CN107553494A - 一种气动机械手控制系统 - Google Patents

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本发明机械手技术领域，具体地来讲为一种气动机械手控制系统，包括：DSP、FPGA模块、8通道A/D模块、16通道D/A模块以及电磁阀；其中DSP，用于信息采集与控制指令的发出；FPGA模块，用于DSP外接8通道A/D模块、16通道D/A模块的端口地址分配以及输出电磁阀的驱动信号；8通道A/D模块，接收压力应变桥隔离变送器传递的压力传感器采集的压力值进行转化后传递至DSP；16通道D/A模块，通过DSP驱动输出不同幅度的电压信号，将D/A输出端连接到比例阀控制输入端口，改变D/A输出电压值，控制比例阀输出压力，本发明通过DSP和FPGA取代了体积庞大的PLC控制系统，实现了20路电磁换向阀控制。

Description

一种气动机械手控制系统
技术领域
本发明机械手技术领域，具体地来讲为一种气动机械手控制系统。
背景技术
气动机械手在教学中广泛使用，部分具备了人手的结构和功能特点，但是其传统控制系统通常采用PLC，导致控制系统体积庞大，而且不方便进行复杂控制算法的运用，不便于教学使用，影响了系统的推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种气动机械手控制系统，解决现有的PLC控制系统体积庞大，控制算法复杂的问题。
本发明是这样实现的，一种气动机械手控制系统，该系统包括：DSP、FPGA模块、8通道A/D模块、16通道D/A模块以及电磁阀；其中
DSP，用于信息采集与控制指令的发出；
FPGA模块，用于DSP外接8通道A/D模块、16通道D/A模块的端口地址分配以及输出电磁阀的驱动信号；
8通道A/D模块，接收压力应变桥隔离变送器传递的压力传感器采集的压力值进行转化后传递至DSP；
16通道D/A模块，通过DSP驱动输出不同幅度的电压信号，将D/A输出端连接到比例阀控制输入端口，改变D/A输出电压值，控制比例阀输出压力。
进一步地，所述8通道A/D模块采用TLV1570芯片，DSP的MCBSP串口0驱动1片TLV1570芯片，利用FPGA模块的DOUTD7端口通过VerilogHDL编程实现芯片的片选地址CS输出。
进一步地，所述16通道D/A模块采用2片并联的型号为TLV5631芯片的D/A转换器，利用DSP的MCBSP串口1驱动2片并联的TLV5631芯片的帧同步和串行数据收发，利用FPGA模块的DOUTD3、DOUTD5端口通过VerilogHDL编程实现2个芯片输出地址区分，通过DSP的XF引脚和FPGA模块的DOUTD1端口分时关断2个D/A转换器的时钟信号。
进一步地，所述电磁阀采用20路电磁阀驱动电路驱动，所述20路电磁阀驱动电路采用晶体管阵列控制电磁阀，电磁阀上并联二极管用于反电势灭弧保护。
进一步地，DSP 采用程序驱动通道D/A模块输出不同幅度的电压信号，利用示波器分别跟踪各个通道的波形及幅度显示均正常。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明通过DSP和FPGA取代了体积庞大的PLC控制系统，实现了20路电磁换向阀控制，16路10bit DAC精确控制比例阀电压从而控制气动机械手指的动作类型以及动作力度，利用8路10bit ADC采集指端触感压力传感器压力信号并且完成波形显示，提供机械手指的握力反馈信息，实现气动机械手的较精确控制。
利用DSP编程驱动16路D/A输出不同幅度的电压信号，利用示波器分别跟踪各个通道的波形及幅度显示均正常，将D/A输出端连接到比例阀控制输入端口，改变D/A输出电压值，比例阀输出压力工作正常。
用手指按压指端的压力传感器，利用示波器对A/D采集到的压力变送器输出电压信号进行检测，波形跟踪变化显示正常。
利用DSP驱动FPGA分别控制20路电磁换向阀工作正常，电磁阀采用SMC公司生产的SYJ系列3通先导式电磁阀，电源电压直流24V，功率0.4W。
利用本控制系统可以实现5个手指的气动机械手抓取物体动作。
