[发明专利]一种基于EthernetPowerlink的变参数PID运动控制器实现方法

说明书

一种基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，属于以太网技术与运动控制相结合的技术领域。该控制器作为Ethernet Powerlink从站接收主站发来的期望位置信息，同时在FPGA采集实际位置信息，与期望位置信息做差，传给变参数PID模块，计算结果送到PWM(Pulse Width Modulation)产生模块，将相应占空比的PWM波输入伺服电机驱动器，驱动电机转动到期望位置。该发明基于FPGA器件实现，通过设计实际实验验证了所提方法的可行性，本发明具有实时性高，抗干扰性强，开发成本低等优点，适用于复杂环境下高实时性，高稳定性要求的运动控制领域。

技术领域

本发明涉及一种基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，特别涉及一种用于复杂环境中的高实时性，高稳定性要求的主从式机器人控制系统中的运动控制器实现方式，属于以太网技术与运动控制相结合的技术领域。

背景技术

随着机器人技术的迅猛发展，在医疗、汽车、农业、军事等领域，机器人正逐渐代替人类完成繁重的工作任务。其中主从式机器人日益受到人们的关注，特别是需在危险或人类无法触及的复杂环境中完成相对较为复杂的任务时，往往普通机器人无法完成。

实时性方面：

在不同领域中，对于主从式机器人的实时性要求也不尽相同。例如在医疗领域，对于机器人的实时性要求很高。现有的主从式机器人通讯方式大多采用传统的现场总线，通讯速率慢，通信距离短，难以满足复杂主从式机器人控制系统的硬实时性要求。发明专利CN106506303 A提出基于实时以太网EtherCAT的控制器，采用控制器与专用comX协议板卡实现，虽然可提高系统实时性，但其需要专用的硬件器件实现，并且需要厂家授权，开发成本较高。

而Ethernet Powerlink可在多种平台实现，不需专用硬件器件，且为开源代码，无需授权，可自由使用。

运动控制算法方面：

传统PID适应性强，对环境参数变化不敏感，易于实现，因此常选用其作为运动控制器算法。但对于复杂大，具有大滞后大惯性的对象控制效果较差，发明专利CN1873562 A提出了基于FPGA实现的模糊自整定PID控制器，该方法采用模糊控制实现对PID参数的自整定，但其在模糊推理，规则查询表设计方面需要大量计算，且在实际应用中，确定不变的模糊规则恐难以适应复杂环境，强干扰的工作环境。专利CN201725180 U提出了利用遗传算法来整定PID参数，通过遗产算法训练得出较好的PID参数，有较强适应性，一定程度上提高了控制性能，但该方法在实现过程中，需要耗费FPGA内大量的逻辑资源，实现成本较高，且考虑对系统实时性的要求，该方法不适用于复杂环境下的高性能运动控制器。

对于变参数PID运动控制器这样比较复杂的从站应用，多采用FPGA(Field-programmable Gate Array)+MCU(Micro Control Unit)的硬件实现方案，但采用专用的MCU会造成控制性能浪费与系统成本的提高，而新推出的FPGA器件，集成了丰富的逻辑资源，使得将全部功能在FPGA器件上成为了可能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有主从式机器人控制系统实时性低，难以适应复杂环境且硬件实现成本较高的问题。提出一种基于Ethernet Powerlink的变参数PID运动控制器实现方法，该运动控制器由一片FPGA器件实现，可以提高主从式机器人控制系统的实时性，节约硬件成本。

本发明目的通过以下技术方案实现：