A通過硬件接口 B接收人機界面F下發(fā)的命令和數(shù)據(jù)信息、以及傳感器E檢測到被控對象D的反饋數(shù)據(jù)信息，再經(jīng)開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)A中的控制算法，產(chǎn)生驅(qū)動信息并經(jīng)硬件接口 B輸出給驅(qū)動器C驅(qū)動被控對象D執(zhí)行與運動。
[0030]所述開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)A主要由應(yīng)用管理框架層1、功能模塊框架層2、子功能模塊層3和硬件接口驅(qū)動層4組成；
[0031]所述應(yīng)用管理框架層I至少包括應(yīng)用管理框架1-1 ;所述應(yīng)用管理框架1-1至少包括系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度1-1-1和管理框架數(shù)據(jù)信息接口 1-1-2 ；
[0032]所述功能模塊框架層2包括多個功能模塊框架，其中第M個功能模塊框架(2-M)至少包括模塊重構(gòu)器(2-M-1)和模塊數(shù)據(jù)信息接口(2-M-2)，其中M為正整數(shù)；
[0033]在本實施例的CNC伺服控制系統(tǒng)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)中，功能模塊框架層2至少包括設(shè)定點發(fā)生器框架2-1、控制器框架2-2、測量系統(tǒng)框架2-3和執(zhí)行系統(tǒng)框架
2-4 ;所述設(shè)定點發(fā)生器框架2-1至少包括模塊重構(gòu)器2-1-1和模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-1-2 ；所述控制器框架2-2至少包括模塊重構(gòu)器2-2-1和模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-2-2 ;所述測量系統(tǒng)框架2-3至少包括模塊重構(gòu)器2-3-1和模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-3-2 ;所述執(zhí)行系統(tǒng)框架2_4至少包括模塊重構(gòu)器2-4-1和模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-4-2 ；
[0034]所述子功能模塊層3包括多個子功能模塊族為正整數(shù)，每個子功能模塊族至少包括隊個子功能模塊，其中Ni為自然數(shù)，其下標(biāo)數(shù)字i與子功能模塊族序號M—一對應(yīng)；所述子功能模塊族序號M與功能模塊框架序號M 對應(yīng)，子功能模塊層3中的第M個子功能模塊族(3-M)與功能模塊框架層2中的第M個功能模塊框架(2-M)相對應(yīng)；
[0035]在本實施例的CNC伺服控制系統(tǒng)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)中，所述子功能模塊層3至少包括設(shè)定點發(fā)生器子功能模塊族3-1、控制器子功能模塊族3-2、測量系統(tǒng)子功能模塊族3-3和執(zhí)行系統(tǒng)子功能模塊族3-4 ;所述設(shè)定點發(fā)生器子功能模塊族3-1至少包括直線軌跡規(guī)劃3-1-1、圓弧軌跡規(guī)劃3-1-2、NURBS軌跡規(guī)劃3_1_3等3個子功能模塊；所述控制器子功能模塊族3-2至少包括PID控制器3-2-1、前饋控制器3-2-2、滑?？刂破?-2-3、濾波器3-2-4等4個子功能模塊；所述測量系統(tǒng)子功能模塊族3_3至少包括光柵尺檢測3-3-1、編碼器檢測3-3-2、速度計算3-3-3等3個子功能模塊；所述執(zhí)行系統(tǒng)子功能模塊族3-4至少包括位置命令轉(zhuǎn)換計算3-4-1、速度命令轉(zhuǎn)換計算3-4-2、扭矩命令轉(zhuǎn)換計算
3-4-3等3個子功能模塊；
[0036]所述硬件接口驅(qū)動層4包括應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2。
[0037]所述應(yīng)用管理框架1-1用于對功能模塊框架層2中各功能模塊框架的調(diào)度和數(shù)據(jù)管理，以完成運動控制系統(tǒng)功能任務(wù)的重構(gòu)；所述應(yīng)用管理框架1-1中的系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度1-1-1與功能模塊框架層2、應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1和管理框架數(shù)據(jù)信息接口
