CN103576614A - 一种多轴运动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多轴运动控制器，包括由PC机和多轴运动控制器组成的主从式开放型硬件系统，PC机为主控制器，多轴运动控制器为从控制器；多轴运动控制器通过伺服驱动器控制交流永磁同步电机，交流永磁同步电机与光电编码器连接，光电编码器对交流永磁同步电机的运行状态进行检测并作为反馈信号通过伺服驱动器传递给多轴运动控制器。本发明提供的系统克服了现有技术的不足，最大限度地发挥了PC机丰富的软件资源和多轴运动控制器高速硬件的优势，既满足了控制器实时性的要求，也满足了高精度的要求，且具有通用性。

Description

一种多轴运动控制系统

技术领域

本发明涉及一种多轴运动控制系统，属于机器人控制技术领域。

背景技术

目前，面对工业制造的差异化和产品加工的个性化，传统的封闭或半封闭型的专用运动控制器已经逐渐不能满足日趋增长的工业需求，研发兼容性强的开放式机器人多轴运动控制平台越来越受到相关研究领域的重视。如今，运动控制系统的核心组成——多轴运动控制器已经作为一个独立的工业自动化控制类产品，被广泛应用于各类自动化领域，并朝着开放化、模块化和通用化的趋势在快速发展。

开放式结构控制器是指：控制器设计的各个层次对用户开放，用户可以方便的扩展和改进其性能。福特(Ford)将“开放”的思想作了如下总结：

(1)使用基于非专用的计算机平台开发系统(如Sun，SGI，PC)；

(2)使用标准的操作系统(如UNIX，Vxworks)和标准的编程语言(如C，C++)；

(3)使用标准的总线结构，有各种外围设备和传感器接口；

(4)使用网络通讯，实现数据资源共享，并能够进行远程操作。

上述总结简言之为：可扩展性、可移植性、可伸缩性和可互操作性。

现有的多轴运动控制器的系统架构方案大致可归纳为三类：分布式控制架构、集中式控制架构和主从式控制架构。

其中，分布式架构将运动控制软件集中于主控制器(PC机)中，运动控制器仅作为计算机与伺服驱动器之间的具有标准通用接口的连接装置；该类控制架构硬件成本较低、使用灵活，但是开发难度大。

集中式控制架构将PC机和运动控制器集成为一体，控制功能都集中于该嵌入式平台中。一般拥有实时嵌入式操作系统、以太网接口、蓝牙等功能，可与其它PC机实现远程连接。该方案成本低，但开放性较差，软硬件升级困难，开发工作量大。

主从式控制架构采用PC机与多轴运动控制器相结合的主从层式。PC机作为主层，承担系统管理、机器人语言编译、离线运算(如运动学、轨迹插补计算等)和人机交互功能；运动控制器作为从层，接收PC机控制指令并完成各执行机构的运动控制任务。主从层之间通过计算机标准总线(如PC-104、PCI、USB、ISA等)进行通讯，通过公用内存交换数据。该架构在保证技术实施难度和研发工程量适中的情况下，最大限度的体现了“开放”的理念。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有通用性、实时性且高精度的多轴运动控制系统。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种多轴运动控制系统，其特征在于：由PC机和多轴运动控制器组成的主从式开放型硬件系统，PC机为主控制器，多轴运动控制器为从控制器；多轴运动控制器通过伺服驱动器控制交流永磁同步电机，交流永磁同步电机与光电编码器连接，光电编码器对交流永磁同步电机的运行状态进行检测并作为反馈信号通过伺服驱动器传递给多轴运动控制器；

多轴运动控制器由控制板和接口板组成，接口板作为控制板与电机伺服驱动器之间的接口衔接，负责输入输出信号的预处理；控制板包括互相连接的存储模块、DA模块、DSP模块、CPLD模块和PCI模块，电源模块为存储模块、DA模块、DSP模块、CPLD模块和PCI模块供电；接口板为IO模块，电源模块也为IO模块供电优选地，所述PC机和多轴运动控制器之间采用标准的32位PCI总线进行数据传输。

优选地，所述PC机和多轴运动控制器之间采用标准的32位PCI总线进行数据传输，PCI模块总线芯片的配置信息通过串行EEPROM载入，串行EEPROM作为PCI模块接口初始化配置信息的存储介质。

优选地，所述存储模块包括双端口RAM模块、电平转换模块和SRAM模块；双端口RAM模块作为PC机和DSP模块大量实时数据交换的场所与所述PCI模块连接的同时通过电平转换模块与DSP模块相连，电平转换模块与双端口RAM模块、所述CPLD模块和DSP模块连接；SRAM模块与所述DSP模块连接，作为所述DSP模块的外部存储扩展器件。

