一种基于FPGA的多轴工业机器人控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于FPGA的多轴工业机器人控制系统，包括轨迹获取单元、运动控制单元、编码器反馈单元、第一矢量控制单元U1至第六矢量控制单元U6和第一PWM输出单元W1至第六PWM输出单元W6。本发明专利技术将工业机器人的两大电控系统，伺服驱动系统和轨迹控制系统合二为一，最大化利用了空间体积，一个FPGA核心单元集成多个PMSM的控制逻辑，并同时实时完成多轴的轨迹规划，节约了资源和成本；采用FPGA作为主控芯片，响应速度快，且FPGA有限状态机的方式，更能灵活处理伺服系统的错误信息和严重警告。此多轴工业机器人控制系统具有较好的实际价值和开阔的应用前景。

A Multi-axis Industrial Robot Control System Based on FPGA

The invention provides a multi-axis industrial robot control system based on FPGA, including a trajectory acquisition unit, a motion control unit, an encoder feedback unit, a first vector control unit U1 to a sixth vector control unit U6 and a first PWM output unit W1 to a sixth PWM output unit W6. The invention integrates two major electronic control systems of industrial robots, servo drive system and trajectory control system, maximizes the use of space volume, integrates control logic of multiple PMSMs with one core unit of FPGA, and simultaneously completes multi-axis trajectory planning in real time, thus saving resources and costs; adopts FPGA as the main control chip, has fast response speed, and the way of finite state machine of FPGA. More flexible handling of servo system error information and serious warning. This multi-axis industrial robot control system has good practical value and broad application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的多轴工业机器人控制系统
本专利技术涉及工业机器人领域，特别是一种基于FPGA的多轴工业机器人控制系统。
技术介绍
《工业制造2025》将机器人行业列入十大重点推动产业之一。21世纪已经全面进入了工业机器人发展的重要时代，随着劳动力的短缺和科学技术突飞猛进的发展，工业机器人将逐渐取代工厂中繁重的人力劳动；工业机器人控制系统和伺服系统共同作为工业机器人三大核心部件之一，在整个工业机器人系统中起着至关重要的作用；现有的工业机器人控制系统大多伺服驱动器与轨迹控制器硬件分立组装，并且在伺服系统中单轴独立驱动，每个轴需要一个伺服驱动器，一个典型的六自由度机器人控制系统要六台大小不同的伺服驱动器和一台轨迹控制器组装而成，这样做的后果是工业机器人不仅增加了成本而且增加了体积，庞大而笨重不便移动严重制约了工业机器人的环境适应能力。更为重要的是，现有工业机器人伺服系统和控制系统多数采用DSP作为运算核心，这种方式严重制约了多轴协同工作的实时性，因此有必要开发和设计一种伺服驱动与轨迹规划硬件一体化的，体积更小，单位功率密度更高，多轴同时并行工作的工业机器人伺服系统。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的上述不足，本专利技术提供了一种基于FPGA的多轴工业机器人控制系统。为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于FPGA的多轴工业机器人控系统，包括轨迹获取单元、运动控制单元、编码器反馈单元、第一矢量控制单元U1至第六矢量控制单元U6、第一PWM输出单元W1至第六PWM输出单元W6；所述的轨迹获取单元的输出端与运动控制单元的一个输入端连接，编码器反馈单元的输出端、视觉反馈的输出端与运动控制单元的另一个输入端连接，运动控制单元的输出端与第一矢量控制单元U1的输入端至第六矢量控制单元U6的输入端连接，第一矢量控制单元U1的输出端至第六矢量控制单元U6的输出端分别与第一PWM输出单元W1的输入端至第六PWM输出单元W6的出入端连接；所述的运动控制单元包括轨迹规划单元，轨迹修正单元，故障保护单元，定距插补单元，RMAC运动规划单元和电子齿轮输出单元；轨迹修正单元的输出端与轨迹规划单元的一个输入端连接，故障保护单元的输出端与轨迹规划单元的另一个输入端连接，轨迹规划单元的输出端与定距插补单元的输入端连接，定距插补单元的输出端与RMAC运动规划单元的输入端连接，RMAC运动规划单元的输出端与电子齿轮输出单元的输入端连接，轨迹修正单元的输入端与视觉反馈单元的输出端、编码器反馈的输出端连接，轨迹规划单元的输入端与轨迹获取单元的输出端连接，电子齿轮输出单元的输出端与第一矢量控制单元U1的输入端至第六矢量控制单元U6的输入端连接；所述的第一矢量控制单元U1至第六矢量控制单元U6结构完全相同，每个矢量控制单元包括电子齿轮输入单元，坐标变换单元，编码器输入单元，电流采样单元，SVPWM发生器单元；电子齿轮出入单元的输入端与运功控制单元的电子齿轮输出端连接，电子齿轮输入单元的输出端与坐标变换单元的一个输入端连接，编码器输入单元的输出端、电流采样单元的输出端与坐标变换的另一个输入端连接，坐标变换单元的输出端与SVPWM发生器单元的输入端连接，SVPWM发生单元的输出端与PWM输出单元的输入端连接。