6-DOF運動平臺電控系統(tǒng)方案設(shè)計及仿真

常建軍，呂志寬，李聲晉，盧 剛

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

德國人Stewart在1965年發(fā)明了六自由度并聯(lián)機構(gòu)，該平臺為一封閉工作平臺，其主要由定平臺、動平臺、六根支鏈以及若干關(guān)節(jié)構(gòu)成。支鏈一般為液壓缸或電動缸，通過球鉸虎克鉸與動、定平臺相聯(lián)。六自由度體感運動平臺可提供三個正交方向的平移以及橫滾、偏擺、俯仰三個轉(zhuǎn)動。隨著研究的不斷深入，六自由度并聯(lián)機器人已廣泛應(yīng)用于各種加工、裝配行業(yè)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到應(yīng)用。近年來發(fā)達國家均投巨資對其進行開發(fā)和應(yīng)用。本文針對現(xiàn)有的六自由度平臺，設(shè)計了一種基于CAN總線的運動平臺電控系統(tǒng)。本電控系統(tǒng)由6個伺服電動缸驅(qū)動控制器和一個主控制器組成CAN網(wǎng)絡(luò)，由上位機通過USB2.0數(shù)據(jù)傳輸對六自由度平臺進行實時檢測控制，以保證系統(tǒng)的實時性。通過實驗證明，本電控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、實時性好、可靠性高、擴展性能強等優(yōu)點。

1 6-DOF運動平臺機械結(jié)構(gòu)

6－DOF運動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計采用Solidworks軟件進行實體建模和裝配，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。6－DOF運動平臺由上、下兩個平臺組成，上平臺為運動平臺，下平臺為固定平臺，物體可固定在上平臺實現(xiàn)六自由度運動。兩平臺用6根伺服電動缸及上、下虎克鉸連接。六個虎克鉸鉸點構(gòu)成一個分布圓，每兩個為一組，分成三組，中心對稱。伺服電動缸螺桿的伸縮移動由伺服電機控制器控制直流無刷伺服電機的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩大小來實現(xiàn)。6個電動缸可以自由伸縮，進行6個自由度的獨立運動，即在三維空間內(nèi)可以作任意方向的移動和繞任何方向、位置的軸線轉(zhuǎn)動。伺服電機裝有內(nèi)置正余弦編碼器，在伺服從控制器的配合下，實現(xiàn)位置閉環(huán)控制。

圖1 六自由度平臺機械結(jié)構(gòu)圖

2 6-DOF運動平臺電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制器局域網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱CAN)是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是目前應(yīng)用廣泛的高速現(xiàn)場總線之一，具有通信速率高、實現(xiàn)容易、性價比高等優(yōu)點。同時CAN總線為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從且無須站點地址等節(jié)點信息。CAN總線的通訊方式靈活，只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等方式傳送接收數(shù)據(jù)，無須專門的“調(diào)度”。CAN總線采用短幀格式通信，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果，每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，從而保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，尤其在網(wǎng)絡(luò)負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。因此，本文設(shè)計的基于CAN總線的六自由度運動平臺電控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、實時性高、安全可靠、可擴展性強等優(yōu)點。

如圖2所示，本文設(shè)計了一種總線型拓撲結(jié)構(gòu)，通過主控制器的CAN隔離收發(fā)芯片CTM8251D和從控制器的CAN隔離收發(fā)芯片ISO1050，把現(xiàn)場總線中分散的主控制器和伺服電機控制器掛接在CAN總線上，并按照現(xiàn)場總線的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層協(xié)議，實現(xiàn)主、從控制器之間的CAN通訊功能。

圖2 基于CAN總線的多電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個電控系統(tǒng)由上位機、CAN總線、主從控制器和直流無刷伺服電動缸4個部分組成。系統(tǒng)采用PC機作為監(jiān)控主機，實現(xiàn)對各控制器的監(jiān)控和管理;CAN總線隔離收發(fā)器完成CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，實現(xiàn)PC機和CAN總線之間的通訊。各伺服從控制器通過 TI公司的TMS320F28335完成數(shù)據(jù)的收發(fā)以及對直流無刷伺服電動缸的控制。從該電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出，無論哪個從控制器的電動缸出現(xiàn)故障，不會影響到其他控制器和電動缸，這一設(shè)計可以容易使該系統(tǒng)完成故障定位，同時降低了系統(tǒng)設(shè)計成本。