1-1-2分別相連；所述管理框架數(shù)據(jù)信息接口 1-1-2與功能模塊框架層2和應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1分別相連；所述系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度1-1-1獲取管理框架數(shù)據(jù)信息接口 1-1-2的系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，并進行處理產(chǎn)生功能模塊框架調(diào)度控制信息，再根據(jù)功能模塊框架調(diào)度控制信息完成運動控制系統(tǒng)任務(wù)所需功能模塊框架和應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1的調(diào)度，待調(diào)度執(zhí)行完后，系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度1-1-1從功能模塊框架層2和應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1獲取必要的數(shù)據(jù)信息并存儲到管理框架數(shù)據(jù)信息接口 1-1-2 ;所述管理框架數(shù)據(jù)信息接口 1-1-2通過共享內(nèi)存方式實現(xiàn)應(yīng)用管理框架1-1與功能模塊框架層2和應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1的數(shù)據(jù)交互。
[0038]所述功能模塊框架層2中的每個功能模塊框架完成單獨的模塊功能，功能模塊框架之間相互獨立，非直接耦合；所述功能模塊框架層2中的第M個功能模塊框架(2-M)的模塊重構(gòu)器(2-M-1)分別與模塊數(shù)據(jù)信息接口(2-M-2)、子功能模塊層3中的第M個子功能模塊族(3-M)和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2相連；所述模塊數(shù)據(jù)信息接口(2-M-2)與第M個子功能模塊族(3-M)和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2分別相連；所述第M個功能模塊框架(2-M)通過模塊重構(gòu)器(2-M-1)完成子功能模塊族(3-M)中各子功能模塊和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2的調(diào)度與數(shù)據(jù)信息管理；所述第M個功能模塊框架(2-M)通過模塊數(shù)據(jù)信息接口(2-M-2)完成各子功能模塊間及子功能模塊與功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2的數(shù)據(jù)交互；
[0039]所述設(shè)定點發(fā)生器框架2-1用于對設(shè)定點發(fā)生器子功能模塊族3-1中子功能模塊和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2的調(diào)度和數(shù)據(jù)管理，以完成設(shè)定點發(fā)生器框架的模塊功能重構(gòu)；所述設(shè)定點發(fā)生器框架2-1中的模塊重構(gòu)器2-1-1分別與設(shè)定點發(fā)生器子功能模塊族3-1、功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2和模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-1-2相連；所述模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-1-2與設(shè)定點發(fā)生器子功能模塊族3-1和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2分別相連；所述模塊重構(gòu)器2-1-1從模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-1-2獲取數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)設(shè)定點發(fā)生器框架調(diào)度控制信息進行處理，產(chǎn)生設(shè)定點發(fā)生器子功能模塊調(diào)度控制信息，再根據(jù)設(shè)定點發(fā)生器子功能模塊調(diào)度控制信息完成設(shè)定點發(fā)生器模塊功能所需子功能模塊和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2的調(diào)度，待調(diào)度執(zhí)行完后，模塊重構(gòu)器2-1-1從設(shè)定點發(fā)生器子功能模塊族3-1和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2獲取必要的數(shù)據(jù)信息并存儲到模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-1-2 ;所述模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-1-2通過共享內(nèi)存方式實現(xiàn)設(shè)定點發(fā)生器框架2-1與子功能模塊族3-1和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2的數(shù)據(jù)交互；
