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基于EtherCAT总线的六轴机器人控制系统研发

【摘要】:进入21世纪,机器人种类越来越多,机器人的应用面也越来越广。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IPC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。

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