本专利技术采用上述技术方案所具有的有益效果是：将工业机器人的两大电控系统：伺服驱动系统和轨迹控制系统合二为一，三维立体板卡安装结构，最大化利用了空间体积，一个FPGA核心单元集成多个PMSM的控制逻辑，并同时实时完成多轴的轨迹规划，节约了资源和成本；高压功率电源和低压控制电源隔离，控制信号和功率信号隔离，保证了伺服系统安全稳定运行；采用FPGA作为主控芯片，响应速度快，各轴同步度更高，且FPGA有限状态机的方式，更能灵活处理伺服系统的错误信息和严重警告；模块化的硬件结构，使得适配不同功率的电机时只需在电源功率容量允许范围内更换驱动板卡即可即可，并不需要更换主控部分和其他接口模块，因而更具灵活性；具有较好的实际价值和开阔的应用前景。附图说明图1为基于FPGA的多轴工业机器人控制结构示意图；图2为本专利技术的运动控制单元的结构示意图；图3为本专利技术的矢量控制单元的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。如图1所示，一种基于FPGA的多轴工业机器人控系统，包括轨迹获取单元、运动控制单元、编码器反馈单元、第一矢量控制单元U1至第六矢量控制单元U6、第一PWM输出单元W1至第六PWM输出单元W6；所述的轨迹获取单元的输出端与运动控制单元的一个输入端连接，编码器反馈单元的输出端、视觉反馈的输出端与运动控制单元的另一个输入端连接，运动控制单元的输出端与第一矢量控制单元U1的输入端至第六矢量控制单元U6的输入端连接，第一矢量控制单元U1的输出端至第六矢量控制单元U6的输出端分别与第一PWM输出单元W1的输入端至第六PWM输出单元W6的出入端连接；如图2所示，所述的运动控制单元包括轨迹规划单元，轨迹修正单元，故障保护单元，定距插补单元，RMAC运动规划单元和电子齿轮输出单元；轨迹修正单元的输出端与轨迹规划单元的一个输入端连接，故障保护单元的输出端与轨迹规划单元的另一个输入端连接，轨迹规划单元的输出端与定距插补单元的输入端连接，定距插补单元的输出端与RMAC运动规划单元的输入端连接，RMAC运动规划单元的输出端与电子齿轮输出单元的输入端连接，轨迹修正单元的输入端与视觉反馈单元的输出端、编码器反馈的输出端连接，轨迹规划单元的输入端与轨迹获取单元的输出端连接，电子齿轮输出单元的输出端与第一矢量控制单元U1的输入端至第六矢量控制单元U6的输入端连接；如图3所示，所述的第一矢量控制单元U1至第六矢量控制单元U6结构完全相同，每个矢量控制单元包括电子齿轮输入单元，坐标变换单元，编码器输入单元，电流采样单元，SVPWM发生器单元；电子齿轮出入单元的输入端与运功控制单元的电子齿轮输出端连接，电子齿轮输入单元的输出端与坐标变换单元的一个输入端连接，编码器输入单元的输出端、电流采样单元的输出端与坐标变换的另一个输入端连接，坐标变换单元的输出端与SVPWM发生器单元的输入端连接，SVPWM发生单元的输出端与PWM输出单元的输入端连接。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的多轴工业机器人控系统，其特征在于：包括轨迹获取单元、运动控制单元、编码器反馈单元、第一矢量控制单元U1至第六矢量控制单元U6、第一PWM输出单元W1至第六PWM输出单元W6；所述的轨迹获取单元的输出端与运动控制单元的一个输入端连接，编码器反馈单元的输出端、视觉反馈的输出端与运动控制单元的另一个输入端连接，运动控制单元的输出端与第一矢量控制单元U1的输入端至第六矢量控制单元U6的输入端连接，第一矢量控制单元U1的输出端至第六矢量控制单元U6的输出端分别与第一PWM输出单元W1的输入端至第六PWM输出单元W6的出入端连接；所述的运动控制单元包括轨迹规划单元，轨迹修正单元，故障保护单元，定距插补单元，RMAC运动规划单元和电子齿轮输出单元；轨迹修正单元的输出端与轨迹规划单元的一个输入端连接，故障保护单元的输出端与轨迹规划单元的另一个输入端连接，轨迹规划单元的输出端与定距插补单元的输入端连接，定距插补单元的输出端与RMAC运动规划单元的输入端连接，RMAC运动规划单元的输出端与电子齿轮输出单元的输入端连接，轨迹修正单元的输入端与视觉反馈单元的输出端、编码器反馈的输出端连接，轨迹规划单元的输入端与轨迹获取单元的输出端连接，电子齿轮输出单元的输出端与第一矢量控制单元U1的输入端至第六矢量控制单元U6的输入端连接；所述的矢量控制单元包括电子齿轮输入单元，坐标变换单元，编码器输入单元，电流采样单元，SVPWM发生器单元；电子齿轮出入单元的输入端与运功控制单元的电子齿轮输出端连接，电子齿轮输入单元的输出端与坐标变换单元的一个输入端连接，编码器输入单元的输出端、电流采样单元的输出端与坐标变换的另一个输入端连接，坐标变换单元的输出端与SVPWM发生器单元的输入端连接，SVPWM发生单元的输出端与PWM输出单元的输入端连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的多轴工业机器人控系统，其特征在于：包括轨迹获取单元、运动控制单元、编码器反馈单元、第一矢量控制单元U1至第六矢量控制单元U6、第一PWM输出单元W1至第六PWM输出单元W6；所述的轨迹获取单元的输出端与运动控制单元的一个输入端连接，编码器反馈单元的输出端、视觉反馈的输出端与运动控制单元的另一个输入端连接，运动控制单元的输出端与第一矢量控制单元U1的输入端至第六矢量控制单元U6的输入端连接，第一矢量控制单元U1的输出端至第六矢量控制单元U6的输出端分别与第一PWM输出单元W1的输入端至第六PWM输出单元W6的出入端连接；所述的运动控制单元包括轨迹规划单元，轨迹修正单元，故障保护单元，定距插补单元，RMAC运动规划单元和电子齿轮输出单元；轨迹修正单元的输出端与轨迹规划单元的一个输入端连接，故障保护单元的输出端与轨迹规划单元的另一个输入端连接，轨迹...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明煜，何佳欢，詹志平，黄继业，傅煌培，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33