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1、 硕士学位论文硕士学位论文 四轴工业机器人嵌入式 运动控制器的设计 A DESIGN OF EMBEDDED MOTION CONTROLLER FOR 4-AXIS INDUSTRIAL ROBOT 刘志伟刘志伟 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2012 年年 7 月月 国内图书分类号：TP271.4 学校代码：10213 国际图书分类号：621 密级：公开 工程工程硕士学位论文硕士学位论文 四轴工业机器人嵌入式 运动控制器的设计 硕 士 研 究 生 ： 刘志伟 导 师 ： 李瑞峰 教授 申请学位 ： 全日制工程硕士 学科 ： 机械工程 所 在 单 位 ： 机电工程学院 答 辩 日 期 ： 2
2、012 年 7 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 Classified Index: TP271.4 U.D.C: 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering A DESIGN OF EMBEDDED MOTION CONTROLLER FOR 4-AXIS INDUSTRIAL ROBOT Candidate： Liu Zhiwei Supervisor： Prof. Li Ruifeng Academic Degree Applied for： Master of Engineering Specialty： Mechan
3、ical Engineering Affiliation： School of Mechatronics Engineering Date of Defense: July, 2012 Degree-Conferring-Institution： ：Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - I - 摘 要 工业机器人运动控制器技术一直是机器人学术及工程领域的研究热点。随着机器人技术与系统在现代工业自动化生产中越来越广泛的应用，作为工业机器人系统重要的功能部件之一和工业机器人控制系统的核心，运动控制器技术的创新推动工业机器人技术向前发展。本
4、课题来源于哈工大机器人研究所海尔-哈工大实验室工业机器人控制器研发项目，旨在设计一款面向通用型四轴工业机器人，具有自主知识产权，低成本的嵌入式运动控制器。 本文主要介绍了该四轴工业机器人嵌入式运动控制器的研究与实现。 首先，介绍了嵌入式运动控制器基于“ARM9 主处理器+多 FPGA 协处理器”硬件架构的特点，并围绕核心处理器，针对松下 A4 数字式交流伺服驱动器，设计了各个电路模块。这些电路模块分别实现四路位置脉冲信号输出、四路增量式正交编码器信号输入、四路模拟电压信号输出及开关量信号输入输出。在电路设计中，采用光耦隔离、单端-差分信号转化及继电器电路，避免运动控制器受到来自驱动器的干扰。
5、其次，介绍了嵌入式运动控制器分布式程序架构，即在 ARM9 中完成机器人运动轨迹插补和运动学逆运算，在 FPGA 中实现底层关节电机闭环控制。本课题进行了基于 FPGA 的 Verilog HDL 程序设计。实现了 FPGA 与 ARM9 的 SPI 总线通信接口、FPGA 与数模转换电路的接口、FPGA 与驱动器位置脉冲信号和编码器信号的接口及开关量信号接口。并采用并行设计的方法，在 FPGA 中用 Verilog HDL 语言实现电机闭环控制位置环 PID 控制算法。通过在 FPGA 中用硬件描述语言实现电机闭环控制，可实现多轴并行控制及更高的可靠性。 最后，介绍了运动控制器电机控制实验。
6、电机控制实验主要得出驱动器位置控制模式及速度控制模式下，运动控制器对电机进行位置闭环控制的精度。通过位置脉冲输出及数模转换电路模拟电压输出两个单元实验分别评估了运动控制器位置脉冲输出精度以及模拟电压输出精度。在两个单元实验的基础上，对伺服驱动器及运动控制器的控制参数进行整定后，分别进行了驱动器在上述两种控制模式下的电机控制实验，得出电机位置控制精度。 关键词关键词:嵌入式; 电路；FPGA；电机闭环控制 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - II - Abstract Motion controller technology of industrial robot has been always
7、 research focus of robot academic and engineering. As one of important components in industrial robot system and core of industrial robot control system, innovation on motion controller technology promotes industrial robot technology to move forward, with robotics and systems being more widely used
8、in modern industrial automated production. This subject comes from the industrial robot controller R (3) 4 路正交增量式编码器信号输入，每路包括 A/B/Z； (4) 4 路驱动器控制模式配置 IO 信号，每路包括输出开关量信号伺服使能、正转行程限位、反转行程限位，输入开关量信号伺服准备输出、伺服报警输出、制动器解除输出； (5) 8 通道扩展开关量输入输出信号； (6)驱动器位置控制模式下运动控制器伺服周期可达 50s500s。 本文综合国内外通用工业机器人运动控制器架构特点，基于嵌入式
