FPGA在工業(yè)機(jī)器人控制器中的應(yīng)用

白宏生

摘要：計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，帶動了工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人控制器的集成度越來越高，分立的電子電氣部件已經(jīng)逐步被集成度更高的可編程邏輯器件所代替。這對工業(yè)機(jī)器人控制器的生產(chǎn)成本、維護(hù)成本、運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性都有著極大的益處。本文針對于工業(yè)機(jī)器人控制器中FPGA的部分應(yīng)用進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；控制器；FPGA

一、FPGA的特點(diǎn)及優(yōu)勢

FPGA（Field Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它可以非常靈活的實(shí)現(xiàn)特定的硬件邏輯功能，并能夠并行的實(shí)時(shí)處理多個(gè)不同的任務(wù)。相對于ARM平臺及x86平臺等處理器來說，實(shí)現(xiàn)了真正的多任務(wù)實(shí)時(shí)處理，而非利用處理器的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來分時(shí)的處理多個(gè)任務(wù)。FPGA內(nèi)部有著非常豐富的布線資源、基本可編程邏輯單元、嵌入式專用IP，嵌入式RAM塊和嵌入式處理器等。這些豐富的資源使得FPGA能夠同時(shí)處理不同種類的任務(wù)，使任務(wù)的實(shí)現(xiàn)更加的靈活的同時(shí)又能滿足一些高速接口的時(shí)序要求。這些關(guān)鍵的特性給FPGA在工業(yè)機(jī)器人控制器上的應(yīng)用提供了必要的前提條件。

二、工業(yè)機(jī)器人控制器的基本架構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人控制器的基本架構(gòu)一般包括為：控制器核心處理單元、控制器邏輯處理單元、控制器示教終端、驅(qū)動器通信模塊和外部接口。

控制器核心處理單元：負(fù)責(zé)機(jī)器人的核心控制，如布置執(zhí)行任務(wù)、運(yùn)動軌跡規(guī)劃、人機(jī)接口的交互、邏輯單元的管理和外部通信接口的實(shí)現(xiàn)等。通常由ARM平臺或x86平臺的處理器實(shí)現(xiàn)，且能夠提供非常靈活且人性化的上層應(yīng)用和接口。例如，以太網(wǎng)接口、EtherCat接口、DeviceNet接口、串口、USB和VGA接口等。它是工業(yè)機(jī)器人基本功能實(shí)現(xiàn)的核心。

控制器邏輯處理單元：負(fù)責(zé)電氣IO及通信接口等功能。如人機(jī)交互接口、限位信號、接觸器線圈的驅(qū)動、電機(jī)的松抱閘執(zhí)行及檢測、急停和安全門檢測、控制柜溫控管理、特定信息的存儲、機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控及記錄、安全I(xiàn)O的處理和與控制器核心單元的信息交互。通常由PLC或FPGA來實(shí)現(xiàn)。而FPGA相比PLC要靈活的多，本文將介紹FPGA實(shí)現(xiàn)以上部分功能的基本邏輯原理。

控制器示教終端：負(fù)責(zé)現(xiàn)場操作人員對機(jī)器人的動作進(jìn)行示教，通常一個(gè)新的產(chǎn)線只需對機(jī)器人示教一次。示教的目的是使機(jī)器人能夠記住每一個(gè)需要運(yùn)動的軌跡點(diǎn)，并按照指定的順序依次執(zhí)行示教的軌跡點(diǎn)坐標(biāo)。

驅(qū)動器通信模塊和外部接口：負(fù)責(zé)向驅(qū)動器發(fā)送相應(yīng)的指令，驅(qū)動機(jī)器人執(zhí)行部件執(zhí)行預(yù)設(shè)的動作，并通過外部接口與現(xiàn)場的其他機(jī)器人聯(lián)動。

三、工業(yè)機(jī)器人控制器中FPGA的應(yīng)用

FPGA主要應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人控制器中的控制器邏輯處理單元并在外部執(zhí)行部件及傳感器的配合下完成此單元的所有功能。下面針對部分功能的實(shí)現(xiàn)逐一說明。

人機(jī)交互接口：此功能主要完成控制柜上的按鈕、開關(guān)和指示燈。對用戶的按鈕請求加以濾波去抖后予以執(zhí)行并在適當(dāng)?shù)挠|發(fā)條件產(chǎn)生時(shí)給予相應(yīng)的指示燈提醒。

