本发明专利技术的基于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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人领域，具体涉及一种基于FPGA的模块化双关节控制系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术提供了一种基于FPGA的模块化双关节伺服控制系统的设计方法。本专利技术的基于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。本专利技术的基于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。本专利技术的有益效果本专利技术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；本专利技术集机械系统、通信系统、驱动系统和传感系统为一体组成了关节控制器；本专利技术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；本专利技术的双闭环PID控制器实现了对关节电机的伺服控制；本专利技术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是应用本专利技术的基于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。具体实施方法具体实施方式一根据说明书附图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于FPGA的模块化双关节伺服控制系统，包括关节核心控制单元1、CAN总线通信模块2、电机驱动输出模块3、旋变测角模块4、力矩测量模块5、DC/DC模块6，关节核心控制单元1包括 NIOSII软核处理器1-1、Avalon总线1-2、CAN总线接口电路1-3、旋变解算接口电路1-6、 A/D接口电路1-7、FIF01-8, CAN总线通信模块2包括CAN总线控制器12-1和总线驱动器 12-2，电机驱动模块3包括电机电源开关控制电路3-1和串口通信电路3-2，力矩测量模块 5包括电桥测量电路5-1、放大器5-2、A/D转换电路5-3 ；上位机C通过CAN总线2和关节核心控制单元1进行通信，关节核心控制单元1通过电机驱动模块3的串口 3-2向电机驱动器8发送指令，电机驱动器8最终控制电机9，同时反馈电机9的位置信息；关节核心控制单元1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总线接口电路1-3、旋变解算接口电路1-6、A/D接口电路1-7等，均在片内利用Verilog HDL实现； CAN总线通信模块2用于控制CAN总线，实现关节控制器1和上位机C的通信，CAN总线用于接收上位机C的指令信息，同时反馈各种状态信息；电机驱动模块3用于接收控制器1的命令来控制电机驱动器8 ；力矩测量模块5利用电桥测量电路5-1、放大器5-2、A/D转换电路5-3来测量转矩；旋变测角模块4用作角度传感器；DC/DC模块6用于将直流电源变换为关节控制器1所需要的各种二次电源。本具体实施方式中，在FPGA板上实现了关节空间的位置控制、CAN总线电路的控制，同时用电源板实现电机驱动输出模块，采用PCB板间电连接器进行互联，旋变测角模块、力矩测量模块、DC/DC模块同时分布于FPGA板、电源板上，减少了双关节控制器中不同特性电路之间的耦合和干扰。本实施方式中，中央控制计算机作为上位机，双关节控制器作为下位机，通过CAN总线互联，组成上下位机、分布式的控制网络。本具体实施方式中，旋变测角模块4包括旋变励磁产生单元4-1和旋变信号解算单元4-2，旋变励磁产生单元4-1产生部分需要的正弦波，作为双通道旋转变压器10-1的输入信号，同时为旋变解算单元4-2提供用于相位同步的参考信号，双通道旋转变压器10-1 输出信号到旋变解算单元4-2中，再经过旋变解算接口电路1-6的转换把采集到的电机和关节的角度信息输出给关节核心控制单元1中。双通道旋转变压器I是由一个多极旋转变压器(精机)和一个单机旋转变压器(粗机)集成在一起，粗机和精机各对应一个旋变信号解算器，即旋变解算单元4-2中包含两个旋变信号解算器，旋变解算接口电路1-6同时把两个旋变信号解算器的信息采集过来，经过分析运算后得到角度信息。本具体实施方式中，关节核心控制单元1中的A/D接口电路1-7、FIF01-8用来转换从力矩测量模块5中采集到的转矩信息。力矩测量模块5中的电桥测量电路15-1用于采集关节力矩，信号经过放大器15-2放大后发送给A/D转换电路5-3，一方面可以信号可以经过A/D接口电路1-7，转换成NIOSII可以使用的信号，另一方面也可以经过A/D接口电路 1-7和FIF01-8求和得到NIOSII可以使用的信号。具体实施方式二，本具体实施方式与具体实施方式一的区别在于，关节控制器实现了对本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．基于ＦＰＧＡ的模块化双关节伺服控制系统，其特征在于它包括关节核心控制单元１、ＣＡＮ总线通信模块２、电机驱动输出模块３、旋变测角模块４、力矩测量模块５、ＤＣ／ＤＣ模块６，关节核心控制单元１包括ＮＩＯＳＩＩ软核处理器１－１、Ａｖａｌｏｎ总线１－２、ＣＡＮ总线接口电路１－３、旋变解算接口电路１－６、Ａ／Ｄ接口电路１－７、ＦＩＦＯ１－８，ＣＡＮ总线通信模块２包括ＣＡＮ总线控制器Ｉ２－１和总线驱动器Ｉ２－２，电机驱动模块３包括电机电源开关控制电路３－１和串口通信电路３－２，力矩测量模块５包括电桥测量电路５－１、放大器５－２、Ａ／Ｄ转换电路５－３；上位机Ｃ通过ＣＡＮ总线２和关节核心控制单元１进行通信，关节核心控制单元１通过电机驱动模块３的串口３－２向电机驱动器８发送指令，电机驱动器８最终控制电机９，同时反馈电机９的位置信息；关节核心控制单元１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总线接口电路１－３、旋变解算接口电路１－６、Ａ／Ｄ接口电路１－７等，均在片内利用Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ实现；ＣＡＮ总线通信模块２用于控制ＣＡＮ总线，实现关节控制器１和上位机Ｃ的通信，ＣＡＮ总线用于接收上位机Ｃ的指令信息，同时反馈各种状态信息；电机驱动模块３用于接收控制器１的命令来控制电机驱动器８；力矩测量模块５利用电桥测量电路５－１、放大器５－２、Ａ／Ｄ转换电路５－３来测量转矩；旋变测角模块４用作角度传感器；ＤＣ／ＤＣ模块６用于将直流电源变换为关节控制器１所需要的各种二次电源。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孙汉旭，贾庆轩，叶平，张延恒，张丹，魏楠哲，史翰林，李思，曾祥宇，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：11
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