四轴工业机器人嵌入式运动控制器的设计

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1、硕士学位论文四轴工业机器人嵌入式运动控制器的设计ADESIGNOFEMBEDDEDMOTIONCONTROLLERFOR4-AXISINDUSTRIALROBOT刘志伟哈尔滨工业大学2012年7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：2012年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP271.4U.D.C

2、:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringADESIGNOFEMBEDDEDMOTIONCONTROLLERFOR4-AXISINDUSTRIALROBOTCandidate：LiuZhiweiSupervisor：Prof.LiRuifengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineering

3、DateofDefense:July,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology：哈尔滨工业大学工程硕士学位论文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

4、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。其次，介绍了嵌入式运动控制器分布式程序架构，即在

5、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VerilogHDL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VerilogHDL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。电机控制实验主要得出驱动器位置控制

6、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:嵌入式;电路；FPGA；电机闭环控制-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractMotioncontrollertechnologyofindustrialrobothasbeenalwaysres

7、earchfocusofrobotacademicandengineering.Asoneofimportantcomponentsinindustrialrobotsystemandcoreofindustrialrobotcontrolsystem,innovationonmotioncontrollertechnologypromotesindustrialrobottechnologytomoveforward,withroboticsandsystemsbeingmorewidelyusedinmodernindus

8、trialautomatedproduction.ThissubjectcomesfromtheindustrialrobotcontrollerR&DprojectofHaier-HITLabinHIT(HarbinInstituteofTechnology)RobotIn