基于ARM+DSP的三軸工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制器設(shè)計(jì)

王成瓊，麥麥提明·阿不都克力木，尹福成，劉武周

(1.內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化技術(shù)系，四川內(nèi)江 641100；2.喀什大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，新疆喀什 844006； 3.內(nèi)江師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，四川內(nèi)江 641100；4.內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育研究所，四川內(nèi)江 641100)

0 引言

我國正處于工業(yè)制造向工業(yè)創(chuàng)新轉(zhuǎn)化的重要階段，工業(yè)機(jī)器人越來越多被應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人中涉及到多種技術(shù)包括運(yùn)動控制、信號讀取部分、傳動部分等部分[1]，其中最核心部分是運(yùn)動控制部分。在工業(yè)控制機(jī)器人中設(shè)備常用控制方式有2種。一種是集中式控制即完成核心處理器的設(shè)計(jì)，運(yùn)動控制部分采用成熟驅(qū)動器，另一種是分布式控制，CPU完成主要分配任務(wù)而DSP完成精確定位信號處理部分。由于便于管理后者越來越成為工業(yè)工廠的發(fā)展趨勢[2]。

為了研制一款成本低、性能和可靠性滿足一般三軸運(yùn)動工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制輸出3路電機(jī)脈沖和模擬量輸出信號完成伺服驅(qū)動器的控制，輸入部分也有3路正交增量式編碼器信號輸入和開關(guān)量輸入。最后對關(guān)鍵電路和定位精度完成驗(yàn)證。

1 定位嵌入式整體功能介紹

圖1 運(yùn)動控制整體結(jié)構(gòu)

三軸工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動控制整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機(jī)控制部分的電機(jī)和驅(qū)動器采用MR-JE-70A數(shù)字式交流類型，主要控制步驟開始為專用軟件寫入配置參數(shù)，然后采用脈沖和模擬量信號控制電機(jī)工作在位置、扭矩和速度模式[3]。被控驅(qū)動器采用ARM為核心處理芯片與DSP協(xié)同配合處理運(yùn)動控制信號。

控制器主要具備功能包括人機(jī)交互、脈沖輸出和輸入、模擬量輸出、驅(qū)動器控制接口控制模式I/O配置等，除此之外還具有一般嵌入式電路的下載功能、內(nèi)存擴(kuò)展功能等。多CPU之間采用SPI總線進(jìn)行50 Mbit/s傳輸速度通信[4]，DSP主要負(fù)責(zé)每個(gè)關(guān)節(jié)伺服控制定位和控制輸出脈沖計(jì)算。ARM板控制核心采用S5N8946，DSP采用TMS320。

2 運(yùn)動控制硬件設(shè)計(jì)

此運(yùn)動控制器電路還包括電源設(shè)計(jì)、最小系統(tǒng)、高速光耦、高速脈沖等多個(gè)電路[5]，根據(jù)三軸工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動控制特點(diǎn)對主要部分電路進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。

2.1 24 V-5 V電源轉(zhuǎn)換電路

24 V-5 V電源轉(zhuǎn)換電路核心芯片主要分2類：一類是線性穩(wěn)壓芯片，這類芯片通常有高穩(wěn)定度和小波紋的特點(diǎn)，由于內(nèi)部采用的是多組變壓器相互作用輸出電壓，當(dāng)電壓幅度要求比較高時(shí)需要散熱更好的多組變壓器，其利用效率會不足30%，典型代表有LM78系列芯片。另一類開關(guān)關(guān)穩(wěn)壓芯片的轉(zhuǎn)換效率比較高，由于采用的外置變壓器和電容，內(nèi)部只有邏輯電路造成紋波電壓很大，需要進(jìn)行良好的濾波處理，典型芯片有LM2575和LM2576[6]。本電源系統(tǒng)中采用轉(zhuǎn)換效率更高的開關(guān)穩(wěn)壓管LM2575-5.0作為第一級轉(zhuǎn)換芯片[7]，供電源經(jīng)LM2575-5.0開關(guān)穩(wěn)壓管后輸出5 V的穩(wěn)定直流電壓，給系統(tǒng)各板載IC供電，24 V-5 V電源轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 24 V-5 V電源轉(zhuǎn)換電路

如圖2所示，輸入端C25、C26電容并聯(lián)，增大容值，減小容抗，濾波效果更好。輸出端采用電感L1和π型濾波結(jié)合設(shè)計(jì)[8]，在電路中，電感L1可以濾除信號中的交流電壓成分，因此在直流電源中可以起到平滑電壓的作用。電感對直流阻抗小，交流阻抗大，可以起到抑制干擾信號的作用，在輸出端就獲得比較純凈的直流電流。同時(shí)利用二極管D1的單向?qū)щ娦钥梢云鸬奖Ｗo(hù)后級電路作用。

