陳 曦,余 超,彭 鑫,歐陽竟成,榮 軍,李茜銘

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

引言

目前,臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域.作為臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人的核心部件——機(jī)器人控制器,也有著長足的進(jìn)步.以單片機(jī)為核心的控制器逐步被運(yùn)算速度更快、處理能力更強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理器——DSP(Digital Signal Processor)所取代.本文以東莞速美達(dá)公司提供的四軸臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人為研究對(duì)象,研究和設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的臺(tái)式機(jī)器人通用控制器.該控制器硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì),利用CCS(Coder Composer Studio)進(jìn)行軟件開發(fā),很好的提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性.

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)由三個(gè)層次組成,包括上位機(jī)、控制器及驅(qū)動(dòng)電路.上位機(jī)完成路徑規(guī)劃及軌跡規(guī)劃后,將結(jié)果輸送給控制器進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算并通過驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行伺服控制,如圖 1所示.

圖1 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 DSP與CPLD組成的控制器

控制器的主要硬件結(jié)構(gòu)由DSP和CPLD組成.DSP芯片根據(jù)設(shè)計(jì)要求,我們選用TMS320VC5402型號(hào)的DSP芯片作為控制器的CPU,其具有很快的速度和很強(qiáng)的操作靈活性.CPLD接收到來自傳感器的驅(qū)動(dòng)編碼器的位置信號(hào)后,進(jìn)行鑒相及加減計(jì)數(shù)得到實(shí)際位置并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在寄存器中.DSP讀取實(shí)際位置數(shù)據(jù)并與插補(bǔ)點(diǎn)的目標(biāo)位置進(jìn)行比較,獲得位置誤差,通過運(yùn)動(dòng)控制算法得到校正信號(hào),指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)器輸出速度模擬信號(hào)給四個(gè)伺服電機(jī),如圖2所示.

圖2 控制器原理圖

1.3 通訊系統(tǒng)

為改善控制器通信速度,降低誤碼率,本文采用基于 PCI總線的通訊系統(tǒng).PCI總線不同于傳統(tǒng)的RS232及RS485總線,其總線寬度為32位,并可升級(jí)為64位,總線頻率33MHz,因此其最大傳輸速率可達(dá)到132MB/S及264MB/S.本文采用PX9054型號(hào)的PCI接口,通過一個(gè)雙向RAM實(shí)現(xiàn)DSP與上位機(jī)PC的通信.通信方式采用定時(shí)傳送及握手信號(hào)的方式,上位機(jī)按固定周期發(fā)送信號(hào),信號(hào)發(fā)送完畢后,再發(fā)送一個(gè)發(fā)送完畢的信號(hào),下位機(jī)接收到發(fā)送完畢信號(hào)后,馬上讀取雙向 RAM 中的數(shù)據(jù).反之,下位機(jī)向上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)的通信也遵循這種方式.

1.4 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)

交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)接收來自 DSP的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào),經(jīng)過計(jì)算,產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制電路能夠接收的脈沖信號(hào),并接收來自電機(jī)的反饋速度信號(hào),對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行速度調(diào)整.本文采用松下 MINAS-A系列的交流伺服驅(qū)動(dòng),可滿足位置、速度、轉(zhuǎn)矩三種控制方式,其最大速度響應(yīng)頻率為 500Hz.具備頻率解析功能,方便查找機(jī)械共振點(diǎn),便于抑制共振,因此很適合于機(jī)器人控制.

2 軟件設(shè)計(jì)

采用TI公司推出的CCS5000作為軟件開發(fā)環(huán)境,將C語言作為編程語言,采用由上至下的設(shè)計(jì)思路,分層次,分模塊的進(jìn)行程序設(shè)計(jì).每個(gè)模塊各自具有不同的軟件功能,如圖3所示.

圖3 軟件設(shè)計(jì)原理圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

在完成硬件電路及軟件系統(tǒng)的制作與調(diào)試后,對(duì)臺(tái)式機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,測(cè)試內(nèi)容包括:臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人自由度測(cè)試,伺服電機(jī)測(cè)試,功能測(cè)試.

1)臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人自由度測(cè)試包括兩部分內(nèi)容:氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)能力測(cè)試及運(yùn)動(dòng)條件測(cè)試.前者是指手動(dòng)設(shè)定I/O的開閉狀態(tài),檢查機(jī)器人時(shí)候動(dòng)作到位;后者是指在軟件設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作加入若干限定條件,滿足限定條件后,動(dòng)作才能執(zhí)行.

2)伺服電機(jī)測(cè)試包括:伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試,重復(fù)定位精度測(cè)試,速度測(cè)試.對(duì)伺服電機(jī)的脈沖信號(hào),仿真的脈沖發(fā)生器提供.

3)功能測(cè)試主要包括:工藝修改功能及自動(dòng)運(yùn)行功能測(cè)試.工藝修改功能測(cè)試主要涉及工藝的參數(shù)、步驟的修改、刪除等測(cè)試操作.自動(dòng)運(yùn)行功能測(cè)試主要檢查當(dāng)暫停運(yùn)行或者修改參數(shù)后,系統(tǒng)是否長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行.

4 總結(jié)

經(jīng)過測(cè)試,結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的基于 DSP的四周臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人控制器運(yùn)行穩(wěn)定,具有較快的運(yùn)算速度,較高的控制精度,和較強(qiáng)的抗干擾能力.具備良好的開放性,可根據(jù)不同型號(hào)的臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人,對(duì)控制軟件進(jìn)行修改,實(shí)現(xiàn)控制目的.

[1] 周國榮,李致富,蔣復(fù)岱.基于DSP和CPLD的開放式機(jī)器人控制器[J].控制工程,2006 (1):84～87

[2] 陳 曦,賀建軍,萬 力,等.基于改進(jìn)克隆選擇算法的函數(shù)優(yōu)化問題[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào),2012,25(1):17～20

[3] 高 偉.機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南開大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007