FPGA在工業機器人控制器中的應用

白宏生

摘要：計算機技術的迅速發展和廣泛應用，帶動了工業機器人的快速發展。工業機器人控制器的集成度越來越高，分立的電子電氣部件已經逐步被集成度更高的可編程邏輯器件所代替。這對工業機器人控制器的生產成本、維護成本、運行的穩定性及可靠性都有著極大的益處。本文針對于工業機器人控制器中FPGA的部分應用進行了較為詳細的介紹。

關鍵詞：工業機器人；控制器；FPGA

一、FPGA的特點及優勢

FPGA（Field Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，它可以非常靈活的實現特定的硬件邏輯功能，并能夠并行的實時處理多個不同的任務。相對于ARM平臺及x86平臺等處理器來說，實現了真正的多任務實時處理，而非利用處理器的實時操作系統來分時的處理多個任務。FPGA內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能夠同時處理不同種類的任務，使任務的實現更加的靈活的同時又能滿足一些高速接口的時序要求。這些關鍵的特性給FPGA在工業機器人控制器上的應用提供了必要的前提條件。

二、工業機器人控制器的基本架構

工業機器人控制器的基本架構一般包括為：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、驅動器通信模塊和外部接口。

控制器核心處理單元：負責機器人的核心控制，如布置執行任務、運動軌跡規劃、人機接口的交互、邏輯單元的管理和外部通信接口的實現等。通常由ARM平臺或x86平臺的處理器實現，且能夠提供非常靈活且人性化的上層應用和接口。例如，以太網接口、EtherCat接口、DeviceNet接口、串口、USB和VGA接口等。它是工業機器人基本功能實現的核心。

控制器邏輯處理單元：負責電氣IO及通信接口等功能。如人機交互接口、限位信號、接觸器線圈的驅動、電機的松抱閘執行及檢測、急停和安全門檢測、控制柜溫控管理、特定信息的存儲、機器人運行狀態的監控及記錄、安全IO的處理和與控制器核心單元的信息交互。通常由PLC或FPGA來實現。而FPGA相比PLC要靈活的多，本文將介紹FPGA實現以上部分功能的基本邏輯原理。

控制器示教終端：負責現場操作人員對機器人的動作進行示教，通常一個新的產線只需對機器人示教一次。示教的目的是使機器人能夠記住每一個需要運動的軌跡點，并按照指定的順序依次執行示教的軌跡點坐標。

驅動器通信模塊和外部接口：負責向驅動器發送相應的指令，驅動機器人執行部件執行預設的動作，并通過外部接口與現場的其他機器人聯動。

三、工業機器人控制器中FPGA的應用

FPGA主要應用在工業機器人控制器中的控制器邏輯處理單元并在外部執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現逐一說明。

人機交互接口：此功能主要完成控制柜上的按鈕、開關和指示燈。對用戶的按鈕請求加以濾波去抖后予以執行并在適當的觸發條件產生時給予相應的指示燈提醒。

限位信號：限位是機器人運動過程中對執行部件的保護措施。當由于控制器核心處理單元的異常或人為的誤操作而導致執行部件運動異常時，可能會使執行部件運動至最大位移處且不會停止。這將嚴重損壞執行部件甚至出現人員傷亡。因此限位信號在機器人安全運行時起著至關重要的作用。FPGA在此處的應用，可以同時監控多路限位信號的IO跳變，在不考慮去抖的前提下可以幾乎無延時的捕獲任何一路限位信號的狀態。若限位信號被觸發，可以根據預設的邏輯及時停止執行部件的運行，以保證設備和人員的安全。并在停止執行部件的同時，將限位狀態上傳給控制器核心處理單元。FPGA的監測限位信號以及停止執行部件所用的時間要比處理器實現同樣的功能所需的時間大大減少，更好的保證了機器人執行器件的安全性。

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

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、RS485等。FPGA均可以直接實現通信的底層協議或驅動層的協議，為系統節省部分協議芯片的成本。且由于通信是在FPGA片內實現，也提高了通信的帶寬和實時性。

四、小結

工業機器人在應用中需要比較高的精度、比較快的反應時間和非常高的安全系數。這些高標準的要求幾乎離不開高速的信號處理和傳感器技術。而FPGA非常適合于這種多任務且高實時性的應用。能夠在危險即將來臨之時以最短的時間感知并做出相應的動作來中止當前的危險進程。FPGA也正在應用于機器視覺、人工智能等領域，這將為機器人的進一步“智能化”提供更多的實現手段。FPGA在工業機器人行業的應用將會越來越普及并發揮這不可替代的作用。

參考文獻：

[1]張毅.工業機器人的技術發展及其應用[J].數字化用戶，2017（28）：45.

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

（作者單位：沈陽新松機器人自動化股份有限公司）