● 摘要
机器人技术是一门集多种学科于一体的新兴综合性交叉学科，具有广泛的研究领域。在机器人控制系统中，运动控制器居于核心地位，一直以来是研究的热点。本文的目的在于跟踪国内外主流的控制器设计技术，研究和开发多轴运动控制器，为教研室的863、自然基金等多个项目中的机器人运动控制做技术储备。本文在分析了MC2340和SM5000系列运动控制器特点的基础上，结合控制系统的性能指标要求，提出了基于FPGA的开放式控制系统设计方案。方案采用PC、DSP和FPGA组成三级控制结构，以FPGA为运动控制核心，基于FPGA的硬件电路实现并行控制算法结构，可以完成1-4个直流伺服电机的速度和位置控制。相比分布式多轴控制系统，这种控制结构有效改善了多轴同步运行的误差，提高了系统的动态响应速度。论文首先对系统的总体方案设计和控制策略进行了具体阐述，研究了多轴运动控制平台实现的关键技术和应用特点；其次，在系统的硬件和软件两个方面进行了详细的设计，重点讨论了FPGA运动控制器的功能模块及算法结构的实现，对数字PID算法、模糊PID算法和同步协调算法的设计及硬件实现进行了深入分析；之后，在系统仿真的基础上，完成控制器的软硬件调试，初步测试表明达到了预期指标。最后，对论文进行了全面总结，并探讨了进一步提高系统性能的途径。本文提出的基于FPGA的开放式控制系统，为国内研究单位自主开发运动控制平台提供了具有一定参考价值的设计方案。