2.2 關(guān)節(jié)電機(jī)控制接口電路

在輸出接口電路中S5N8946與輸出負(fù)載間也要進(jìn)行隔離，輸入電路與輸出接口電路一樣，將通道定義為4個(gè)一組并進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，隔離器件采用TLP521-4光電隔離器。與輸入接口通道不同的是MCU輸出電流小不足以直接驅(qū)動負(fù)載，設(shè)計(jì)中需將MCU輸出電流放大，輸出電路采用8路達(dá)林頓管ULN2803，輸出接口電路如圖3所示。

圖3 輸出接口電路

S5N8946上電時(shí)引腳呈高電平狀態(tài)，故設(shè)計(jì)輸出電路原理時(shí)光電耦合器的前級上拉電阻R23與電源連接，MCU 發(fā)出的信號通過Y.xOUT與前級構(gòu)成回路，MCU輸出低電平時(shí)有效使得光電耦合器內(nèi)部二極管導(dǎo)通，D5作為耦合器前級導(dǎo)通的指示[9]。由于光耦器件本身輸出電流能力就非常弱，因此不可能帶動后續(xù)的高電流負(fù)載，必須選擇一個(gè)具有電流和功率放大作用的器件。

ULN2803集成8路達(dá)林頓管，內(nèi)置非門邏輯單元，相當(dāng)于反向放大器，輸入端接收邏輯電平信號，在高電平下對應(yīng)輸出端導(dǎo)通，為防止上電導(dǎo)通引起輸出端控制執(zhí)行器件的誤動作[10]，在器件輸出引腳外側(cè)上拉一個(gè)發(fā)光二極管表示電路的工作狀態(tài)。其內(nèi)部已經(jīng)集成消除感性負(fù)載斷電時(shí)產(chǎn)生的反向電壓功能，外部采用環(huán)路形式連接負(fù)載器件，只要保證負(fù)載內(nèi)電流和器件內(nèi)電流形成一個(gè)環(huán)路即可，此電路的公共端接入負(fù)載負(fù)端，在ULN2803COM和GND之間放置去耦電容來提高輸出模塊的抗干擾能力。

2.3 位置控制模式脈沖輸出

當(dāng)直流伺服電機(jī)工作在位置控制或速度控制模式時(shí)，都可以通過脈沖來實(shí)現(xiàn)控制效果，主要的控制線號有2個(gè)，一是DSP計(jì)算出目標(biāo)位置脈序列信號pulse和電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向信號dir，接口信號為TTL電平[11]，采用常用高速光耦芯片6N137進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，可以起到保護(hù)MCU端口的作用，信號輸出脈沖可以達(dá)到1 MHz，具體高速光耦電路如圖4所示。

圖4 高速光耦電路

6N137的VE引腳作為使能作用，一般采用高電平控制。為了保證芯片有一個(gè)穩(wěn)定電壓，采用C30電容進(jìn)行去耦[12]。后側(cè)電路也采用限流電阻加發(fā)光二極管的設(shè)計(jì)方法來保護(hù)電路，且為提高電路驅(qū)動能力需要上拉電壓。

2.4 速度控制模式模式脈沖輸出

當(dāng)伺服電機(jī)處于速度控制模式的時(shí)候，需要輸入-10～+10 V模擬電壓來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，數(shù)字芯片即MCU無法穩(wěn)定輸出可靠的電壓值，需要設(shè)計(jì)DAC轉(zhuǎn)換電路。需要3路以上的模擬信號，所以選擇有4路模擬電壓輸出信號的D/A芯片DAC7724，需要12路并行數(shù)字信號進(jìn)行控制，其中6位信號是地址等信號，6位為模擬輸出信號，輸出電壓可以達(dá)到0.05 mV精度。

如圖5所示VOUT可以分別輸出4路模擬電路，而且數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的正模擬和負(fù)模擬電源電壓分別為±15 V，能夠保證電機(jī)工作在滿轉(zhuǎn)速狀態(tài)。為了保證3路信號的驅(qū)動能力，利用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一種低噪聲高輸入阻抗的模擬隔離電路，選擇的TL074具有4路輸出能力，且電源參考電壓采用專用精密電壓參考源芯片，并且利用反向比例放大電路可以保證系統(tǒng)電壓輸出精度在2.5 mV。

圖5 速度控制模擬量電路

3 運(yùn)動控制軟件設(shè)計(jì)

在運(yùn)動控制系統(tǒng)中起到?jīng)Q定性作用的電路有2個(gè)方面，就是通訊速率和經(jīng)過DSP計(jì)算后電機(jī)的精確定位程序，下面分別對這2個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 SPI通訊程序設(shè)計(jì)

SPI協(xié)議要求主從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的過程中嚴(yán)格遵從同一個(gè)時(shí)鐘頻率，因此在使用時(shí)需要對串行時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)置。串行時(shí)鐘用高低電平分別表示同步時(shí)鐘的工作狀態(tài)，時(shí)鐘相位配置可以選擇數(shù)據(jù)信號在上升或下降沿進(jìn)行傳輸，當(dāng)設(shè)定好CPHA狀態(tài)后數(shù)據(jù)信號碰到第一個(gè)設(shè)定好的時(shí)鐘脈沖沿時(shí)就可以傳送數(shù)據(jù)。SPI串行通訊有4種工作方式，結(jié)果如下所示。