3 電控系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

3.1 主控制器設(shè)計

主控制器主要完成位置反解和CAN通訊兩大任務(wù)，同時也是該電控系統(tǒng)信息傳輸?shù)募~帶。根據(jù)該平臺電控系統(tǒng)對主控制器的要求以及現(xiàn)有條件，本系統(tǒng)選用Microchip公司生產(chǎn)的dsPIC30F6012A作為運動平臺主控制器的MCU。Microchip公司生產(chǎn)的dsPIC30F6012A擁有12位A/D、內(nèi)部EEPROM存儲器、內(nèi)部RAM、輸出比較、輸入捕捉、編碼器接口、I2C和SPI接口、通用異步串行通訊(UART)接口、兩路CAN接口以及Flash程序存儲器。

本電控系統(tǒng)通過USB2.0與上位機進行通訊，使上位機能夠?qū)崟r監(jiān)測到六自由度運動平臺的目前姿態(tài)和各電動缸的運動情況。在上位機與主控制器之間采用SPI轉(zhuǎn)USB通訊方式完成。如圖3所示，該電路采用FPGA+CY7C68013組成，為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用高速光耦A(yù)DUM1401進行隔離。

圖3 SPI轉(zhuǎn)USB2.0通訊實物

如圖4所示，dsPIC30F6012A芯片內(nèi)部集成了兩路CAN2.0B通訊模塊，外接雙路CAN隔離收發(fā)器CTM8251D即可構(gòu)成兩路CAN總線。選取一路CAN總線作為主控制器與6個伺服從控制器進行實時控制和接收反饋信息的通道。

圖4 主控制器硬件原理框圖

3.2 伺服從控制器設(shè)計

本電控系統(tǒng)采用德州儀器生產(chǎn)的TMS320F28335芯片作為直流無刷伺服電動缸控制器的MCU，它是一款高性能的32位CPU，單精度浮點運算單元(FPU)，采用哈佛流水線結(jié)構(gòu)，主頻最高可達150 MHz。該芯片具有18個PWM輸出、包含6個高分辨率脈寬調(diào)制模塊(HRPWM)、6個事件捕獲輸入、2通道的正交調(diào)制模塊(QEP)，串行外設(shè)有2通道CAN模塊。其中兩路正交捕捉模塊(QEP1/2)方便與直流無刷伺服電動缸的編碼器接口，CAN模塊方便與主控制器組成CAN總線。

本系統(tǒng)設(shè)計的直流無刷伺服電動缸從控制器原理結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。系統(tǒng)采用典型時鐘頻率30 MHz晶振為TMS320F28335芯片提供系統(tǒng)時鐘，使芯片正常工作;電源上電后為使DSP得以正確初始化其必須處于復(fù)位狀態(tài)，本系統(tǒng)采用MAX809配合阻容元件完成該任務(wù)。主電源模塊通過隔離、穩(wěn)壓等處理為 TMS320F28335和IPM模塊供電。TMS320F28335芯片可以通過內(nèi)置CAN模塊進行CAN通訊，接收由主控制器發(fā)來的動作指令，然后將收到指令與通過編碼器反饋回來的信號進行比較，啟動內(nèi)部閉環(huán)功能模塊，將最終的PWM信號通過高速光耦隔離器件HCPL4506提供給三菱公司的IPM模塊，實現(xiàn)對電動缸的閉環(huán)控制。為了滿足技術(shù)要求，該電控系統(tǒng)選用三菱公司的PM50CLA060功率模塊，該模塊額定電壓為600 V，額定電流50 A，最高工作頻率可達20 kHz，絕緣電壓為2 500 V，工作溫度范圍－20～150℃，內(nèi)部集成過流、欠壓、過溫保護功能，并可將檢測信號送到DSP作中斷處理。