[0040]所述控制器框架2-2用于對控制器子功能模塊族3-2中子功能模塊的調(diào)度和數(shù)據(jù)管理，以完成控制器框架的模塊功能重構(gòu)；所述控制器框架2-2中的模塊重構(gòu)器2-2-1分別與控制器子功能模塊族3-2、功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2和模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-2-2相連；所述模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-2-2分別與功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2和控制器子功能模塊族3-2相連；所述模塊重構(gòu)器2-2-1從模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-2-2獲取數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)控制器框架調(diào)度控制信息進行處理，產(chǎn)生控制器子功能模塊調(diào)度控制信息，再根據(jù)控制器子功能模塊調(diào)度控制信息完成控制器模塊功能所需子功能模塊和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2的調(diào)度，待調(diào)度執(zhí)行完后，模塊重構(gòu)器2-2-1從控制器子功能模塊族3-2和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2獲取必要的數(shù)據(jù)信息并存儲到模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-2-2 ;所述模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-2-2通過共享內(nèi)存方式實現(xiàn)控制器框架2-2與控制器子功能模塊族3-2和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2的數(shù)據(jù)交互；
[0041]所述測量系統(tǒng)框架2-3用于對測量系統(tǒng)子功能模塊族3-3中子功能模塊的調(diào)度和數(shù)據(jù)管理，以完成測量系統(tǒng)框架的模塊功能重構(gòu)；所述測量系統(tǒng)框架2-3中的模塊重構(gòu)器2-3-1分別與測量系統(tǒng)子功能模塊族3-3、功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2和模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-3-2相連；所述模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-3-2與測量系統(tǒng)子功能模塊族3-3和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2分別相連；所述模塊重構(gòu)器2-3-1從模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-3-2獲取數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)測量系統(tǒng)框架調(diào)度控制信息進行處理，產(chǎn)生測量系統(tǒng)子功能模塊調(diào)度控制信息，再根據(jù)測量系統(tǒng)子功能模塊調(diào)度控制信息完成測量系統(tǒng)模塊功能所需子功能模塊和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2的調(diào)度，待調(diào)度執(zhí)行完后，模塊重構(gòu)器2-3-1從測量系統(tǒng)子功能模塊族3-3和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2獲取必要的數(shù)據(jù)信息并存儲到模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-3-2 ;所述模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-3-2通過共享內(nèi)存方式實現(xiàn)測量系統(tǒng)框架2-3與測量系統(tǒng)子功能模塊族3-3和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2的數(shù)據(jù)交互；
