基于DSP的四轴台式工业机器人控制器的研究与设计

陈 曦,余 超,彭 鑫,欧阳竟成,荣 军,李茜铭

(湖南理工学院 信息与通信工程学院,湖南 岳阳 414006)

引言

目前,台式工业机器人已广泛应用于工业生产领域.作为台式工业机器人的核心部件——机器人控制器,也有着长足的进步.以单片机为核心的控制器逐步被运算速度更快、处理能力更强的数字信号处理器——DSP(Digital Signal Processor)所取代.本文以东莞速美达公司提供的四轴台式工业机器人为研究对象,研究和设计了一种基于嵌入式系统的台式机器人通用控制器.该控制器硬件电路采用模块化设计,利用CCS(Coder Composer Studio)进行软件开发,很好的提高了控制系统的实时性和可靠性.

1 硬件设计

1.1 控制系统的硬件结构

控制系统的整体硬件结构由三个层次组成,包括上位机、控制器及驱动电路.上位机完成路径规划及轨迹规划后,将结果输送给控制器进行插补运算并通过驱动电路进行伺服控制,如图 1所示.

图1 控制系统的硬件结构图

1.2 DSP与CPLD组成的控制器

控制器的主要硬件结构由DSP和CPLD组成.DSP芯片根据设计要求,我们选用TMS320VC5402型号的DSP芯片作为控制器的CPU,其具有很快的速度和很强的操作灵活性.CPLD接收到来自传感器的驱动编码器的位置信号后,进行鉴相及加减计数得到实际位置并将数据储存在寄存器中.DSP读取实际位置数据并与插补点的目标位置进行比较,获得位置误差,通过运动控制算法得到校正信号,指导驱动器输出速度模拟信号给四个伺服电机,如图2所示.

图2 控制器原理图

1.3 通讯系统

为改善控制器通信速度,降低误码率,本文采用基于 PCI总线的通讯系统.PCI总线不同于传统的RS232及RS485总线,其总线宽度为32位,并可升级为64位,总线频率33MHz,因此其最大传输速率可达到132MB/S及264MB/S.本文采用PX9054型号的PCI接口,通过一个双向RAM实现DSP与上位机PC的通信.通信方式采用定时传送及握手信号的方式,上位机按固定周期发送信号,信号发送完毕后,再发送一个发送完毕的信号,下位机接收到发送完毕信号后,马上读取双向 RAM 中的数据.反之,下位机向上位机上传数据的通信也遵循这种方式.

1.4 交流伺服电机驱动

交流伺服电机驱动接收来自 DSP的运动控制信号,经过计算,产生驱动控制电路能够接收的脉冲信号,并接收来自电机的反馈速度信号,对电机转速进行速度调整.本文采用松下 MINAS-A系列的交流伺服驱动,可满足位置、速度、转矩三种控制方式,其最大速度响应频率为 500Hz.具备频率解析功能,方便查找机械共振点,便于抑制共振,因此很适合于机器人控制.

2 软件设计

采用TI公司推出的CCS5000作为软件开发环境,将C语言作为编程语言,采用由上至下的设计思路,分层次,分模块的进行程序设计.每个模块各自具有不同的软件功能,如图3所示.

图3 软件设计原理图

3 系统测试

在完成硬件电路及软件系统的制作与调试后,对台式机器人控制系统进行了现场测试,测试内容包括:台式工业机器人自由度测试,伺服电机测试,功能测试.

1)台式工业机器人自由度测试包括两部分内容:气动驱动能力测试及运动条件测试.前者是指手动设定I/O的开闭状态,检查机器人时候动作到位;后者是指在软件设计时,对机器人的动作加入若干限定条件,满足限定条件后,动作才能执行.

2)伺服电机测试包括:伺服电机运转测试,重复定位精度测试,速度测试.对伺服电机的脉冲信号,仿真的脉冲发生器提供.

3)功能测试主要包括:工艺修改功能及自动运行功能测试.工艺修改功能测试主要涉及工艺的参数、步骤的修改、删除等测试操作.自动运行功能测试主要检查当暂停运行或者修改参数后,系统是否长时间稳定运行.

4 总结

经过测试,结果表明本文设计的基于 DSP的四周台式工业机器人控制器运行稳定,具有较快的运算速度,较高的控制精度,和较强的抗干扰能力.具备良好的开放性,可根据不同型号的台式工业机器人,对控制软件进行修改,实现控制目的.

[1] 周国荣,李致富,蒋复岱.基于DSP和CPLD的开放式机器人控制器[J].控制工程,2006 (1):84～87

[2] 陈 曦,贺建军,万 力,等.基于改进克隆选择算法的函数优化问题[J].湖南理工学院学报,2012,25(1):17～20

[3] 高 伟.机器人控制器设计与实现[D].南开大学硕士学位论文,2007