优选地，所述CPLD模块作为所述DSP模块的硬件资源扩展单元，负责所述交流永磁同步电机的位置反馈信号——正交编码信号的倍频鉴相和计数处理，并完成地址译码、片选、伺服报警和报警消除功能。

优选地，所述CPLD模块在处理正交编码信号时带滤波功能，滤波后四倍频鉴相，再计数输出。

优选地，所述PC机和多轴运动控制器之间通过一片具备双向数据传输功能的双端口RAM芯片作为数据交换的场所，位于芯片左右两侧的处理器可同步读或者写存储区的任何单元。

优选地，所述电源模块在给DSP模块供电时采用IO模块先上电，内核后上电的上电次序，而且二者上电时间差不超过1秒。

优选地，所述交流永磁同步电机的伺服控制具有三个闭环，由内到外分别为：电流闭环、速度闭环和位置闭环；所述伺服驱动器完成位于内层的电流闭环和中层的速度闭环伺服控制，所述多轴运动控制器完成最外层的位置闭环伺服控制。

本发明提供的系统克服了现有技术的不足，最大限度地发挥了PC机丰富的软件资源和多轴运动控制器高速硬件的的优势，既满足了控制器实时性的要求，也满足了高精度的要求，且具有通用性。

附图说明

图1为多轴运动控制系统结构图；

图2为多轴运动控制器的硬件功能模块框图；

图3为CPLD功能框图；

图4为带滤波功能的正交信号四倍频鉴相计数逻辑电路示意图；

图5为多轴运动控制器软件系统框架。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

图1为本发明提供的多轴运动控制系统结构图，其中，PC机作为主控制器完成任务空间和关节空间轨迹规划、关节空间轨迹的指令周期插补、虚拟示教、机器人位姿实时状态显示、示教指令解释、人机交互、网络通讯等任务级功能。MAMC(Multi-Axis Motion Controller)多轴运动控制器(从控制器)作为整个系统执行运动控制任务的核心设备，充当主控制器与电机伺服驱动器之间的桥梁，执行PC机的目标位置控制指令，承担关节空间轨迹的伺服周期插补、伺服闭环控制等伺服级任务。MAMC多轴运动控制器模块化为控制板和接口板，通过伺服驱动器，控制交流永磁电机。光电编码器反馈回来的位置信号通过伺服驱动器传递给MAMC多轴运动控制器。交流永磁同步电机的伺服控制一般具有三个闭环，由内到外分别为：电流闭环、速度闭环和位置闭环。电机伺服驱动器完成位于内层的电流闭环和中层的速度闭环伺服控制，多轴运动控制器完成最外层的位置闭环伺服控制。

图2为本实施例中硬件部分MAMC多轴运动控制器的硬件功能模块框图。MAMC多轴运动控制器整体硬件电路由控制板和接口板组成，其中，控制板以DSP和CPLD为核心，分为电源(Power)模块、存储(Memory)模块、数模转换(DA)模块、CPLD模块和PCI模块；接口板独立为一个功能模块——IO模块。

本实施例硬件部分组成结构及功能说明如下：

1)在本实施例中，考虑到DSP程序代码调试中数据量庞大可能会导致SRAM空间紧张，我们采用了高性能、低功耗的SRAM芯片作为DSP的外部存储扩展器件，并将其映射至DSP外部扩展存储空间。

2)另外，本实施例中，为便于PC机与DSP的大量实时数据交换和提高数据读取的效率，我们采用了具高速双向数据传输功能的双端口RAM(DPSRAM)芯片作为数据交换场所，并映射至DSP的外部扩展存储空间。该DPSRAM芯片具有左侧和右侧两套数据总线、地址总线和控制总线，位于芯片左右两侧的处理器可同步读或写存储区的任何单元。为保证数据读写的正确性和有序性，该芯片内置了读写仲裁电路以应对某些特殊情况：①两侧处理器同时对同一地址单元写入数据；②两侧处理器同时对同一地址单元操作，一侧写入数据，另一侧读出数据。对于这两种情况，内部忙逻辑仲裁使能信号先到达一侧先进行数据传输，后到达的一侧处于暂时等待且自动使能己侧BUSY信号以示等待状态，待前者数据传输完毕后，再进行数据传输；若两侧使能信号同时到达，则以地址信号稳定时间为判断准则，以此来实现仲裁机制。同一时间对不同地址数据的操作或不同时间对同一地址的操作可不经由仲裁逻辑直接予以执行。

