关节片上位置伺服系统控制器的实现

　　目前，具有质量轻、能耗小、控制精度高、集成度高、载荷自重比大的空间机器人，已成为机器人领域的重要研究方向之一.关节内部的永磁同步电机和关节空间的位置伺服，一般采用数字信号处理器(DSP)控制芯片以软件方式实现，这种方法的优点是比较灵活，但占用CPU的时间较多，有时为了提高性能则需采用双DSP的方式。随着微电子技术的发展，采用可编程逻辑器件(FPGA)控制电机逐渐成为主流，由于它以纯硬件的方式进行处理，不占用CPU的资源，因此可以使系统达到很高的性能，并已成功应用在高性能的交流驱动控制器上.

　　例如，文献采用FPGA设计了高性能的速度伺服控制器，Takahashi利用FPGA提高了电流环的带宽，其他一些学者也提出了基于FPGA的运动控制方案.这些设计方案都获得了较高的控制性能，并有一个共同的特点，即仅用FPGA实现了电流控制器或速度控制器，而位置控制算法则由DsP主机来实现，同时没有将FPGA作为控制器延伸到机器人领域中.文献利用FPGA实现了小型机器人的闭环控制系统，但它只实现了双通道或多通道的比例积分微分(PID)算法，没有构成完整的控制器。文献基于FPGA建立了一个新的机器人控制器结构，但它没有实现电机的矢量控制，而且轨迹规划仍然由DSP产生。

　　本文以机器人关节为控制对象，针对表贴式永磁同步电机，利用FPGA实现了关节位置伺服控制的片上系统，不仅实现了电机电流的矢量控制，而且还实现了关节空间的轨迹规划、位置控制及与主控计算机的控制器局域网络(CAN)总线通讯接口，从而提高了关节控制器系统的集成度。

　　1 关节伺服系统总体结构

　　由于机械臂的质量、体积和功耗的限制，每个关节均采用永磁同步电机加谐波减速器的结构.电机为永磁同步电机、分体式结构，谐波减速器采用Harmonic Drive公司的产品，为了便于关节系统走线，防止线缆缠绕，电机和谐波减速器具有大的中心孔，关节设计采用了机电一体化的设计理念，即关节的机械结构设计、电气系统设计以及感知系统设计需以交互、优化的方式并行进行.关节的驱动控制系统由FPGA控制板、电机驱动板、电源板、传感器信号调理电路板以及接口电路板等组成，关节内的知系统由温度传感器、关节位置传感器、关节力矩传感器、电机位置传感器、电机电流传感器等组成。

　　2 关节片上系统的实现

　　2.1 关节片上系统

图一

　　如图1所示，关节片上系统是指采用一片FP—GA芯片来实现关节内部所有传感器信息的采集，对电机的驱动、电机矢量控制、关节空间的轨迹规划、位置控制，以及与主控计算机的CAN总线通讯等控制器参数进行在线调整.利用SOPC Builder工具将NIOS II软核处理器、CAN总线控制器以及编制的电机驱动接口、传感器信息采集接口等电路进行系统集成。