基于EtherCAT总线的六轴机器人控制系统研发

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1、硕士学位论文基于EtherCAT总线的六轴机器人控制系统研发作者姓名田世鹏学科专业控制理论与控制工程指导教师史步海教授所在学院自动化科学与工程学院论文提交日期2018年4月13日ResearchandDevelopmentofSix-axisRobotControlSystemBasedonEtherCATBusADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：TianshipengSupervisor：Prof.ShibuhaiSouthChinaUniversi

2、tyofTechnologyGuangzhou,China分类号：TP273学校代号：10561学号：华南理工大学硕士学位论文基于EtherCAT总线的的六轴机器人控制系统研发作者姓名：田世鹏指导教师姓名、职称：史步海教授申请学位级别：硕士学科专业名称：控制理论与控制工程研究方向：工业机器人控制论文提交日期：2018年04月13日论文答辩日期：2018年06月04日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：黄道平委员：史步海李向阳孙宗海哀薇摘要进入21世纪，机器人种类越来越多，机器人的应用面也

3、越来越广。国际机器人协会(IFR)的资料则显示，中国已是全球最大的工业机器人制造国，供应全球27%市场，同时也是最大的机器人消费国，中国工厂2015年采购工业机器人的支出超过30亿美元。尽管机器人产业飞速发展，但是国内生产水平与国外先进公司的技术仍有很大差距，并且很多精密零部件，均依赖进口。国内对机器人的研究起步晚，掌握的核心技术少，但近年来随着国家对机器人工业的重视，我国的机器人产业也进入了快速发展期。因此关于机器人系统的研究，对推动我国发展工业和制造业具有深远的意义。本课题阐述了EtherCAT的组成、工作原理及通

4、信协议，并提出了一种创新型的伺服电机控制方案，并应用于实践。系统方案中使用全新XMC4800系列32位微控制器作为EtherCAT从站控制器（ESC），采用TwinCAT3和工业控制机(IPC)分别作为EtherCAT主站，与EtherCAT从站进行多组通信测试与控制实验。采用具有丰富的引脚资源和强大的逻辑运算能力的现场可编程器件FPGA作为指令解析、脉冲分发和接收编码器信息的核心器件。本课题创新性的提出将EtherCAT从站节点与FPGA伺服控制电路集成于一体，利用AltiumDesigner电路设计软件绘制电路原理

5、图，制作PCB板，焊接、调试硬件板卡，并设计软件算法和程序配置。将本课题设计的硬件平台和软件配置作为新型伺服控制系统。XMC4800与FPGA之间通过SPI全双工通信，FPGA还与伺服驱动器CN1接口相连接。IPC或TwinCAT3通过EtherCAT通信下发控制指令等信号至XMC4800，FPGA通过SPI通信获取该控制指令，并将控制指令解析成与伺服驱动器匹配的脉冲信号和电平信号，同时接收伺服驱动器返回的编码器数据等信息，FPGA读取返回数据之后再通过SPI发回XMC4800，最终再通过EtherCAT通信反馈至IP

6、C或TwinCAT3。本系统能够实现伺服电机的全闭环精确控制，控制精度高达0.072°，在机械臂中使用谐波减速装置，将更大的提高控制精度。实验结果表明，本文设计的系统方案可提高工业机器人控制的稳定性，快速性和精确性。关键词：工业机器人；EtherCAT；XMC4800；FPGA；控制系统IAbstractInthe21stcentury,withtheincreasingtypesofrobots,Applicationofrobotsiswidelyused.AccordingtotheInternationalFe

7、derationofRobotics(IFR),Chinahasbecometheworld'slargestindustrialrobotmanufacturingcountry,and27%globalmarketsuppliedbyChina.AndChinaalsoisthelargestrobotconsumer.Chinesefactoriesspentmorethan$3billiononindustrialrobotsin2015.Despitetherapiddevelopmentoftherobot

8、industry,domesticproductionlevelisstillinsufficientcomparedwithforeignadvancedtechnologycompanies.Andmanyprecisionpartsaredependentonimports.Therefore,thestudyofthero