3)在本实施例中，针对六自由度串联机器人的控制需求，选用了3片具有锁存输出锁存功能的的4通道12位高速DA转换芯片。全部12个通道中的6个通道作为6个伺服电机的模拟量电压输入，剩余6个通道用来为速度控制模式下的扭矩阈限或扭矩控制模式下的速度阈限提供模拟电压基准。

4)在本实施例中，采用CPLD作为DSP的硬件资源扩展单元，负责电机的位置反馈信号——正交编码信号的频鉴相和计数处理，并完成地址译码、片选、伺服报警和报警消除等逻辑功能。其内部功能框图如图3所示。

a)针对多轴(三轴及三轴以上)并行控制的场合，需调用CPLD逻辑资源扩展新的QEP倍频鉴相计数功能模块。本实施例设计了一种带滤波功能的正交信号四倍频鉴相计数逻辑电路，其原理示意如图4。

图4中，A、B信号为相位相差90°的两路正交编码信号，AA、BB分别为A、B信号经滤波处理之后的信号；CLK1为滤波时钟脉冲信号，CLK2为时序脉冲信号；DIR为正反转信号(正转时A相位超前B相位，DIR信号输出高电平；反之，低电平)，CLN为四倍频之后的脉冲信号；CNT为计数总线。

b)本实施例中，DSP芯片外部地址总线A0～18共19位，内部地址总线为22位，为使内外部地址映射完全一一对应，避免地址混淆，我们可通过其提供的外部扩展存储空间的选通信号输出引脚来确定外部19位地址总线所选通的具体地址段。CPLD在对地址做译码之前，需先判断该内存区域的选通信号是否有效，确定有效后才响应相应的地址译码请求任务。

5)在本实施例中，为体现硬件接口的开放性和保证数据传输的实时性，MAMC多轴运动控制器必须采用标准的PC通用高速总线接口。PCI接口作为一种具有广泛应用基础的高速并行总线，具有良好的兼容性和稳定性。设计中采用了32位PCI总线(工作在33MHz下，最高速可达133MB)作为PC机和MAMC多轴运动控制器之间的数据传输总线。

6)IO模块作为控制系统与电机伺服驱动器之间的接口衔接，负责整个硬件电路中输入输出信号的预处理。为方便强弱电信号隔离和减小干扰，我们将IO模块独立为一块接口电路板，完成光电隔离(TLP521-4)、电平转换(74LVTH245)、差分信号转换(MC3486和MC3487)、电流输出放大(9012)、信号高低电平反向(7406)等信号预处理功能，另外，接口板上还预留有六个电机接线口和电源接口。

图5为MAMC多轴运动控制器软件系统框架。包括两大部分：上位机软件(客户端PC应用程序)和下位机软件(DSP端伺服控制程序)。其中，上位机软件由人机交互层、控制策略层和硬件接口层组成，各层中软件子功能模块化为VC++中的类(PCI驱动协议除外)；下位机软件为伺服控制层，软件层中各功能程序模块化为CCS编译环境中相对独立的子程序。软件系统的设计尽可能地体现了“模块化”的特点。

人机交互层、控制策略层、硬件接口层程序功能均为任务级功能，由PC机完成；具有实时性要求的在线功能交由具有高速数据处理能力的MAMC多轴运动控制器完成。各层次功能说明如下：

在本实施例中，人机交互层由人机界面模块、控制参数设置模块、控制方式选择模块、系统状态实时显示模块、系统调试和安全模块组成。

(1)人机界面模块。用户可在人机界面进行运动控制参数设置，控制方式选择，示教指令文件的编辑、转换和执行，被控对象的各关节位置零位校正；另外还可通过此界面观测实时运动信息和进行控制的前期算法调试。

(2)控制参数设置模块。包括关节运动速度设置、轴向运动速度设置和一般轨迹运动速度和时间设置等，另外在“运动控制”菜单下我们还提供各种控制算法(如插补、加减速等算法)参数的设置功能。

(3)控制方式选择模块。针对交流伺服电机的控制方式提供三种控制模式：速度控制模式、力矩控制模式和位置控制模式。各种控制模式下再分为三种运动方式：单关节运动、末端轴向运动和一般轨迹的多轴联动。

