[发明专利]基于FPGA的模块化双关节伺服控制系统

权利要求书

1.基于FPGA的模块化双关节伺服控制系统，其特征在于它包括关节核心控制单元1、CAN总线通信模块2、电机驱动输出模块3、旋变测角模块4、力矩测量模块5、DC/DC模块6，关节核心控制单元1包括NIOSII软核处理器1-1、Avalon总线1-2、CAN总线接口电路1-3、旋变解算接口电路1-6、A/D接口电路1-7、FIFO1-8，CAN总线通信模块2包括CAN总线控制器I2-1和总线驱动器I2-2，电机驱动模块3包括电机电源开关控制电路3-1和串口通信电路3-2，力矩测量模块5包括电桥测量电路5-1、放大器5-2、A/D转换电路5-3；

上位机C通过CAN总线2和关节核心控制单元1进行通信，关节核心控制单元1通过电机驱动模块3的串口3-2向电机驱动器8发送指令，电机驱动器8最终控制电机9，同时反馈电机9的位置信息；

关节核心控制单元1用于数据的存储、交换等处理，同时设计了与外设的接口逻辑，如与CAN总线接口电路1-3、旋变解算接口电路1-6、A/D接口电路1-7等，均在片内利用Verilog HDL实现；

CAN总线通信模块2用于控制CAN总线，实现关节控制器1和上位机C的通信，CAN总线用于接收上位机C的指令信息，同时反馈各种状态信息；

电机驱动模块3用于接收控制器1的命令来控制电机驱动器8；

力矩测量模块5利用电桥测量电路5-1、放大器5-2、A/D转换电路5-3来测量转矩；

旋变测角模块4用作角度传感器；

DC/DC模块6用于将直流电源变换为关节控制器1所需要的各种二次电源。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的模块化双关节伺服控制系统，其特征在于，CAN总线通信模块2还包括CAN总线控制器I2-1和CAN总线驱动器I2-2，每个关节包含一个CAN总线控制器和驱动器，上位机通过发送数据来选择不同的关节通道，实现对双关节的控制。

3.权利要求1所述的基于FPGA的模块化双关节伺服控制系统，其特征在于，它还包括看门狗电路7，集成在FPGA芯片上。看门狗实质上是一个定时器电路，看门狗的设置分两步进行，包括初始化狗和喂狗操作，用软件操作来实现。在系统参数初始化以后初始化狗，在主控周期模块喂狗。当软件工作不正常时，定时器会非正常工作。在规定的周期内中断喂狗操作，则系统自动复位。

4.权利要求1所述的基于FPGA的模块化双关节伺服控制系统，其特征在于，关节核心控制单元1还包括串口接口电路I1-4和PID控制器I1-5。在系统中通过关节核心控制单元1的双闭环PID控制器I1-5，实现对关节电机的控制。上位机C给出位置指令，经过双闭环的最外环位置环控制器后，转化成速度指令通过串口通信电路3-2发送给电机驱动器，电机驱动器直接控制电机，实现对电机的伺服控制。其中串口接口电路I1-4是串口通信电路3-2的驱动电路。

5.权利要求1或4所述的基于FPGA的模块化双关节伺服控制系统，其特征在于，PID控制器I1-5中，利用神经元网络对PID控制器I1-5的位置环和速度环进行PID参数在线整定。