轻型机械臂是专门为高机动性和与未知环境交互、人类交互的应用场景所设计的,在服务机器人、柔性生产线以及类人型移动平台等领域有着广阔的应用与发展前景。相比于传统工业机器人,轻型机械臂的设计面向高度灵活性和机动性需求,因此轻型机械臂结构更为紧凑,具有较高的负重/自重比、质量轻、低功耗等特点。轻型机械臂的特点要求其关节控制器在满足高集成度、高效率的同时还需拥有更加强大的计算能力以胜任复杂的控制算法。轻型机械臂工作环境通常是未知的,有时还需要完成与人的交互,这意味着更为复杂的控制策略,为保证系统的控制性能,往往要求系统能够实现更短的控制周期,这对机械臂控制系统的通信带宽、实时性和可靠性提出了极高的要求。因此,高集成度关节控制器对轻型机械臂的设计有着重要意义。针对轻型机械臂特点,本文设计开发基于Ether CAT总线的高集成关节控制器。该关节控制器以FPGA为核心逻辑控制器件,基于SOPC技术,在FPGA上嵌入NIOS II软核处理器,采用硬件的形式实现传感器信息采集和处理以及PMSM矢量控制等高实时性任务;对于Ether CAT从站代码,则采用软件的形式运行在软核处理器上。保证集成度的同时,实现高性能且便于维护的关节控制器软件设计。其次,为了进一步提高轻型机械臂关节集成度,将关节位置采集和电机转子位置采集集成在同一块PCB板上。该设计方案采用MEMS磁编码器芯片采集磁码盘上主码道与游标码道的原始位置信息,基于游标原理,完成绝对位置的解算。由于编码器的安装误差与码盘制造精度等原因,会导致在绝对位置解算在计算当前位置所在磁极时出现错误,为解决这个问题,提出一种采用插值方法的校准算法。最后,以硬件的形式实现PMSM的电流环设计。使用Verilog HDL编写电流环中各功能模块,并通过仿真与实验验证其正确性。采用内模控制策略,对电流环PI参数进行设计,将四个PI参数简化为两个电流环设计带宽参数的调节,分析了控制器各个环节的延迟对电流环最大带宽的限制,以选取最大设计带宽,并采用Matlab/Simulink工具对设计的电流环参数进行仿真,验证了设计的正确性。