[0042]所述執(zhí)行系統(tǒng)框架2-4用于對執(zhí)行系統(tǒng)子功能模塊族3-4中子功能模塊的調(diào)度和數(shù)據(jù)管理，以完成執(zhí)行系統(tǒng)框架的模塊功能重構(gòu)；所述執(zhí)行系統(tǒng)框架2-4中的模塊重構(gòu)器2-4-1分別與執(zhí)行系統(tǒng)子功能模塊族3-4、功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2和模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-4-2相連；所述模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-4-2與執(zhí)行系統(tǒng)子功能模塊族3-4和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2分別相連；所述模塊重構(gòu)器2-4-1從模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-4-2獲取數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)執(zhí)行系統(tǒng)框架調(diào)度控制信息進行處理，產(chǎn)生執(zhí)行系統(tǒng)子功能模塊調(diào)度控制信息，再根據(jù)執(zhí)行系統(tǒng)子功能模塊調(diào)度控制信息完成執(zhí)行系統(tǒng)模塊功能所需子功能模塊和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2的調(diào)度，待調(diào)度執(zhí)行完后，模塊重構(gòu)器2-4-1從執(zhí)行系統(tǒng)子功能模塊族3-4和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2獲取必要的數(shù)據(jù)信息并存儲到模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-4-2 ;所述模塊數(shù)據(jù)信息接口 2-4-2通過共享內(nèi)存方式實現(xiàn)執(zhí)行系統(tǒng)框架2-4與執(zhí)行系統(tǒng)子功能模塊族3-4和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2的數(shù)據(jù)交互。
[0043]所述功能模塊框架層3中的子功能模塊族是指包含一系列功能性質(zhì)相似的子功能模塊集合，子功能模塊族之間相互獨立，子功能模塊族中的每個子功能模塊完成單一的子功能，子功能模塊之間相互獨立，非直接耦合；
[0044]所述設(shè)定點發(fā)生器子功能模塊族3-1是指包含一系列產(chǎn)生不同軌跡設(shè)定點信息的子功能模塊集合，主要用于完成CNC伺服控制系統(tǒng)的設(shè)定點參考值的生成，設(shè)定點發(fā)生器子功能模塊族3-1中子功能模塊由設(shè)定點發(fā)生器框架2-1的模塊重構(gòu)器2-1-1根據(jù)設(shè)定點發(fā)生器子功能模塊調(diào)度控制信息進行調(diào)度與執(zhí)行；
[0045]所述直線軌跡規(guī)劃3-1-1用于接收設(shè)定點發(fā)生器框架2-1下發(fā)的直線軌跡運動命令，采用直線軌跡生成控制算法運算處理生成直線軌跡的設(shè)定點信息，并將其傳送給設(shè)定點發(fā)生器功能模塊框架2-1 ;所述圓弧軌跡規(guī)劃3-1-2用于接收設(shè)定點發(fā)生器框架2-1下發(fā)的圓弧軌跡運動命令，采用圓弧軌跡生成控制算法運算處理生成圓弧軌跡的設(shè)定點信息，并將其傳送給設(shè)定點發(fā)生器功能模塊框架2-1 ;所述NURBS軌跡規(guī)劃3-1-3用于接收設(shè)定點發(fā)生器框架2-1下發(fā)的曲線運動命令，采用NURBS軌跡生成控制算法運算處理生成NURBS軌跡的設(shè)定點信息，并將其傳送給設(shè)定點發(fā)生器功能模塊框架2-1 ；
[0046]所述控制器子功能模塊族3-2是指包含一系列不同運動控制策略的子功能模塊集合，主要用于完成CNC伺服控制系統(tǒng)閉環(huán)控制，控制器子功能模塊族3-2中子功能模塊由控制器框架2-2的模塊重構(gòu)器2-2-1根據(jù)控制器子功能模塊調(diào)度控制信息進行調(diào)度與執(zhí)行；
[0047]所述PID控制器3-2-1用于接收控制器框架2_2下發(fā)的設(shè)定點數(shù)據(jù)信息和反饋數(shù)據(jù)信息，采用PID控制算法實現(xiàn)閉環(huán)控制，并將PID控制的輸出數(shù)據(jù)信息傳送給控制器框架
