[发明专利]基于PC+FPGA的带速度观测器的有限时间稳定性控制系统

摘要

本发明公开了一种基于PC+FPGA的带速度观测器的有限时间稳定性控制系统，包括IPC(1)、FPGA运动控制器(2)、伺服驱动器(3)、工业机器人(4)、以太网通讯模块(5)，FPGA运动控制器(2)包括插补模块(21)、实时控制模块(22)、编码器模块(23)、D/A输出模块(24)，在IPC上给定工业机器人的惯性参数和控制参数，FPGA运动控制器进行有限时间稳定性控制算法的实时计算得出控制力矩，并转换为电压信号，最后通过D/A输出模块输出模拟电压信号到伺服驱动器，以力矩模式驱动工业机器人完成运动控制。本发明可同时控制3～6个伺服电机，最小采样时间为0.01ms，瞬态响应时间为0.5s，能够实现工业机器人高性能的运动控制要求，可用于高精度机器人的轨迹跟踪控制。

主权项

一种基于PC+FPGA的带速度观测器的有限时间稳定性控制系统，其特征在于：包括IPC(1)、FPGA运动控制器(2)、伺服驱动器(3)、工业机器人(4)、以太网通讯模块(5)，FPGA运动控制器(2)包括插补模块(21)、实时控制模块(22)、编码器模块(23)、D/A输出模块(24)，工业机器人的上位机在IPC(1)上给定工业机器人的惯性参数和控制参数，IPC(1)通过以太网通讯模块(5)将数据传送到FPGA运动控制器(2)完成动力学参数和控制参数的设置，实时控制模块(22)根据插补模块(21)提供的插补数据、编码器模块(23)提供的位置反馈信号，进行有限时间收敛速度观测器算法的实时计算，先获得速度信号，再进行有限时间稳定性控制算法的实时计算得出控制力矩，并转换为电压信号，最后通过D/A输出模块(24)输出模拟电压信号到伺服驱动器(3)，以力矩模式驱动工业机器人(4)完成运动控制；其中，在IPC(1)上实现的步骤为：(1).将插补完成的数据存放至FPGA运动控制器(2)的FIFO区；(2).IPC(1)将机器人的动力学参数和控制参数通过工业以太网接口和集成在FPGA硬件电路上的以太网接口发送至FPGA运动控制器(2)，实现对FPGA运动控制器(2)中动力学参数和控制参数的设定；FPGA运动控制器(2)进行以下步骤：(1).将插补完成后的数据传送至FIFO进行缓冲存储；(2).编码器模块(23)对工业机器人各轴实际运动位置光电编码器反馈信号进行解码，并传送至实时控制模块(22)；(3).实时控制模块(22)根据FIFO区插补数据和位置反馈信号数据先进行有限时间速度观测器的计算，获得速度信号，再进行有限时间稳定性控制算法的实时计算得到控制力矩，并转换为电压信号，最后通过D/A输出模块(24)将模拟电压信号实时输出；(4).伺服驱动器(3)接收来自D/A输出模块(24)的模拟电压信号，采用三环控制，从里到外分别为电流环、速度环、位置环，以力矩控制模式控制工业机器人(4)的机械本体进行协调运动，最终实现工业机器人末端位置的精确跟踪。