[发明专利]基于FPGA的数字化关节片上控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种基于FPGA的数字化关节片上控制系统。

背景技术

机器人的发展已从过去的工业机器人领域延伸到服务机器人和空间机器人领域，新一代机器人的设计目标是质量轻、输出力矩大、具有多种感知和自学习能力，这样的特点不可避免地增强了控制任务的复杂性，对关节伺服控制系统的设计提出了更加苛刻的要求。电机是关节伺服控制系统的执行部件，随着微电子技术和电机控制的快速发展，电机的控制经历了模拟控制阶段、基于微处理器的控制阶段、基于DSP+FPGA的控制阶段以及基于FPGA控制的四个阶段。

模拟控制方案尽管采用基于微处理器的数字控制策略，然而脉宽调制PWM信号的产生、电流环的调节，仍由模拟电路实现，该方案的优点是响应快，但存在着抗干扰能力低、占用的空间较大、电路复杂、功能单一等缺点；基于DSP的控制方案具有电路简单、软件控制、灵活性高的优点，可适应各种场合，然而脉宽调制PWM信号的产生、电流环的实现需要更高的采样率来获得更大的带宽；基于DSP和FPGA的混合控制方式，具有灵活性更高，功能更强的优点，然而整个系统复杂，开发缓慢；内嵌微处理器的FPGA控制方案实现了真正的片上系统，提供了可靠性更高、性能更强、开发快捷的控制方案。

目前机器人关节一般采用基于DSP和FPGA的混合控制方式实现关节信息采集和控制，但其系统复杂，集成度低，且开发周期长。

发明内容

为了解决现有的机器人关节控制系统集成度低的问题，本发明提供了一种基于FPGA的数字化关节片上控制系统。

本发明的基于FPGA的数字化关节片上控制系统，它包括NIOS II软核处理器、Avalon总线模块、CAN总线软核控制器、关节电机驱动电路、关节电机电流矢量控制电路和关节传感器信息采集SPI接口电路，CAN总线软核控制器包括第一CAN总线软核控制器，关节电机驱动电路包括正弦波SPWM生成电路，关节电机电流矢量控制电路包括码盘接口电路、电机位置坐标变换电路、电机相电流采集接口电路和电机电流环调节电路；NIOS II软核处理器的通讯端通过Avalon总线模块分别连接到第一CAN总线软核控制器的通讯端、关节电机驱动电路的通讯端、关节电机电流矢量控制电路的通讯端和关节传感器信息采集SPI接口电路的通讯端，码盘接口电路的信号输出端连接电机位置坐标变化电路的信号输入端；NIOS II软核处理器，用于上位机发出的关节动作命令的解算，实现与上位机的CAN总线通讯协议，还用于执行解算的命令，调整控制参数，实现关节空间的轨迹规划、关节空间控制参数的管理以及关节空间的位置、力矩和阻抗控制；CAN总线软核控制器，用于将关节空间信息通过CAN总线接口电路传送给上位机，还用于将上位机的控制命令和数据信息通过Avalon总线模块发送给NIOS II软核处理器；关节电机驱动电路，用于输出驱动关节电机工作的正弦波信号或方波信号；码盘接口电路，用于传输被测量的电机位置信息和转速信息；电机位置坐标变化电路，用于对测量获得的电机位置信息进行坐标变换；电机相电流采集接口电路，用于传输被采集的电机相电流；关节传感器信息采集SPI接口电路，用于传输包括位置和力矩的关节空间信息。

本发明的有益效果：本发明提供了一种集成度高和开发周期短的基于FPGA的数字化关节片上控制系统；本发明采用一片FPGA芯片实现了关节空间信息的采集、关节电机驱动、关节控制和CAN总线通讯等内容；本发明在FPGA中嵌入了NIOS II软核处理器，所述NIOS II软核处理器通过Avalon 总线模块实现了对各接口电路的访问，同时在所述NIOS II软核处理器中实现了关节空间的轨迹规划、位置控制、力矩控制等运算处理功能；本发明的各接口电路实现了电机的矢量控制、传感器采集等功能，实现了基于FPGA的数字化关节片上系统。

附图说明

图1是应用本发明的基于FPGA的数字化关节片上控制系统的关节伺服控制系统结构示意图，其中，8为关节、8-1为电机、8-2为减速器、8-3为连杆、9为H桥、10为码盘信号电路、11为电机相电流采集电路、12为传感器采集电路、13为看门狗电路、14为CAN总线接口电路和15为霍尔信号电路，图2是具体实施方式四中的电机位置坐标变换电路5-2的原理示意图，图3是具体实施方式四中的电机电流环调节电路5-4的原理示意图，图4是具体实施方式四中的正弦波SPWM生成电路原理示意图。

具体实施方式