2-2 ;所述前饋控制器3-2-2用于接收控制器框架2-2下發(fā)的設(shè)定點數(shù)據(jù)信息，經(jīng)前饋控制算法處理，并將前饋控制的輸出數(shù)據(jù)信息傳送給控制器框架2-2 ;所述滑模控制器3-2-3用于接收控制器框架2-2下發(fā)的設(shè)定點數(shù)據(jù)信息和反饋數(shù)據(jù)信息，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法實現(xiàn)閉環(huán)控制，并將滑?？刂频妮敵鰯?shù)據(jù)信息傳送給控制器框架2-2 ;所述濾波器3-2-4用于接收控制器框架2-2下發(fā)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過濾波算法進行濾波處理，并將濾波器的輸出數(shù)據(jù)信息傳送給控制器框架2-2 ；
[0048]所述測量系統(tǒng)子功能模塊族3-3是指包含一系列完成反饋信號檢測與計算功能的子功能模塊集合，主要用于對傳感器檢測信息的處理，測量系統(tǒng)子功能模塊族3-3中子功能模塊由測量系統(tǒng)框架2-3的模塊重構(gòu)器2-3-1根據(jù)測量系統(tǒng)子功能模塊調(diào)度控制信息進行調(diào)度與執(zhí)行；
[0049]所述光柵尺檢測3-3-1用于接收測量系統(tǒng)框架2-3下發(fā)的光柵尺傳感信息，經(jīng)計算處理得到位置數(shù)據(jù)信息，并將其傳送給測量系統(tǒng)框架2-3 ;所述編碼器檢測3-3-2用于接收測量系統(tǒng)框架2-3下發(fā)的編碼器傳感器信息，經(jīng)計算處理得到位置數(shù)據(jù)信息，并將其傳送給測量系統(tǒng)框架2-3 ;所述速度計算3-3-3用于接收測量系統(tǒng)框架2-3下發(fā)的位置信息信息，經(jīng)微分計算等處理得到速度數(shù)據(jù)信息，并將其傳送給測量系統(tǒng)框架2-3 ；
[0050]所述執(zhí)行系統(tǒng)子功能模塊族3-4是指包含一系列完成執(zhí)行功能的子功能模塊集合,主要用于產(chǎn)生驅(qū)動信息,執(zhí)行系統(tǒng)子功能模塊族3-4中子功能模塊由執(zhí)行系統(tǒng)框架2-4的模塊重構(gòu)器2-4-1根據(jù)執(zhí)行系統(tǒng)子功能模塊調(diào)度控制信息進行調(diào)度與執(zhí)行；[0051]所述位置命令轉(zhuǎn)換計算3-4-1用于接收執(zhí)行系統(tǒng)框架2-4下發(fā)的控制器輸出信息，經(jīng)計算處理產(chǎn)生驅(qū)動器能接收的位置命令數(shù)據(jù)信息，并將其傳送給執(zhí)行系統(tǒng)框架2-4 ；所述速度命令轉(zhuǎn)換計算3-4-2用于接收執(zhí)行系統(tǒng)框架2-4下發(fā)的控制輸出信息，經(jīng)計算處理產(chǎn)生驅(qū)動器能接收的速度命令數(shù)據(jù)信息，并將其傳送給執(zhí)行系統(tǒng)框架2-4 ;所述轉(zhuǎn)矩命令轉(zhuǎn)換計算3-4-3用于接收執(zhí)行系統(tǒng)框架2-4下發(fā)的控制器輸出信息，經(jīng)計算處理產(chǎn)生驅(qū)動器能接收的轉(zhuǎn)矩命令數(shù)據(jù)信息，并將其傳送給執(zhí)行系統(tǒng)框架2-4。
[0052]所述的應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1，完成應(yīng)用管理框架1-1與應(yīng)用管理框架硬件接口的數(shù)據(jù)交互；在本實施例的CNC伺服控制系統(tǒng)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)中，所述的應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1包含SCI通信接口驅(qū)動等，主要用于驅(qū)動外部通信接口，完成開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)A與人機界面F的數(shù)據(jù)信息交互；
[0053]所述的功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2，用于完成各功能模塊框架與功能模塊框架硬件接口的數(shù)據(jù)交互；在本實施例的CNC伺服控制系統(tǒng)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)中，所述的功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2，包含執(zhí)行器接口驅(qū)動、傳感器接口驅(qū)動等，主要用于驅(qū)動執(zhí)行器接口和傳感器接口，完成開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)A與驅(qū)動器C和傳感器E的數(shù)據(jù)信息交互。
[0054]所述應(yīng)用管理框架層I只能通過功能模塊框架層2完成對子功能模塊層3中子功能模塊的調(diào)度；所述子功能模塊層3只能通過功能模塊框架層2完成對硬件接口驅(qū)動4-2的調(diào)度。
