目前市場上工業(yè)機器人，數(shù)控機床等多軸運動控制系統(tǒng)普遍采用運動控制器加
伺服驅(qū)動器的分布式控制方式。在這種控制方式中，控制器一方面完成人機交互，另
一方面進行
NC
代碼的解釋執(zhí)行，插補運算，繼而將計算出來的位置指令通過軸組模
塊下發(fā)給各個伺服驅(qū)動器。下發(fā)過程通常是由現(xiàn)場總線完成，總線周期為 4
ms
或者
更小。伺服驅(qū)動器接收位置指令，位置細分后通過三環(huán)控制最終驅(qū)動電機。在這個過
程，通常是一個伺服驅(qū)動器驅(qū)動一個電機，六關(guān)節(jié)機器人就需要六個驅(qū)動器完成，各
個伺服驅(qū)動器各自獨立地完成位置控制功能，從而實現(xiàn)機器人末端達到指定位置。各
個伺服驅(qū)動器的數(shù)據(jù)交互需要依靠總線完成，但是現(xiàn)場總線通信受通訊速率限制不
能完成一些實時數(shù)據(jù)（比如電流）交互，因此，軸與軸的數(shù)據(jù)并不能完全實時共享。
在實際應(yīng)用中，分布式機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對分散，一些復(fù)雜控制算法，比如
結(jié)合機器人的運動學(xué)動力學(xué)的電流前饋加反饋線性化的伺服控制算法，多軸精確同
步控制算法等在分布式控制系統(tǒng)中實現(xiàn)有一定難度，而且現(xiàn)場總線需要一定的布線
成本。鑒于以上缺點，有必要進一步簡化運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
控驅(qū)一體的運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將原來相互獨立的控制器和各個伺服驅(qū)動器結(jié)合
在一起，在
SoC
（
System-On-Chip
）芯片上實現(xiàn)控驅(qū)一體。這樣做的好處是：
(1)整個運動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，控制電柜體積更小，集成度更高，適用
于物理空間有限的工作環(huán)境,同時方便運輸和安裝。
(2)基于單芯片
SoC
架構(gòu)方案替代多單元控制器對多單元電機的驅(qū)動方式，不依
靠現(xiàn)場總線完成通訊，降低硬件和軟件互連的成本,同時充分利用嵌入式
SoC
芯片特
性，滿足運動控制器的功能性要求和伺服驅(qū)動器的實時性要求，降低控制器成本。
(3)控制器與驅(qū)動器更加緊密的耦合，有利于高級復(fù)雜運動控制算法實現(xiàn)。比如
多軸同步控制，速度加速度前饋，抖動抑制，摩擦補償?shù)取Ｗ屵\動學(xué)和動力學(xué)控制算
法參與或者得到伺服驅(qū)動中的電流環(huán)的運算結(jié)果，伺服驅(qū)動器也可以預(yù)測軌跡規(guī)劃
的運算結(jié)果，有助于提高機器人控制性能。
(4)片內(nèi)總線替代現(xiàn)場總線，
通信的帶寬更高和穩(wěn)定性更好
。與現(xiàn)在的工業(yè)現(xiàn)場
總線的分布式控制系統(tǒng)相比，信息交換完全依靠片內(nèi)總線完成，它是一種并行總線，
相比于輪詢式的串行現(xiàn)場總線，不僅考慮昂貴的布線成本，而且通訊速率受到串行通
訊方式限制。采用并行總線可以很好地保證多軸數(shù)據(jù)交互的同步性和實時性。
(5)控制器與驅(qū)動器之間數(shù)據(jù)交互的實時性能更好，控制器可以更加方便和及時
地利用驅(qū)動器的反饋狀態(tài)信息，控制器根據(jù)反饋信息實時調(diào)整控制策略，從而使實現(xiàn)
更好的控制性能。
(6)控制器與驅(qū)動器的通訊速率得到提高，控制器的插補周期可以進一步減小，
位置環(huán)的刷新周期可以進一步減小，有助于實現(xiàn)高速狀態(tài)下的高精，實現(xiàn)真正意義上
的高速高精。
(7)有利于控制器以更高的頻率采集驅(qū)動器的運動變量參數(shù)，更精確的描述參數(shù)
的變化趨勢，方便對機器人運動狀態(tài)進行更細致分析。
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1 伺服驅(qū)動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
典型的機器人控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上大致分為三個層次：控制器，伺服驅(qū)動器，機器
人本體。近年來，出現(xiàn)了交流伺服驅(qū)動器的兩種不同發(fā)展方向。第一種是運動控制器
保持不變，伺服驅(qū)動器和伺服電機一體化集成；第二種是伺服電機保持不變，伺服驅(qū)
動器和運動控制器一體化集成。
將伺服驅(qū)動器和伺服電機一體化集成對伺服驅(qū)動器要求較高，必須具備小型化，
散熱好，高頻特性的特點。目前國內(nèi)對這方面研究正處于起步階段。國外方面，以色
列的
ELMO
公司推出的
Twitter
伺服驅(qū)動器便是一種微小型高功率密度驅(qū)動器，如圖
1-1 所示。采用 “快速軟開關(guān)技術(shù)”，實現(xiàn)大于 99%的效率以及幾乎可忽略不計的電
伺服電機保持不變，把伺服驅(qū)動器和運動控制器做一體化集成也是一種發(fā)展趨
勢，即朝控驅(qū)一體方向發(fā)展。其優(yōu)勢包括：體積小，重量輕，成本低，可靠性高，部
署靈活，能夠完成復(fù)雜的機器人算法，適合用于物理空間有限的工作場合等。目前國
內(nèi)外公司已推出控驅(qū)一體化產(chǎn)品（如：固高、眾為興、臺達、
KUKA
，
ABB
等等）,
大多采用分布式
CPU
方式進行控驅(qū)一體整合，國內(nèi)用于
3C
機械臂，桌面機械臂等
對空間要求較高的場合，國外更多應(yīng)用在人機協(xié)作，自動化生產(chǎn)線等場合。
國內(nèi)，2018 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)
HIT PEED
伺服組基于
zynq
平臺開發(fā)出小批量
驅(qū)控一體化樣機，一個芯片可以獨立控制 4-6 軸，如圖 1-2 所示（圖片引自 2019 智
能制造&中國運動控制行業(yè)發(fā)展高峰論壇）。采用賽靈思公司的高性能
SoC 芯片，其
中
PL(Progarmmable Logic)
部分完成多軸電機驅(qū)動，帶寬高、響應(yīng)快，
PS(Processing
System)
部分進行運動控制算法的實現(xiàn)和各類通訊及數(shù)據(jù)交互等功能。
總之，隨著信號檢測技術(shù)（例如高精度，低時延的采樣技術(shù)），自動控制技術(shù)（例
如模糊控制，自適應(yīng)，預(yù)測控制等），驅(qū)動控制技術(shù)（例如
PWM
調(diào)制技術(shù)，死區(qū)等
非線性因素補償技術(shù)等），芯片技術(shù)（
SoC
芯片技術(shù)）的發(fā)展，伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢朝
著高性能，集成化和模塊化，通用化和專用化，網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。
文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-621553.html
文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-621553.html
到了這里，關(guān)于基于ARM+FPGA的驅(qū)控一體機器人控制器設(shè)計的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