(4)系统状态实时显示模块。主要完成被控对象运动过程中的实时状态监测和显示，如各关节当前所在位置，被控对象末端工具位姿等。

(5)系统调试和安全模块。方便用户作简单的示教程序调试和笛卡尔、关节空间轨迹规划算法调试。值得一提的是，在MAMC多轴运动控制器没有连接至PC机的情况下，可离线模拟真实运动情况，并生成各种常用分析曲线(如以时间为横轴的加速度、速度和位置变化曲线)。另外，还提供急停等应对紧急情况的安全功能和调试状态下笛卡尔空间作业路径规划超出限制范围的预警提示。

在实施例中，控制策略层包括运动控制参数集、示教语言和指令解释、正逆运动学算法、笛卡尔空间轨迹规划、关节空间轨迹规划、高级轨迹规划算法库和实时状态监测。

(1)运动控制参数集模块。运动控制中涉及到的所有参数(如被控对象的结构参数、各种运动约束条件和控制算法参数等)组成参数集模块。某些需根据实际情况个性化的参数可通过人机交互界面进行修改设置，以便优化算法的执行效果。

(2)示教语言和指令解释模块。用户可通过PC端应用软件获得机器人末端运动轨迹序列指令文件，供随时调用重复执行。同时，还可以采用简单的动作级示教指令(如Start、MovTo、MovL、MovS、Delay和End)编辑示教指令文件，通过转换功能将该示教命令文件转换为可直接执行的控制指令文件，可在PC机中用记事本程序打开并进行修改编辑。

(3)正逆运动学算法模块。此模块需由用户根据被控对象几何结构和相关连杆参数编辑。本实施例中仅提供典型机器人(如PUMA560型六自由度串联机器人)正逆运动学算法框架，D-H参数和零点位置需通过“运动控制参数集模块”设置。

(4)笛卡尔空间轨迹规划模块。对目标作业轨迹进行插补规划，用户可以根据实际情况从“高级轨迹规划算法库模块”中选择插补算法(如直线插补、圆弧插补或样条插补等)。

(5)关节空间轨迹规划模块。笛卡尔空间作业路径确定后，调用“正逆运动学算法模块”中的逆运动学算法，将其转换为关节空间的离散点序列，然后对关节空间的“角位移一时间”曲线作高阶平滑处理。从“高级轨迹规划算法库模块”中选择所需的规划算法，参考指定作业时间，以20ms的指令周期为时间间隔，将各关节空间运动轨迹规划为离散的角位移时间序列。

(6)高级轨迹规划算法库模块。包含各种插补、加减速算法。如直线插补、圆弧插补、样条插补、直线加减速、指数加减速、梯形加减速、抛物线加减速、指数加减速、S曲线加减速等，供“笛卡尔空间轨迹规划模块”和“关节空间轨迹预规划模块”调用。

(7)实时状态监测模块。实时采集各关节运动位置信息，并调用“正逆运动学算法模块”中的正运动学算法经计算得到被控对象当前的末端位姿。提供给人机界面系统状态实时显示模块，实现各关节和机器人末端位置信息的透明化人机交互。

在本实施例中软件部分硬件接口层包括数据通讯协议和PCI驱动协议。

(1)数据通讯协议模块。运动控制过程中，PC机将各关节运动控制指令分批量按照一定的数据通讯协议经由32位PCI总线传输至MAMC多轴运动控制器的DPSRAM，DSP读取该指令数据并执行运动指令。PC机和DSP读写DPSRAM过程中，为了保证PC机写入的数据在被DSP读取之前不被DSP或PC机新写入的数据覆盖，我们将DPSRAM分为两个区域，一个区域只对PC机开放写功能，另一个区域只对DSP开放写功能。同时，为保证PC机新的数据覆盖上一批所写数据之前DSP已经将上一批数据读取完毕，我们定义了一个DSP读取完毕标志位，每次DSP读取完毕本批次的数据之后，向该标志位写入一个新的值。如此，PC机每次写入数据之前，先读取该标志位并判断其值是否已更新，否则不向DPSRAM写入新的数据，进入等待状态。DPSRAM的空间存储为8K×16bit，分配给6个通道的电机作运动指令及状态参数和位置误差信息存储。其中，每个电机的运动控制指令数据占用512×16bit，控制参数和位置误差数据占用355×16bit。数据在PC端和DSP端的保存格式均采用结构体形式。其中，指令数据的结构体定义为三个部分：DSP可写的状态数据结构体，PC机可写的状态数据结构体和PC机可写的指令数据。