[0055]所述功能模塊框架層2中的功能模塊框架和子功能模塊層3中的子功能模塊族及子功能模塊，都可以根據(jù)運動控制系統(tǒng)控制需求進行增加、裁剪、修改和調(diào)度；所述功能模塊框架層2中的第M個功能模塊框架(2-M)中的模塊重構(gòu)器(2-M-1)對第M個子功能模塊族(3-M)中的一個或多個子功能模塊進行調(diào)度，實現(xiàn)第M個功能模塊框架的模塊功能重構(gòu)；所述應(yīng)用管理框架層I中的系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度1-1-1對功能模塊框架層2中的一個或多個功能模塊框架進行調(diào)度，實現(xiàn)系統(tǒng)功能任務(wù)的重構(gòu)。
[0056]本發(fā)明的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計可以根據(jù)控制需求實現(xiàn)開放式運動控制系統(tǒng)的快速重構(gòu)，下面以本發(fā)明應(yīng)用于CNC伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計中來說明系統(tǒng)重構(gòu)的方法。如圖2所示，CNC伺服控制系統(tǒng)由開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)A、硬件接口 B、驅(qū)動器C、被控對象D、傳感器E和人機界面F組成；所述的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)A與硬件接口 B相連；所述的硬件接口 B還與驅(qū)動器C、傳感器E和人機界面F分別相連；所述的驅(qū)動器C與被控對象D相連；所述的被控對象D與傳感器E相連；用戶可以根據(jù)不同控制需求對開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)A進行操作，實現(xiàn)開放式運動控制系統(tǒng)的重構(gòu)。例如:
[0057](一)CNC伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)功能任務(wù)的重構(gòu):
[0058]1、一種開環(huán)控制CNC伺服系統(tǒng)的重構(gòu):所述應(yīng)用管理框架層I中的系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度1-1-1只需對功能模塊框架層2中設(shè)定點發(fā)生器框架2-1、執(zhí)行系統(tǒng)框架2-4兩個功能模塊框架進行調(diào)度，即可完成系統(tǒng)功能任務(wù)的重構(gòu)；應(yīng)用管理框架1-1通過應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1接收人機界面F下發(fā)的運動命令，經(jīng)過命令解釋等處理下發(fā)給設(shè)定點發(fā)生器框架2-1處理，生成運動軌跡設(shè)定點信息，再經(jīng)應(yīng)用管理框架1-1將設(shè)定點信息下發(fā)給執(zhí)行系統(tǒng)框架2-4處理，生成驅(qū)動器能接收的驅(qū)動信息，并由執(zhí)行系統(tǒng)框架2-4經(jīng)功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2輸出給驅(qū)動器，最后通過驅(qū)動器C驅(qū)動被控對象D運動與執(zhí)行；[0059]2、一種帶監(jiān)測的開環(huán)控制CNC伺服系統(tǒng)的重構(gòu):基于上述的開環(huán)控制CNC伺服系統(tǒng)，所述應(yīng)用管理框架層I中的系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度1-1-1還需對功能模塊框架層2中測量系統(tǒng)框架2-3進行調(diào)度；應(yīng)用管理框架1-1在完成上述開環(huán)控制時，調(diào)度測量系統(tǒng)框架2-3，并通過功能模塊框架硬件接口驅(qū)動4-2接收傳感器檢測到的被控對象運動信息，經(jīng)測量系統(tǒng)框架2-3中的子功能模塊計算處理得到被控對象的位置速度信息，再由應(yīng)用管理框架1-1經(jīng)應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動4-1傳輸給人機界面F，從而用戶可監(jiān)測到被控對象的實時運行狀況；
[0060]3、一種閉環(huán)控制CNC伺服系統(tǒng)的重構(gòu):基于上述的帶監(jiān)控的開環(huán)控制CNC伺服系統(tǒng)，所述應(yīng)用管理框架層I中的系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度1-1-1還需對功能模塊框架層2中控制器框架2-3進行調(diào)度；應(yīng)用管理框架1-1將設(shè)定點發(fā)生器框架2-1生成的設(shè)定點信息和測量系統(tǒng)框架2-3檢測的反饋信息下發(fā)給控制器框架2-3，并經(jīng)控制器框架2-3控制算法處理，再由應(yīng)用管理框架1-1將控制器框架2-3輸出的數(shù)據(jù)信息下發(fā)給執(zhí)行系統(tǒng)框架2-4進行處理輸出驅(qū)動信息；
