[发明专利]基于FPGA的模块化双关节伺服控制系统

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的模块化双关节控制系统。 

背景技术

随着机器人技术发展，对机器人系统的性能要求越来越高，不仅要求具有快速的响应特性，较高的跟踪精度，而且要求具有良好的通用性和扩展性。作为机器人执行机构的直接驱动者，关节控制器是整个系统中关键的一点。目前关节控制系统大多采用基于ARM、DSP平台实现，这些控制系统集成度低、系统复杂，已经不能满足现代工业和社会发展的要求。 

随着机器人体系结构的发展，机器人模块化的研究也得到了长足的发展，模块化机器人是由一个个独立的功能相同或者相似的模块重组而成，要求每个模块的适用性高，抗干扰性强；机器人小型化也是发展的一个重要趋势，传统的单关节控制器使得机器人体型庞大、控制不灵活；传统的PID单闭环控制方法收非线性因素影响严重，适应性差。 

仅用电机驱动器进行PID参数自整定不能满足系统的适用性、稳定性要求。 

发明内容

为了解决机器人的控制器部分结构复杂、体积庞大、集成度低的问题，本发明提供了一种基于FPGA的模块化双关节伺服控制系统的设计方法。 

本发明的基于FPGA的模块化双关节伺服控制系统，包括关节核心控制单元、CAN总线通信模块、电机驱动输出模块、旋变测角模块、力矩测量模块、DC/DC模块，关节核心控制单元包括NIOSII软核处理器、Avalon总线、CAN总线接口电路、串口接口电路I、PID控制器I、旋变解算接口电路、A/D接口电路、FIFO和看门狗电路，CAN总线通信模块包括CAN总线控制器I和总线驱动器I，电机驱动模块包括电机电源开关控制电路、串口通信电路，旋变测角模块包括旋变励磁产生单元和旋变信号解算单元，力矩测量模块包括电桥测量电路、放大器、A/D转换电路。上位机通过CAN总线和关节核心控制单元进行通信，关节核心控制单元通过电机驱动模块的串口向电机驱动器发送指令，再由电机驱动器控制电机，同时反馈电机的位置信息。关节核心控制单元用于数据的存储、交换等处理，同时设计了与外设的接口逻辑，如与CAN总线控制器之间的访问时序、双通道旋变解算、力矩测量信号滤波等，均在片内采用硬件描述语言Verilog HDL实现；CAN总线通信模块用于接收上位机的指令信息，同时向上位机反馈各种状态信息；电机驱动模块用于接收控制器的命令来控制电机驱动器；力矩测量模块用来测量转矩；旋变测角模块用作角度传感器，包括旋变励磁产生和解算模块，通过产生旋变的励磁信号和对旋变输出的正余弦信号进行解算获得电机和关节的角度信息； DC/DC模块用于将直流电源变换为关节控制器所需要的各种二次电源。 

本发明的基于FPGA的模块化双关节伺服控制系统，它是基于上述控制系统实现的，所述控制方法的控制过程为： 

在系统中通过关节核心控制单元的双闭环PID控制器，实现对关节电机的控制。上位机给出位置指令，经过双闭环的最外环位置环控制器后，转化成速度指令通过串口通信电路发送给电机驱动器，同时利用神经元网络对速度环的PID参数进行在线整定。

本发明的有益效果：本发明提供了一种可靠性高和小型化的基于FPGA的模块化双关节伺服控制系统；本发明集机械系统、通信系统、驱动系统和传感系统为一体组成了关节控制器；本发明的两路电机驱动输出模块、双通道多级旋转变压器等实现了一个控制器对双关节的控制；本发明的双闭环PID控制器实现了对关节电机的伺服控制；本发明的基于神经元网络的PID参数自整定，提高了系统的适用性和稳定性。 

附图说明

图1是应用本发明的基于FPGA的模块化双关节伺服控制系统的结构示意图，其中，8和12为电机驱动器，9和13为电机，10为双通道旋转变压器，10-1为双通道旋转变压器I，10-2为双通道旋转变压器II，图2为双闭环PID控制策略图，图3为基于BP神经网络的PID整定。 

具体实施方法