陳 曦,余 超,彭 鑫,歐陽竟成,榮 軍,李茜銘

(湖南理工學院 信息與通信工程學院,湖南 岳陽 414006)

引言

目前,臺式工業(yè)機器人已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)領域.作為臺式工業(yè)機器人的核心部件——機器人控制器,也有著長足的進步.以單片機為核心的控制器逐步被運算速度更快、處理能力更強的數(shù)字信號處理器——DSP(Digital Signal Processor)所取代.本文以東莞速美達公司提供的四軸臺式工業(yè)機器人為研究對象,研究和設計了一種基于嵌入式系統(tǒng)的臺式機器人通用控制器.該控制器硬件電路采用模塊化設計,利用CCS(Coder Composer Studio)進行軟件開發(fā),很好的提高了控制系統(tǒng)的實時性和可靠性.

1 硬件設計

1.1 控制系統(tǒng)的硬件結構

控制系統(tǒng)的整體硬件結構由三個層次組成,包括上位機、控制器及驅動電路.上位機完成路徑規(guī)劃及軌跡規(guī)劃后,將結果輸送給控制器進行插補運算并通過驅動電路進行伺服控制,如圖 1所示.

圖1 控制系統(tǒng)的硬件結構圖

1.2 DSP與CPLD組成的控制器

控制器的主要硬件結構由DSP和CPLD組成.DSP芯片根據(jù)設計要求,我們選用TMS320VC5402型號的DSP芯片作為控制器的CPU,其具有很快的速度和很強的操作靈活性.CPLD接收到來自傳感器的驅動編碼器的位置信號后,進行鑒相及加減計數(shù)得到實際位置并將數(shù)據(jù)儲存在寄存器中.DSP讀取實際位置數(shù)據(jù)并與插補點的目標位置進行比較,獲得位置誤差,通過運動控制算法得到校正信號,指導驅動器輸出速度模擬信號給四個伺服電機,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,并可升級為64位,總線頻率33MHz,因此其最大傳輸速率可達到132MB/S及264MB/S.本文采用PX9054型號的PCI接口,通過一個雙向RAM實現(xiàn)DSP與上位機PC的通信.通信方式采用定時傳送及握手信號的方式,上位機按固定周期發(fā)送信號,信號發(fā)送完畢后,再發(fā)送一個發(fā)送完畢的信號,下位機接收到發(fā)送完畢信號后,馬上讀取雙向 RAM 中的數(shù)據(jù).反之,下位機向上位機上傳數(shù)據(jù)的通信也遵循這種方式.

1.4 交流伺服電機驅動

交流伺服電機驅動接收來自 DSP的運動控制信號,經(jīng)過計算,產(chǎn)生驅動控制電路能夠接收的脈沖信號,并接收來自電機的反饋速度信號,對電機轉速進行速度調整.本文采用松下 MINAS-A系列的交流伺服驅動,可滿足位置、速度、轉矩三種控制方式,其最大速度響應頻率為 500Hz.具備頻率解析功能,方便查找機械共振點,便于抑制共振,因此很適合于機器人控制.

2 軟件設計

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,采用由上至下的設計思路,分層次,分模塊的進行程序設計.每個模塊各自具有不同的軟件功能,如圖3所示.

圖3 軟件設計原理圖

3 系統(tǒng)測試

在完成硬件電路及軟件系統(tǒng)的制作與調試后,對臺式機器人控制系統(tǒng)進行了現(xiàn)場測試,測試內容包括:臺式工業(yè)機器人自由度測試,伺服電機測試,功能測試.

1)臺式工業(yè)機器人自由度測試包括兩部分內容:氣動驅動能力測試及運動條件測試.前者是指手動設定I/O的開閉狀態(tài),檢查機器人時候動作到位;后者是指在軟件設計時,對機器人的動作加入若干限定條件,滿足限定條件后,動作才能執(zhí)行.

2)伺服電機測試包括:伺服電機運轉測試,重復定位精度測試,速度測試.對伺服電機的脈沖信號,仿真的脈沖發(fā)生器提供.

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

4 總結

經(jīng)過測試,結果表明本文設計的基于 DSP的四周臺式工業(yè)機器人控制器運行穩(wěn)定,具有較快的運算速度,較高的控制精度,和較強的抗干擾能力.具備良好的開放性,可根據(jù)不同型號的臺式工業(yè)機器人,對控制軟件進行修改,實現(xiàn)控制目的.

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

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

[3] 高 偉.機器人控制器設計與實現(xiàn)[D].南開大學碩士學位論文,2007