限位信號：限位是機(jī)器人運(yùn)動過程中對執(zhí)行部件的保護(hù)措施。當(dāng)由于控制器核心處理單元的異?；蛉藶榈恼`操作而導(dǎo)致執(zhí)行部件運(yùn)動異常時(shí)，可能會使執(zhí)行部件運(yùn)動至最大位移處且不會停止。這將嚴(yán)重?fù)p壞執(zhí)行部件甚至出現(xiàn)人員傷亡。因此限位信號在機(jī)器人安全運(yùn)行時(shí)起著至關(guān)重要的作用。FPGA在此處的應(yīng)用，可以同時(shí)監(jiān)控多路限位信號的IO跳變，在不考慮去抖的前提下可以幾乎無延時(shí)的捕獲任何一路限位信號的狀態(tài)。若限位信號被觸發(fā)，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯及時(shí)停止執(zhí)行部件的運(yùn)行，以保證設(shè)備和人員的安全。并在停止執(zhí)行部件的同時(shí)，將限位狀態(tài)上傳給控制器核心處理單元。FPGA的監(jiān)測限位信號以及停止執(zhí)行部件所用的時(shí)間要比處理器實(shí)現(xiàn)同樣的功能所需的時(shí)間大大減少，更好的保證了機(jī)器人執(zhí)行器件的安全性。

電機(jī)的松抱閘執(zhí)行及檢測：電機(jī)的啟動遵循著驅(qū)動器上電、松抱閘再運(yùn)動的順序；電機(jī)的停止遵循著抱閘再驅(qū)動器下電的順序。在電機(jī)運(yùn)行期間抱閘要處于松開的狀態(tài)，且在電機(jī)停止的期間抱閘要處于抱死的狀態(tài)。否則在抱閘抱死期間驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動將會對大大縮減電機(jī)壽命甚至直接損壞，在電機(jī)停止期間抱閘未抱死將會使機(jī)器人因重力作用而動作，可能會造成人員的傷亡，非常危險(xiǎn)。使用FPGA來驅(qū)動抱閘執(zhí)行部件并檢測執(zhí)行部件的執(zhí)行情況可以獲得非常短的執(zhí)行和檢測時(shí)間。在電機(jī)將要運(yùn)動的瞬間松開抱閘并在電機(jī)停止時(shí)將抱閘抱死。

通信接口：通信接口包含與控制器核心單元的通信和與外部設(shè)備的通信。與控制器核心單元的通信一般采取板間的通信方式如ISA總線、PCI總線等或板間的通信方式如以太網(wǎng)、RS485等。FPGA均可以直接實(shí)現(xiàn)通信的底層協(xié)議或驅(qū)動層的協(xié)議，為系統(tǒng)節(jié)省部分協(xié)議芯片的成本。且由于通信是在FPGA片內(nèi)實(shí)現(xiàn)，也提高了通信的帶寬和實(shí)時(shí)性。

四、小結(jié)

工業(yè)機(jī)器人在應(yīng)用中需要比較高的精度、比較快的反應(yīng)時(shí)間和非常高的安全系數(shù)。這些高標(biāo)準(zhǔn)的要求幾乎離不開高速的信號處理和傳感器技術(shù)。而FPGA非常適合于這種多任務(wù)且高實(shí)時(shí)性的應(yīng)用。能夠在危險(xiǎn)即將來臨之時(shí)以最短的時(shí)間感知并做出相應(yīng)的動作來中止當(dāng)前的危險(xiǎn)進(jìn)程。FPGA也正在應(yīng)用于機(jī)器視覺、人工智能等領(lǐng)域，這將為機(jī)器人的進(jìn)一步“智能化”提供更多的實(shí)現(xiàn)手段。FPGA在工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的應(yīng)用將會越來越普及并發(fā)揮這不可替代的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張毅.工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用[J].數(shù)字化用戶，2017（28）：45.

[2] EDA先鋒工作室.王誠，蔡海寧，吳繼華.Alter FPGA/CPLD設(shè)計(jì)（基礎(chǔ)篇）（第2版）.人民郵電出版社，2011.22012.4第四次印刷.

（作者單位：沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司）