(1)SPI0：CPOL=0，CPHA=0；

(2)SPI1：CPOL=0，CPHA=1；

(3)SPI2：CPOL=1，CPHA=0；

(4)SPI3：CPOL=1，CPHA=1。

工作過程如圖6所示，其余4個(gè)過程基本類似，因此選擇比較有代表性的信號傳輸過程進(jìn)行分析。

圖6 SPI工作方式圖

當(dāng)時(shí)鐘信號即SCK開始出現(xiàn)上升趨勢時(shí)就開始數(shù)據(jù)接收，SDI中的信號即0或1信號被放入到主控芯片寄存器中并保存下來。如此實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)即0xXX的傳送，然后從高電平到低電平依次把數(shù)據(jù)羅列好即完成一段數(shù)據(jù)的發(fā)送，數(shù)據(jù)可以被主控處理器調(diào)用處理。發(fā)送過程大致類似不再贅述。

3.2 電機(jī)定位信號處理程序

伺服系統(tǒng)有3個(gè)控制回路，構(gòu)成三環(huán)結(jié)構(gòu)[13]，分別為：電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，其中電流環(huán)是提高控制精度和響應(yīng)速度、改善控制性能的關(guān)鍵，速度環(huán)控制有助于系統(tǒng)得到良好的靜態(tài)和動態(tài)特性，位置環(huán)作用是產(chǎn)生速度指令并使電機(jī)準(zhǔn)確定位和跟蹤，作為外環(huán)依賴于電流環(huán)和速度環(huán)的控制結(jié)果。除此之外還有伺服電機(jī)和其他一些功能單元也不可或缺，拿其中定位更精確的定位環(huán)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于閉環(huán)系統(tǒng)中位置環(huán)的閉環(huán)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于速度，因此把速度認(rèn)定為位置的慣性部分并降低為一階。將速度環(huán)忽略高次項(xiàng)后可降階為一階慣性環(huán)節(jié)，位置定位控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 位置定位控制結(jié)構(gòu)圖

4 運(yùn)動控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析

驗(yàn)證工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)分2個(gè)部分，第一部分通過設(shè)定不同采樣點(diǎn)觀察系統(tǒng)輸出的脈沖和模擬電壓值，第二部分通過現(xiàn)場測量速度和理論數(shù)據(jù)之間的誤差觀察運(yùn)動控制器整體控制效果。

4.1 D/A電路的功能模塊實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)儀器測量設(shè)備為RIGOL數(shù)字示波器，最小分辨率可以達(dá)到1 mV/div，最大采樣頻率可以達(dá)到500 MHz。實(shí)驗(yàn)主要目的是通過電路性能測試觀察設(shè)計(jì)電路和運(yùn)動控制系統(tǒng)的精度是否可以滿足系統(tǒng)要求[14]。DAC初始數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 DAC初始部分?jǐn)?shù)據(jù)

如圖8所示，數(shù)據(jù)是通過采樣間隔為100個(gè)數(shù)字脈沖通過40次測量得出的數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬合出曲線，數(shù)據(jù)中可以看出實(shí)際數(shù)據(jù)和擬合后數(shù)據(jù)的絕對誤差最大值可以達(dá)到24 mV，因此D/A電路線性誤差就是24 mV，為了得到更高精度系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)補(bǔ)償程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

圖8 D/A輸出電壓曲線圖

4.2 定位精度實(shí)驗(yàn)

定位精度主要是為了測試脈沖輸出模式時(shí)的數(shù)據(jù)波動，主要因素就是脈沖個(gè)數(shù)和頻率，通過系統(tǒng)設(shè)定輸出10 000個(gè)脈沖時(shí)，采用10 kHz進(jìn)行脈沖輸出，通過定位過程中信號的跟隨誤差，發(fā)現(xiàn)當(dāng)脈沖未發(fā)送完畢時(shí)始終會有跟隨誤差，從低到高的整個(gè)過程中跟隨誤差為450個(gè)脈沖，定位時(shí)間為1 s，而且根據(jù)所顯示的數(shù)據(jù)可知，最終位置誤差約為4個(gè)脈沖。

如圖9所示經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同參數(shù)下輸出脈沖頻率越大誤差會增加，最終系統(tǒng)的定位誤差為4/10 000左右。

圖9 輸出600 Hz頻率脈沖偏差

5 結(jié)束語

本文通過嵌入式ARM+DSP架構(gòu)完成三軸工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先設(shè)計(jì)高速SPI通訊、高速I/O輸入輸出和多路D/A等硬件電路，并通過高速通訊程序和高效的定位反饋程序完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，最后測試電路D/A輸出信號和電機(jī)的定位精度。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)可以驅(qū)動多軸工業(yè)機(jī)器人且滿足工業(yè)生產(chǎn)的定位精度要求。