多軸伺服驅動器設計

摘要：多軸機械手臂為目前伺服控制系統較為熱門的發展目標與趨勢，因此本文主要介紹多軸伺服驅動器設計，並利用一顆晶片整合。本架構主要以Altera FPGA晶片為基礎建構之系統整合晶片(SoPC)來發展多軸伺服驅動技術，此系統整合晶片以數位硬體方式實現並以Verilog描述其電路，其功能主要為多軸馬達之位置/速度/電流迴路控制器實現，也就是多顆永磁同步馬達之電流向量控制器、空間向量脈波寬度調變產生、速度PI控制器與位置P控制器等，全部由硬體數位電路實現。由於FPGA的快速計算、並行處理、軟硬體共同設計等優點，將能提升多軸控制器之運動性能。最後，為了驗證多軸伺服驅動器之有效性，利用市售的六軸關節型機械手臂作為本文的驗證載體，驗證本多軸伺服驅動器之正確性。

Abstract: This paper focuses on the design of multi-axis servo drives and the integration in a single chip due to the predominant trend towards multi-axis robotic arms in the field of servo control. The architecture is implemented in a SoPC (System on a Programmable Chip) built on an Altera FPGA chip to develop multi-axis servo drive techniques. The SoPC is developed using hardware description language Verilog, realizing the position/speed/current loop control of multi-axis motors. Thus, the hardware digital circuit carries out all the modules of a multi-PMSM system, including current vector control, space vector PWM, speed PI control, and position P control. Due to the advantages of FPGA, such as fast computation, parallel processing, and co-design of hardware-software, the performances of multi-axis control are highly improved. Finally, in order to testify the effectiveness of multi-axis servo drives, a commercially available six-axis articulated robotic arm is adopted to verify the correctness of the proposed multi-axis servo drive.

關鍵詞：可程式化邏輯晶片、多軸機械手臂、向量控制、永磁伺服馬達

Keywords：FPGA, Multi-Axis Robotic Arms, Vector Control, PMSM

前言
目前整個自動化製程漸漸往無人工廠與工業4.0的目標前進。在無人工廠的階段中，多軸機械手臂是相當關鍵的模組，可將機械手臂視為單一模組，而多軸機械手臂的組成可分為伺服驅動模組，控制器與機械結構等三大部份，其中在伺服驅動模組中，最重要的部份為伺服控制晶片。在傳統上，伺服控制晶片多採用DSP晶片或微控制器，但是這多只限於單軸控制，若要多軸控制，則其晶片數會隨受控軸數增加而晶片數增加；且多軸控制其聯動性比多台機械設備聯動性的要求更高，因此，如何在多顆晶片整合多軸位置控制與多軸同動變成較難的課題。故唯有朝多顆控制晶片整合成一顆運動控制晶片的趨勢邁進。接下來本文將一一介紹如何挑選實現的平台與實現的方法。

六軸機械手臂伺服控制系統
本文所提以FPGA為基礎建構之六軸機械手臂伺服控制系統如圖1所示。在FPGA晶片內包括兩個IP (智材)，一個為Nios II處理器IP而另一個為六軸伺服控制IP。Nios II處理器IP負責需彈性之程序且不需快速運算，例如點對點運動軌跡產生及響應資料收集等。六軸伺服控制IP負責六個伺服控制模組，而每個模組將執行位置P控制器、速度PI控制器電路、電流PI控制器與座標轉換電路、一組空間向量脈波調變電路(space vector pulse width modulation, SVPWM)及絕對式編碼器介面電路等功能。因此六軸機械手臂伺服控制器可在一顆FPGA內實現。