基于DSP+FPGA伺服实现工业机器人多轴控制的方法

摘要

本发明公开了基于DSP+FPGA伺服实现工业机器人多轴控制的方法，包括FPGA、DSP和伺服驱动器电路，方法包括：FPGA采集编码器数据，通过EMIF接口发送编码器数据和电流数据给DSP；DSP计算位置控制PI环和速度控制PI环，得到设定电流，通过EMIF接口发送设定电流给FPGA；FPGA进行电流环控制，采用电机控制算法计算输出占空比，输出占空比驱动电机的功率开关管，控制电机转动。在不增加DSP数量的情况下，通过增加1片FPGA，并且将电流环放入到FPGA，节省了DSP资源，节省了成本；提高了控制性能，实现更快的电流控制响应；解决了DSP中PWM外设及ADC外设有限的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及工业机器人控制技术领域，具体的说，是一种基于DSP+FPGA伺服实现工业机器人多轴控制的方法。

背景技术

现有技术中，工业机器人伺服驱动器常用的架构为纯DSP控制方案，DSP实现PWM外设功能、DSP实现电流采样、DSP实现编码器位置采取以及DSP通过PWM直接去控制电机驱动电路，从而控制电机的转动。但是，DSP中PWM外设及ADC外设有限，如采用双CPU的DSP最多只控制4台电机，若需控制更多的电机则需增加DSP数量。当控制多台电机比如实现8-10台电机控制时，则需要24-30个PWM外设、16-20个ADC电流采样外设、需要8-10个485通信模块，这样往往需要使用3片甚至更多的DSP芯片来实现10台电机控制，而且各轴电机控制的同步性可能会受到影响。现有技术中最常见的做法是使用10片DSP控制10台电机，导致成本较高且各轴电机控制的同步性受到影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于DSP+FPGA伺服实现工业机器人多轴控制的方法，用于解决现有技术中DSP中PWM外设及ADC外设有限，需要多片DSP控制多台电机的问题。

本发明通过下述技术方案解决上述问题：

一种基于DSP+FPGA伺服实现工业机器人多轴控制的方法，包括FPGA、DSP和伺服驱动器电路，包括：

步骤S100：FPGA采集编码器数据，通过EMIF接口发送编码器数据和电流数据给DSP；

步骤S200：DSP计算位置控制PI环和速度控制PI环，得到设定电流，通过EMIF接口发送设定电流给FPGA；

步骤S300：FPGA进行电流环控制，采用电机控制算法计算输出占空比，输出占空比驱动电机的功率开关管，控制电机转动。

本发明在不增加DSP数量的情况下，通过增加1片FPGA，并且将电流环放入到FPGA，节省了DSP资源，节省了成本；将伺服控制的电流控制PI环及电机控制算法集成到了FPGA，FPGA实现了PWM外设、实现了∑-Δ电机电流采样，从而解决了DSP中PWM外设及ADC外设有限的问题；且由于FPGA在电机控制周期内能多次对电流信号进行滤波处理，可以得到更加准确的电流信号，相比DSP外设一个周期内往往只能采集一次，本发明提高了控制性能，实现更快的电流控制响应。

所述步骤S200中DSP根据接收的编码器数据计算位置控制PI环：

其中，u

DSP通过反馈的编码器数据计算出速度反馈量，实现速度控制PI环：

其中，u′

得到速度控制PI环的输出，即设定电流。

所述步骤S300中FPGA根据采集的电机电流和DSP发送的设定电流，计算电流环的输出：

其中，u″

FPGA根据电流环的输出及电机控制算法SVPWM计算占空比：

vα＝v

v

其中，v

由v

其中，T

计算中间变量

得到：

T

FPGA按照占空比输出变量进行PWM脉宽调制，控制驱动芯片，实现开关功率器件脉宽调制，控制电机转动。

所述步骤S100中FPGA采用编码器协议采集编码器数据，编码器协议包括包含读取多圈命令、读取单圈命令、读取全数据命令、读取编码器故障命令和清除故障报警命令；编码器数据包括单圈数据、多圈数据、位置信号和故障报警。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明将伺服控制的电流控制PI环及电机控制算法集成到了FPGA，FPGA实现了PWM外设、实现了∑-Δ电机电流采样，从而解决了DSP中PWM外设及ADC外设有限的问题，在不增加DSP数量的情况下，通过增加1片FPGA，即1片DSP+1片FPGA可以实现了10台电机的控制；将电流环放入到FPGA，节省了DSP资源，节省了成本，且FPGA在100us电机控制周期内能多次对电流信号进行滤波处理，可以得到更加准确的电流信号，对改善控制性能有积极影响。相比DSP外设一个周期内往往只能采集一次，本发明可以实现更快的电流控制响应。

(2)本发明中FPGA是可编程现场门整列，易于实现DSP的ADC外设功能及PWM外设功能。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的DSP和FPGA实现的功能模块示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

结合附图1和图2所示，一种基于DSP+FPGA伺服实现工业机器人多轴控制的方法，包括FPGA、DSP和伺服驱动器电路，包括：

步骤S100：首先，进行系统初始化和EMIF通信接口初始化；

设置DSP与FPGA进行通信采集电流和编码器位置的周期为100us；

FPGA采集编码器数据，通过EMIF接口发送编码器数据给DSP，FPGA产生时钟信号，典型的时钟周期为50ns，去采集电流采样芯片的电流，电流采样芯片返回的数据为16位数字信号电流数据给DSP；

FPGA采用编码器协议采集编码器数据，编码器协议包括包含读取多圈命令、读取单圈命令、读取全数据命令、读取编码器故障命令和清除故障报警命令；编码器数据包括单圈数据、多圈数据、位置信号和故障报警。

步骤S200：DSP计算速度和电流，实现位置控制PI环和速度控制PI环，并计算出设定电流，通过EMIF接口发送设定电流给FPGA，具体地：

DSP根据接收的编码器数据计算位置控制PI环：

其中，u

DSP通过反馈的编码器数据计算出速度反馈量，实现速度控制PI环：

其中，u′

得到速度控制PI环的输出，即设定电流；

步骤S300：FPGA进行电流环控制，采用电机控制算法(包括Clark变换、Park变换、Iclark变换、Ipark变换、SVPWAM)计算出最终输出的占空比，FPGA将计算出的占空比驱动电机的功率开关管，控制电机转动。具体地：

FPGA根据采集的电机电流和DSP发送的设定电流，计算电流环的输出：

其中，u″

FPGA根据电流环的输出及电机控制算法SVPWM计算占空比：

v

v

其中，v

由v

其中，T

计算中间变量

得到：

T

FPGA按照占空比输出变量进行PWM脉宽调制，控制驱动芯片，实现开关功率器件脉宽调制，控制电机转动。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。