9、硬件、软件系统的设计思想，详细介绍了四轴工业机器人嵌入式运动控制器的硬件电路设计及电机闭环控制软件程序设计，并通过电机控制实验得出运动控制器电机位置控制特性及精度。论文主要内容分为 4 章展开： 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 7 - 第 1 章是关于工业机器人运动控制器研制的背景介绍。归纳介绍了国内外工业机器人运动控制器发展阶段、研究现状及发展趋势，并总结了运动控制器研究设计中面临的关键性内容。 第 2 章具体介绍了运动控制器硬件电路的设计。首先简要介绍了硬件架构的选择与设计，然后详细叙述了各个单元电路的设计和具体功能。 第 3 章详细介绍了该嵌入式运动控制器核心软件程序的设计。首先简要
10、介绍了程序总体架构的选择，然后重点叙述了基于 FPGA 的多轴电机位置闭环控制各个单元模块的设计与仿真。 第 4 章为嵌入式运功控制器电机位置控制实验。首先，验证了两个关键单元电路及程序模块的功能，然后介绍了驱动器两种控制模式下电机位置控制实验，得出电机位置控制特性及定位精度。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 8 - 第2章 嵌入式运动控制器硬件设计 2.1 嵌入式运动控制器硬件核心架构 2.1.1 运动控制器核心控制芯片 第 1 章中关于运动控制器核心芯片的论述表明，欲实现独立于 PC 或 IPC 运行的功能，运功控制器核心处理器必须具备多事件管理能力。同时，由于 ARM架构的不断演进，
11、半导体工艺的不断提高，新一代 ARM 的主要技术指标不断提高主频由几十兆赫兹提高至几百兆赫兹，时钟周期大幅度降低；采用了改进型哈佛结构，能够同时进行数据读写操作和取指操作36；流水线级数不断增加，提高了 ARM 并行处理能力；增加了增强型硬件乘法器设计，它的数字信号处理能力进一步增强，能够实现一些复杂的运动控制算法。因此，本课题选择 ARM作为运动控制器主处理器。 对于机器人多轴运动控制器，需要处理器具备多管脚输入输出能力，以实现电机编码器信号处理、位置脉冲及速度模拟电压输出等基本功能。FPGA 作为专用集成电路领域中的一种半定制电路，具有丰富的输入输出模块，既满足了 IO扩展的要求，又通过在
12、大规模门电路基础上的硬件编程语言程序设计，解决了专用 IO 扩展集成电路的不足，实现了输入输出功能的灵活配置。同时，FPGA 具备其它处理器没有的并行处理能力，十分适合多轴运动控制系统同步性和实时性的要求32。因此，本课题选择 FPGA 作为运动控制器协处理器，与 ARM 配合完成机器人运动控制任务。 2.1.2 “ARM 主处理器+多 FPGA 协处理器”通信总线 “ARM 主处理器+多 FPGA 协处理器”架构最主要的特点是 ARM 与各FPGA 之间通过总线直接进行数据交互。FPGA 上的总线接口可通过硬件描述语言（HDL）编程实现，不同的逻辑时序可实现不同通信协议总线接口。但对于具体厂
13、家的 ARM 处理器，都根据一定知识产权内核定制设计生产，所以其外围总线接口种类是有限的，无法根据运动控制器具体设计要求来选择。两种处理器之间通信总线通常分为两种：一种是并行总线，一种是串行总线。对于并行总线，传输的数据具有更高的位宽，故效率更高；但并行传输的前提是用同一时序发送信号，用同一时序接收信号，而过分提升时钟频率，当布线长度稍有差异，各位二进制数据就会以与时钟不同的时序送达，即数据传送的与时钟没有合拍；另哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 9 - 外，提升时钟频率容易引起信号线之间的相互电磁干扰，导致传输错误，因此，并行方式总线难以实现高速化37。同时，从电路板设计制造的角度来讲，增
14、加位宽会导致电路板布线的困难及电路板层数的增加，成本随之攀升。基于串行 IO的总线设计带来许多传统并行方式所没有的优点，包括更少的器件引脚、更低的电路板空间要求、更少的印刷电路板层数、更容易进行 PCB 布局布线、更小的电磁干扰及更强的抗噪声能力等。因此，选择串行总线作为 ARM 和 FPGA 之间的通信载体对于有多个 FPGA 协处理器模块的运动控制器更为合适。由于 ARM 处理器上有专用 SPI(Serial Peripheral Interface) 接口，SPI 通信速率可达 25Mbps，满足机器人运动控制通信速率要求，可作为该嵌入式运动控制器第一代样机主、协处理器通信接口。 2.2
15、 嵌入式运动控制器硬件功能单元设计 本课题所设计的运动控制器的直接控制对象为松下 A4 数字式交流伺服电机驱动器，通过写入相应配置信号，该驱动器可工作在位置、速度及转矩三种控制模式下。针对该驱动器控制电机的特点，以“ARM 主处理器+多 FPGA 协处理器”为核心，嵌入式运动控制器具备以下功能：人机交互、位置控制模式脉冲输出、编码器信号处理、速度模式模拟量输出、驱动器控制模式配置 IO（基本IO）功能、扩展 IO 功能。硬件系统的整体结构体系如图 2-1 所示。ARM 核心板为上位主处理器电路板，通过 SPI 高速串行接口总线与下位协处理器 FPGA1 和FPGA2 进行数据交换。FPGA1
16、负责各个关节电机伺服控制，输出数字量控制DAC，输出位置脉冲，接收编码器信号；FPGA2 负责电机驱动器控制模式配置IO 信号的处理以及扩展 IO 信号的处理。 ARM 核心板JTAGLCD及 触摸 屏USBSDFPGA1 最小 系统板电机驱动 器接口光耦 编码器信号四路脉冲信号FPGA2 最小 系统板DAC数字量模拟量电机驱动 器接口基本IO信号光耦/继 电器光耦/继 电器扩展IO信号其它设备 接口SPI串行总线图 2-1 硬件系统结构框图 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 10 - 2.2.1 运动控制器核心及其外围基本电路 嵌入式运动控制器的核心处理芯片为 ARM 和 FPGA。一款名为 mini2416 的ARM 核心板被集成到嵌入式运动控制器电路低板上。该核心板采用三星S3C2416 CPU，扩展了存储容量为 128Mb Nand Flash 以及 64Mb 的
