小型機(jī)械臂關(guān)節(jié)的分布式自動控制系統(tǒng)設(shè)計

關(guān)艷翠

摘 要：建立了小型機(jī)械臂的分布式運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件平臺，由上位機(jī)和六個關(guān)節(jié)控制器組成，選擇了各控制節(jié)點(diǎn)間的通訊協(xié)議， 由分布式控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計了對應(yīng)的控制軟件。上位機(jī)通過RS-485總線協(xié)調(diào)六個關(guān)節(jié)控制器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的位置控制，進(jìn)而達(dá)到機(jī)械臂直線、圓弧、點(diǎn)到點(diǎn)的任意軌跡運(yùn)動。

關(guān)鍵詞：小型機(jī)械臂；分布式運(yùn)動控制；設(shè)計；關(guān)節(jié)控制器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.041

0 引言

小型機(jī)械臂關(guān)節(jié)的控制問題一直是控制領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[1]。隨著工業(yè)控制的復(fù)雜性增加，需要控制的節(jié)點(diǎn)也隨之增加，若信息處理和控制信號產(chǎn)生都由一個處理器來完成，難免會因?yàn)橐粋€故障導(dǎo)致整個生產(chǎn)系統(tǒng)故障[2]。因此需要從系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)角度，本文將采用RS-485總線四線制來設(shè)計機(jī)械臂關(guān)節(jié)的分布式自動控制。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 關(guān)節(jié)控制器設(shè)計

關(guān)節(jié)控制器由石墨電刷直流電機(jī)供電。選擇尺寸小、運(yùn)算速度高的DSP TMS320F240作為關(guān)節(jié)控制器的核心處理單元。時鐘頻率達(dá)20MHz，供電電源5V。通過JTAG接口可對DSP進(jìn)行在線調(diào)試。在程序設(shè)計以及調(diào)試階段，DSP需要外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲器作為運(yùn)行內(nèi)存。利用內(nèi)部的正交編碼器和計數(shù)器進(jìn)行判向和計數(shù)，就可以向DSP反饋電機(jī)的位置，通過測量編碼器或通道的脈沖頻率可以獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

機(jī)械臂的肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)范圍最大，因此需要的轉(zhuǎn)速也最大，設(shè)置為1623rmp，脈沖信號最高頻率為1623×512/60=13850Hz，TMS320F240允許的最大計數(shù)頻率為時鐘頻率的1/4，即5MHz，正常計數(shù)頻率是脈沖頻率的4倍，因此脈沖信號頻率為1280kHz。顯然可以正確計數(shù)。

1.2 RS-485總線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計

為了增加通信的傳輸距離，提高傳輸速率，增強(qiáng)抗干擾能力，制定了RS-485串行總線通信標(biāo)準(zhǔn)。RS-485有二線制和四線制兩種方式。二線制可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)雙向通信，但是只能在半雙工通信模式下；四線制具有全雙工通信模式，但只能實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，從設(shè)備間無法直接通信。而分布式控制系統(tǒng)只需配置一個主設(shè)備和多個從設(shè)備，因此RS-485總線選擇四線制。

機(jī)械臂關(guān)節(jié)設(shè)計中，主計算機(jī)為主節(jié)點(diǎn)，各關(guān)節(jié)控制器為從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)間無需數(shù)據(jù)交互，從節(jié)點(diǎn)只接收主節(jié)點(diǎn)的任務(wù)，任務(wù)為選擇運(yùn)動速度和目標(biāo)位置。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 關(guān)節(jié)控制器軟件設(shè)計

機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制器的核心處理單元選擇DSPTMS320F240，主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)設(shè)備的位置環(huán)控制和速度環(huán)控制。

位置環(huán)和控制環(huán)從接受指令到做出動作的反應(yīng)時間為2ms。機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制器中還增加了速度環(huán)，以提高機(jī)械臂動作的靈敏度。位置環(huán)和控制環(huán)都采用PID控制，目的是為了消除控制量的靜差、提高控制精度。由動作調(diào)試要求，選擇PID調(diào)節(jié)全部作用還是部分作用。零位霍爾接近開關(guān)用于確定設(shè)備的絕對位置，增加增量編碼器通道，可以提高設(shè)備絕對位置的準(zhǔn)確率。路徑規(guī)劃求得的目標(biāo)位置轉(zhuǎn)換為增量碼盤的脈沖數(shù)后傳給關(guān)節(jié)控制器。關(guān)節(jié)控制器比較目標(biāo)值和實(shí)測值，將二者誤差輸入PID算法中獲得位置調(diào)節(jié)量。PID控制算法可以減小超調(diào)量，改善運(yùn)動性能。其積分?jǐn)?shù)字控制形式為：

該式可以編制控制程序。主機(jī)每50ms將速度環(huán)的輸入值發(fā)送給各關(guān)節(jié)控制器，與速度反饋值進(jìn)行比較，再次輸入PID算法中獲得速度環(huán)調(diào)節(jié)量，二者調(diào)節(jié)量限幅延時后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換輸?shù)津?qū)動器，控制電機(jī)運(yùn)行。值得注意的是，設(shè)備啟動、停止需要的指令值變化巨大，短時間內(nèi)會造成PID過大的積分積累，使得調(diào)節(jié)量超過極限控制量，引起系統(tǒng)超調(diào)，甚至振蕩，因此限制調(diào)節(jié)量輸出幅值是有必要的。

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)要求人機(jī)界面友好，可操作性強(qiáng)。第一是響應(yīng)界面指令，從數(shù)據(jù)庫中讀寫參數(shù)；第二是根據(jù)界面指令值，算出機(jī)械臂關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃在各個時間段內(nèi)的目標(biāo)位置；第三是讀取目標(biāo)位置參數(shù)值，通過RS-485總線向六個關(guān)節(jié)發(fā)出指令，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動。

3 實(shí)驗(yàn)

先進(jìn)行單關(guān)節(jié)調(diào)試，向主機(jī)寫入指令，2ms內(nèi)機(jī)械臂無動作，則返回提示信息。響應(yīng)則在主機(jī)界面上顯示收發(fā)信息，包括機(jī)械臂的絕對位置和轉(zhuǎn)動角度。通信正常，顯示器顯示綠色實(shí)際位置曲線，反之，為紅色。

其次進(jìn)行六關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)，監(jiān)控界面上定義20ms發(fā)生一次通信信號，內(nèi)容包括增量位置和絕對位置。在所有關(guān)節(jié)控制器的響應(yīng)通信時間均小于20ms時，符合通信響應(yīng)速度要求。

為了檢測機(jī)械臂關(guān)節(jié)的點(diǎn)對點(diǎn)、直線和圓弧的靈活動作位姿，給出了機(jī)械臂某關(guān)節(jié)位置隨時間的變化軌跡，輸出限幅范圍為1000mm，關(guān)機(jī)控制器取12V對應(yīng)50%占空比電機(jī)端電壓。六關(guān)節(jié)機(jī)械臂的任意軌跡運(yùn)動精確、迅速。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述硬件和軟件設(shè)計的正確性和執(zhí)行效率。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了上位機(jī)和六個關(guān)節(jié)控制器，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的位置環(huán)和速度環(huán)的控制，選擇了各控制節(jié)點(diǎn)間的RS-485總線四線制連接方式，由分布式控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計了對應(yīng)的控制軟件。上位機(jī)通過RS-485總線協(xié)調(diào)六個關(guān)節(jié)控制器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂點(diǎn)對點(diǎn)、直線和圓弧任意軌跡運(yùn)動。

參考文獻(xiàn)：

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