[0061]( 二)基于閉環(huán)控制CNC伺服系統(tǒng)，進行功能模塊框架的模塊功能重構(gòu):
[0062]1、按照軌跡類型，通過設(shè)定點發(fā)生器框架2-1調(diào)用設(shè)定點發(fā)生器子功能模塊族
3-1中的直線軌跡規(guī)劃3-1-1、圓弧軌跡規(guī)劃3-1-2、NURBS軌跡規(guī)劃3_1_3中一個或幾個，可以實現(xiàn)被控對象的直線、圓弧或復(fù)雜曲線的軌跡運動；
[0063]2、按照控制策略，通過控制器框架2-2調(diào)用控制器子功能模塊族3-2中的PID控制器3-2-1、前饋控制器3-2-2、滑?？刂破?-2-3、濾波器3_2_4中一個或幾個，可以實現(xiàn)對被控對象不同控制策略需求的控制；
[0064]3、按照控制方式，通過測量系統(tǒng)框架2-2調(diào)用測量系統(tǒng)子功能模塊族3-3中的光柵尺檢測3-3-1、編碼器檢測3-3-2、速度計算3-3-3中一個或幾個，可以實現(xiàn)對被控對象開環(huán)、半閉環(huán)或閉環(huán)控制；
[0065]4、按照驅(qū)動器工作模式，通過執(zhí)行系統(tǒng)框架2-2調(diào)用執(zhí)行系統(tǒng)子功能模塊族3-4中的位置命令轉(zhuǎn)換計算3-4-1、速度命令轉(zhuǎn)換計算3-4-2、扭矩命令轉(zhuǎn)換計算3-4-3中一個，可以讓驅(qū)動工作在位置模式、速度模式或扭矩模式下來實現(xiàn)對被控對象控制。
[0066]本發(fā)明的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，具有很好的開放性、互操作性、可移植性、可縮放性和可互換性，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。通過本發(fā)明用戶可以根據(jù)需要，簡便、快速、可靠地重構(gòu)所需的運動控制系統(tǒng)，減少開發(fā)、維護、升級成本和時間。
[0067]最后說明的是本發(fā)明的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計不局限于上述實施例，還可以做出各種修改、變換和變形。因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改、修飾或等同變化，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的思想和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，至少包括應(yīng)用管理框架層(I)、功能模塊框架層(2)、子功能模塊層(3)和硬件接口驅(qū)動層(4)，其特征在于: 所述應(yīng)用管理框架層(I)至少包括應(yīng)用管理框架(1-1);所述應(yīng)用管理框架(ι-1)至少包括系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度(1-1-1)和管理框架數(shù)據(jù)信息接口(1-1-2)； 所述功能模塊框架層(2)包括多個功能模塊框架，其中第M個功能模塊框架(2-M)至少包括模塊重構(gòu)器(2-M-1)和模塊數(shù)據(jù)信息接口(2-M-2)，其中M為正整數(shù)； 所述子功能模塊層(3)包括多個子功能模塊族，每個子功能模塊族至少包括Ni個子功能模塊，其中Ni為自然數(shù)，其下標(biāo)數(shù)字i與子功能模塊族序號M—一對應(yīng)；所述子功能模塊族序號M與功能模塊框架序號M 對應(yīng)，子功能模塊層(3)中的第M個子功能模塊族(3-M)與功能模塊框架層(2)中的第M個功能模塊框架(2-M)相對應(yīng)； 所述硬件接口驅(qū)動層(4)包括應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動(4-1)和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動(4-2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，其特征在于:所述的系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度(1-1-1)與功能模塊框架層(2)、應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動(4-1)和管理框架數(shù)據(jù)信息接口(1-1-2)分別相連；所述管理框架數(shù)據(jù)信息接口(1-1-2)與功能模塊框架層(2)和應