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A New Motion Control Hardware Architecture with FPGA-Based IC Design for Robotic Manipulators 基于FPGA和DSP的机器手运动控制器设计 Abstract— In this paper, a new motion control hardware architecture is proposed for improved motion performance of robotic manipulators during high speed motion. The main idea is to remove the servo control loop from the DSP (Digital Signal Processor) to a FPGA (Field Programmable Gate Array), and utilize the high speed hardwired logic of the FPGA to enhance the computation capability and relieve the computing load on the DSP. The control algorithm is partitioned into a linear portion and a nonlinear portion. The linear portion with position/velocity feedback represents the major control loop and is implemented in the FPGA. The nonlinear portion acts as dynamic compensation to the linear portion to perform complex modeling related calculations, and is implemented in the DSP. A new FPGA-based motion control IC is designed to realize this new control hardware structure. Experiments were conducted on a Yamaha robot manipulator to compare new control architecture and the existing one, when the same control algorithm was used. Experimental results demonstrate that the proposed new control architecture exhibits much improved motion performance especially during high-speed motions. KeyWords — FPGA, motion control, IC design, robotic manipulator. 摘要---本文提出了一种新的运动控制器硬件设计方法，这种方法可以使机器手在高速运行的情况下依然能保持良好的性能。这种方法的核心就是将伺服控制的内容交由FPGA去做，利用FPGA的高速硬件逻辑模块去提高系统的计算速度和减轻DSP的计算量。控制算法分为线性部分和非线性部分。线性部分是主要的控制回路，包括位置反馈和速度反馈，这部分将由FPGA完成。非线性部分主要作为动态补偿电路，它的功能就是协助线性部分完成一些复杂的控制任务，这部分主要由DSP完成。本文使用了专用的运动控制FPGA芯片来完成设计，同时将控制器用于Yamaha机器手进行试验。试验结果表明本文设计的控制器相比于已有的控制器，性能有了比较大的提高，特别是在机器手高速运动中，性能明显比传统的控制器更好。 1 前言 运动控制系统是许多应用系统的主要子系统，它的功能主要是负责各种工业自动化设备的运动控制，这些系统包括机器人系统、集成电路焊接系统、CNC系统和高速运动系统等等。在这些系统的运行过程中，如果加快系统的运行速度而又不加大系统的出错率，那么生产力将会提高。之前人们已经提出了许多控制算法用来改善系统的运行特性，这些算法都是针对特定的系统而提出的类似于扭矩计算控制的方法。现在许多控制系统普遍使用扭矩作为反馈，使非线性系统线性化。机器人控制可以分为扭矩计算和非扭矩计算两类，扭矩计算的方法常常被鲁棒性控制、自适应控制、学习控制、混合控制和阻抗匹配控制这些系统所使用；而非扭矩计算