圖5 從控制器原理結(jié)構(gòu)框圖

4 電控系統(tǒng)軟件設(shè)計

主控制器主要完成的功能包括兩部分:與上位機的通訊以及對從控制器采用CAN通訊進行監(jiān)控，該控制器軟件主要包括主程序和CAN中斷服務(wù)子程序組成。軟件采用模塊化設(shè)計，如圖6所示。在主程序中首先要完成模塊的初始化，之后主要完成的任務(wù)包括CAN模塊和SPI模塊的中斷和相應(yīng)寄存器設(shè)置以及時鐘配置，對變量的聲明及初始化。dsPIC30F6012A的寄存器配置主要包括:系統(tǒng)時鐘配置、系統(tǒng)復(fù)位設(shè)置、看門狗設(shè)置以及PWM輸出設(shè)置。主控制器初始化完畢后開啟SPI中斷對上位機發(fā)送的姿態(tài)指令進行接收。當(dāng)主控制器接收到姿態(tài)指令后進行位置反解計算，然后將各電缸位置指令經(jīng)CAN總線發(fā)送給相應(yīng)的從控制器，由從控制器完成各相應(yīng)電缸位置閉環(huán)。在主程序循環(huán)中等待CAN接收中斷，在CAN中斷服務(wù)子程序中判斷數(shù)據(jù)類型并分類、打包然后發(fā)送至上位機。

圖6 主控器軟件流程圖

伺服從控制器主要完成與主控制器的CAN通訊以及驅(qū)動伺服電動缸執(zhí)行上級發(fā)送來的指令動作。其整個控制軟件由主程序和各模塊中斷服務(wù)子程序組成。伺服驅(qū)動器CAN總線通訊采用定時發(fā)送、中斷接收的方式。通過執(zhí)行Timer0定時中斷服務(wù)子程序向主控制器發(fā)送電動缸實時位移值，Timer0的中短周期設(shè)置為1 ms。定時發(fā)送子程序如圖7所示。

配置DSP的CAN模塊在接收到CAN報文后產(chǎn)生接收中斷。在中斷服務(wù)子程序中讀取CAN緩沖寄存器中的內(nèi)容并進行數(shù)據(jù)解包判斷不同類型的數(shù)據(jù)包并更新目標(biāo)位置值變量。中斷接收子程序如圖8所示。

圖7 定時發(fā)送子程序

圖8 中斷接收子程序

PWM模塊初始化程序中設(shè)置PWM計數(shù)器為零時產(chǎn)生中斷，中斷頻率為10 kHz，即每0.1 ms發(fā)生一次中斷。PWM中斷處理程序是整個控制軟件最重要的部分，該中斷處理程序主要完成以下功能:

(1)轉(zhuǎn)子位置的辨識，為電缸提供可靠的換相信息。

(2)通過轉(zhuǎn)子位置信息換算電動缸實時位移。

(3)位置閉環(huán)PID計算，根據(jù)PID計算結(jié)果更新PWM占空比調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速。

PWM中斷服務(wù)子程序、PID計算子程序、轉(zhuǎn)子位置辨識子程序框圖分別如圖9所示。

當(dāng)IPM模塊發(fā)生欠壓、過溫、過流等故障時Fault信號會輸出低電平，該信號觸發(fā)INT1中斷。在INT1中斷服務(wù)子程序中DSP關(guān)閉PWM模塊輸出、控制點亮故障報警燈、通過CAN通訊向上位機發(fā)送故障代碼。

5 運動學(xué)仿真結(jié)果

定義六個自由度的運動都為正弦方式，定義仿真類型為運動學(xué)仿真。定義仿真時間為10 s。定義仿真步長為0.1 s。定義分析精度為1.0。

ADAMS/Solve對于裝配分析、靜態(tài)分析、運動學(xué)分析和動力學(xué)分析采用的都是插值方法求解方程。在插值求解過程中，需要指定允許的誤差，允許誤差過大會導(dǎo)致仿真分析失敗或出現(xiàn)錯誤的仿真結(jié)果，允許誤差過小則會大大增加仿真分析的機時和成本甚至?xí)狗抡鏌o法進行下去。仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 平臺運動學(xué)仿真

分析圖10中電動缸運動位移、速度、加速度曲線可以看出，伸縮桿位移曲線都表明位移的變化頻率與上平臺輸入頻率是一致的。速度與位移、加速度與速度之間呈明顯的微分關(guān)系。

6 結(jié) 語

本文針對現(xiàn)有的六自由度平臺設(shè)計了電動缸電控系統(tǒng)，對系統(tǒng)的硬件電路及軟件流程作了詳細介紹，并進行了仿真，仿真結(jié)果證明此系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、速率高、應(yīng)用可靠等優(yōu)點?；贑AN總線的六自由度平臺的電控系統(tǒng)具有較高的集成度、較好的實時性和高性價比，可在此基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)上平臺的升降、側(cè)傾等運動，在上平臺加裝配套設(shè)施后可廣泛應(yīng)用于各種加工、裝配行業(yè)、制作模擬器及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

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