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動(4-1)分別相連；所述應(yīng)用管理框架(1-1)通過系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度(1-1-1)完成功能模塊框架層(2)中各功能模塊框架和應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動(4-1)的調(diào)度與數(shù)據(jù)信息管理；所述應(yīng)用管理框架(1-1)通過管理框架數(shù)據(jù)信息接口(1-1-2)完成各功能模塊框架間以及應(yīng)用管理框架(1-1)與應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動(4-1)之間的數(shù)據(jù)交互。
3.根據(jù)權(quán)利要求1`所述的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，其特征在于:所述功能模塊框架層(2)中的第M個功能模塊框架(2-M)的模塊重構(gòu)器(2-M-1)分別與模塊數(shù)據(jù)信息接口(2-M-2)、子功能模塊層(3)中的第M個子功能模塊族(3-M)和硬件接口驅(qū)動層(4)中的功能模塊框架硬件接口驅(qū)動(4-2)相連；所述模塊數(shù)據(jù)信息接口(2-M-2)與第M個子功能模塊族(3-M)和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動(4-2)分別相連；所述第M個功能模塊框架(2-M)通過模塊重構(gòu)器(2-M-1)完成子功能模塊族(3-M)中各子功能模塊和功能模塊框架硬件接口驅(qū)動(4-2)的調(diào)度與數(shù)據(jù)信息管理；所述第M個功能模塊框架(2-M)通過模塊數(shù)據(jù)信息接口(2-M-2)完成各子功能模塊間及子功能模塊與功能模塊框架硬件接口驅(qū)動(4-2)之間的數(shù)據(jù)交互。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，其特征在于:所述功能模塊框架層(2)中的每個功能模塊框架完成單獨的模塊功能，功能模塊框架之間相互獨立，非直接耦合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，其特征在于:所述子功能模塊層(3)中的第M個子功能模塊族(3-M)中的每個子功能模塊完成單一的子功能，子功能模塊之間相互獨立，非直接耦合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，其特征在于:所述應(yīng)用管理框架硬件接口驅(qū)動(4-1)，用于完成應(yīng)用管理框架(1-1)與硬件接口的數(shù)據(jù)交互；所述功能模塊框架硬件接口驅(qū)動(4-2)，用于完成各功能模塊框架與硬件接口的數(shù)據(jù)交互。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，其特征在于:所述應(yīng)用管理框架層(I)只能通過功能模塊框架層(2)完成對子功能模塊層(3)中子功能模塊的調(diào)度；所述子功能模塊層(3)只能通過功能模塊框架層(2)完成對硬件接口驅(qū)動(4-2)的調(diào)度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，其特征在于:所述應(yīng)用管理框架層(I)中的系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度(1-1-1)對功能模塊框架層(2)中的一個或多個功能模塊框架進行調(diào)度，實現(xiàn)系統(tǒng)功能任務(wù)的重構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，其特征在于:所述功能模塊框架層(2)中的第M個功能模塊框架(2-M)中的模塊重構(gòu)器(2-M-1)對子功能模塊層(3)中的第M個子功能模塊族(3-M)中的一個或多個子功能模塊進行調(diào)度，實現(xiàn)第M個功能模塊框架(2-M)的模塊功能重構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重構(gòu)的開放式運動控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，其特征在于:所述功能模塊框架層(2)中的功能模塊框架和子功能模塊層(3)中的子功能模塊族及子功能模塊，都可以根據(jù)運動控制系統(tǒng)控制需求進行增加、裁剪、修改和調(diào)度，實現(xiàn)開放式運動控制系統(tǒng)的重構(gòu)。`
【文檔編號】G05B19/418GK103676900SQ201310718273
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】陳琳, 鐘文, 潘海鴻, 楊增啟, 黃炳瓊 申請人:廣西大學(xué)