SCARA机器人的硬件系统设计 上

硬件系统设计概述

目前对于SCARA机器人的控制方案多种多样，总结后主要有以下几种方式:PC机配合运动控制卡、PC机配合数据采集卡、嵌入式系统控制、PLC控制以及FPGA控制器控制。方案一主要由PC机规划运动任务，由运动控制卡完成控制功能。成本较低但是开发周期比较长。方案二主要由PC机内部完成数据采集、处理和控制算法。数据采集卡等设备成本较高，开发周期比较短，开发比较方便。方案三使用单片机代替工控机，规划和完成运动任务，开发成本最低但是最大缺点是开发周期最长，需要综合控制系统各个模块，避免数据通讯过于频繁，提高硬件系统的可靠性。方案四是嵌入式系统控制，其对于电动驱动系统具有较好的通用性，成本最高，而开发周期比较短，系统可靠性比较高。方案五采用FPGA控制成本较低，开发周期较短，可靠性高。故本设计的硬件系统采用FPGA作为主控制器，其各个模块的开发、调试和维护均比较方便。

FPGA ( Field Programmable Gate Array)是现场可编程控制器件，它是以PAL,GAL, CPLD等可编程器件为基础，在此基础上进一步发展而来，其内部具有有丰富的I/O引脚和触发器，其集成度高，逻辑复杂度强，触发器资源丰富，嵌入了大量的宏单元模块，因此更有利于实现时序逻辑电路。在电路设计中周期短、开发费用低、风险小。并且FPGA采用高速的CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

随着FPGA技术的不断发展，目前可以在FPGA芯片上嵌入整个或大部分系统。因此本课题研究选择采用FPGA对SCARA机器人各机械结构进行控制，并完成PWM控制，通讯接口模块，存储模块以及显示等模块的设计。本文所设计的SCARA机器人采用的FPGA芯片是Altera公司生产的EP4CE6F17C8型号FPGA控制器。

控制系统设计要求就SCARA机器人结构特点来看，本控制系统设计有如下几点要求: 

(1) 完成对SCARA机器人电机转速的检测，将检测出的电机转速传递给FPGA控制器。      (2) FPGA控制器对电机转速信号做出一定的分析后，输出相应的PWM信号，进而控制电机驱动板。

(3) 将FPGA控制器得到的电机转速等重要参数显示在液晶屏上。

系统结构设计

SCARA机器人的硬件结构如图5.1所示。整个机械动作的实现过程需要通过不同的步进电机配合来实现，所以整个系统控制的关键在于实现对电机的控制。为了达到稳定、精确的控制效果，需要一个完善的控制结构。实际实现过程中，利用光电编码器检测电机的转速，将信号传递给FPGA控制器，FPGA将信号做相应处理以后输出一定的PWM信号，用于控制电机驱动板，进而控制电机。由此，对于电机的检测与控制形成一个闭环结构。SCARA机器人各种复杂动作需要五个电机配合，这将通过算法实现。

硬件系统原理概述

如图5.2所示，SCARA机器人硬件系统主要包括检测、控制、通讯、存储和显示五个部分。主要工作过程如下，FPGA控制器与PC机之间进行通讯，传递相应控制指令和重要参数。光电编码器将转动位置测得后传递给FPGA控制，经过相应处理后FPGA输出不同的PWM信号用于控制电机驱动板，控制电机。同时，FPGA控制器在运行过程中会产生大量数据，这些数据都会被存储在PCB上的SDRAM芯片中。另外SCARA机器人各机械结构的执行过程、环节、重要参数等都会显示在液晶屏幕上，以便用户及时关注各机械结构的运行信息。

系统硬件模块设计

系统硬件模块设计包括MCU控制模块、串口通讯模块、检测模块、控制模块、存储模块、显示模块、电源模块和JTAG接口八个部分的设计，下面将分模块一一进行介绍设计的理念和具体方案。