(2)PCI驱动协议模块。PCI驱动协议为MAMC运动控制器提供硬件驱动，是PCI总线能否正常实现PC与DSP通讯的基础。

在本实施例软件部分，中下位机软件完成具有实时性要求的伺服级功能，伺服控制层包括伺服运动控制程序模块和智能控制算法程序模块，各模块功能说明如下：

(1)伺服运动控制程序模块。伺服运动控制程序的主要作用是通过伺服闭环完成由PC机传达的以指令周期为时间间隔的关节位置离散序列轨迹。运动一段指定位移，指令周期如果过长，电机的速度低，运行虽平稳，但效率低；指令周期过短，电机速度高，此时效率高，但控制精度可能受限。在本发明的实施例中，我们参考国际大部分已经商业化的机器人的指令周期区间10ms～20ms和伺服周期区间50μs～500μs，再结合试验进行对比，选取指令周期为20ms，伺服周期为400μs。因此，PC机运动指令中，以20ms为时间间隔的电机转角位置离散序列中的每两个位置离散点间的位移在DSP中需规划为50段连续的平滑轨迹。相对于以指令周期为时间间隔的关节空间轨迹粗插补，我们将以伺服周期为时间间隔的关节轨迹插补称作精插补。由于受伺服周期的时间限制，对精插补算法的计算效率要求非常高，某些离线场合下的计算复杂的高级轨迹规划算法如高次B样条插补、S曲线加减速等在此的应用将可能受限。

(2)智能控制算法程序模块。此模块以若干子程序的形式供伺服运动控制主程序调用。其中包括伺服闭环的PID参数模糊自整定算法、关节空间轨迹精插补算法等。

本发明提供了一种具有通用性能的多轴运动控制系统，该控制系统采用标准的32位PCI总线接口，兼容常用的Windows系统操作平台，软硬件实现均采用了“开放化”、“模块化”的设计思想，充分体现了开放式的特征。

Claims (8)

1.一种多轴运动控制系统，其特征在于：包括由PC机和多轴运动控制器组成的主从式开放型硬件系统，PC机为主控制器，多轴运动控制器为从控制器；多轴运动控制器通过伺服驱动器控制交流永磁同步电机，交流永磁同步电机与光电编码器连接，光电编码器对交流永磁同步电机的运行状态进行检测并作为反馈信号通过伺服驱动器传递给多轴运动控制器；

多轴运动控制器由控制板和接口板组成，接口板作为控制板与电机伺服驱动器之间的接口衔接，负责输入输出信号的预处理；控制板包括互相连接的存储模块、DA模块、DSP模块、CPLD模块和PCI模块，电源模块为存储模块、DA模块、DSP模块、CPLD模块和PCI模块供电；接口板为IO模块，电源模块也为IO模块供电。

2.如权利要求1所述的一种多轴运动控制器，其特征在于：所述PC机和多轴运动控制器之间采用标准的32位PCI总线进行数据传输，PCI模块总线芯片的配置信息通过串行EEPROM载入，串行EEPROM作为PCI模块接口初始化配置信息的存储介质。

3.如权利要求1所述的一种多轴运动控制器，其特征在于：所述存储模块包括双端口RAM模块、电平转换模块和SRAM模块；双端口RAM模块作为PC机和DSP模块大量实时数据交换的场所与所述PCI模块连接的同时通过电平转换模块与DSP模块相连，电平转换模块与双端口RAM模块、所述CPLD模块和DSP模块连接；SRAM模块与所述DSP模块连接，作为所述DSP模块的外部存储扩展器件。

4.如权利要求1所述的一种多轴运动控制器，其特征在于：所述CPLD模块作为所述DSP模块的硬件资源扩展单元，负责所述交流永磁同步电机的位置反馈信号——正交编码信号的倍频鉴相和计数处理，并完成地址译码、片选、伺服报警和报警消除功能。

5.如权利要求1或4所述的一种多轴运动控制器，其特征在于：所述CPLD模块在处理正交编码信号时带滤波功能，滤波后四倍频鉴相，再计数输出。

6.如权利要求1或3所述的一种多轴运动控制器，其特征在于：所述PC机和多轴运动控制器之间通过一片具备双向数据传输功能的双端口RAM芯片作为数据交换的场所，位于芯片左右两侧的处理器可同步读或者写存储区的任何单元。

7.如权利要求1所述的一种多轴运动控制器，其特征在于：所述电源模块在给DSP模块供电时采用IO模块先上电，内核后上电的上电次序，而且二者上电时间差不超过1秒。

8.如权利要求1所述的一种多轴运动控制器，其特征在于：所述交流永磁同步电机的伺服控制具有三个闭环，由内到外分别为：电流闭环、速度闭环和位置闭环；所述伺服驱动器完成位于内层的电流闭环和中层的速度闭环伺服控制，所述多轴运动控制器完成最外层的位置闭环伺服控制。

Images