附图说明
图1为本发明实施例提供的气动机械手控制系统硬件总体结构框图；
图2为本发明实施例提供的8通道A/D模块与DSP的接口电路图；
图3为本发明实施例提供的16通道D/A模块与DSP以及FPGA模块的接口电路图；
图4为本发明实施例提供的FPGA模块与DSP接口电路图；
图5为本发明实施例提供的FPGA驱动20路电磁阀电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1所示，气动机械手控制系统，该系统包括：DSP、FPGA模块、8通道A/D模块、16通道D/A模块以及电磁阀；其中DSP，用于信息采集与控制指令的发出；FPGA模块，用于DSP外接8通道A/D模块、16通道D/A模块的端口地址分配以及输出电磁阀的驱动信号；8通道A/D模块，接收压力应变桥隔离变送器传递的压力传感器采集的压力值进行转化后传递至DSP；16通道D/A模块，通过DSP驱动输出不同幅度的电压信号，将D/A输出端连接到比例阀控制输入端口，改变D/A输出电压值，控制比例阀输出压力，比例阀采用SMC公司生产的ITV0000系列比例阀ITV0050。本实施例中，采用深圳市捷晟达科技有限公司生产的JSD系列压力应变桥隔离变送器，将压力信号转换成电压信号。本身实施例中电磁阀采用SMC公司生产的SYJ系列3通先导式电磁阀，电源电压直流24V，功率0.4W。
本实施例中利用TMS320VC5509A型号的DSP以及EP2C8Q208型号的FPGA模块实现了输出驱动20路电磁阀的数字量，DSP采用的北京精仪达盛科技有限公司生产的以TMS320VC5509A定点数字信号处理器（DSP）为核心的Techv-5509 DSP开发板完成气动机械手控制系统的信息采集与控制指令的发出。
FPGA模块本实施例中，采用芯驿电子科技（上海）有限公司生产的以CycloneII 系列EP2C8Q208芯片作为主芯片的FPGA核心板，负责DSP外接8通道A/D模块，16通道D/A模块的端口地址分配，同时负责输出20路电磁阀的驱动信号。
参见图2所示，8通道A/D模块，利用TLV1570作为8通道10 bitA/D转换器，采样速率1.25MSPS，电压分辨率满足不低于10mV要求。利用DSP的MCBSP串口0驱动1片TLV1570，利用FPGA模块的DOUTD7端口通过VerilogHDL编程实现芯片的片选地址CS输出。
16通道D/A模块，采用的TLV5631是一个8通道的10bit数模转换器，可通过编程选择基准电压，满量程动态输出设定时间可达到1us，电压分辨率可达到2mV，本实施例中通过2片TLV5631实现16通道D/A。如图3所示，利用DSP的MCBSP串口1驱动2片并联的TLV5631的帧同步和串行数据收发，利用FPGA的DOUTD3、DOUTD5端口通过VerilogHDL编程实现2个芯片输出地址区分，这样做要比级联模式具有更快的控制速度，同时为了防止时钟输出相互干扰，通过DSP的XF引脚和FPGA的DOUTD1端口分时关断2个D/A转换器的时钟信号。
实际测试时，由于气动机械手的反应速度较慢，为了防止D/A输出数据丢失，可以采用多次数据重发以及适当降低时钟速率等方式，提高系统稳定性。如果D/A通道数量不超过8个，建议优先采用同一D/A芯片驱动输出，防止动作时间差。
本实施例中，DSP与FPGA模块的接口电路见图4，图4中DOUTA[7..0]、DOUTB[7..0]、DOUTC[7..0]用于输出驱动20路电磁阀的开关量，FPGA驱动电磁阀电路见图5，采用达林顿晶体管阵列ULN2003A控制电磁阀L1，1N4148型二极管D1并联在电磁阀L1上，用于反电势灭弧保护，TLP521-4型光电耦合器U1负责隔离控制部分和执行部分。
本实施例中，编写系统的DSP C语言程序和VerilogHDL程序实现机械手的动作控制。DSP程序包括：A/D采集压力与波形显示程序、D/A驱动比例阀程序、DSP 驱动FPGA模块程序。
本实施例系统达到的要求：
(1) 输出20路电磁阀控制电路：每路输出+24V /> 20mA。
(2)输出16通道的比例阀控制电压：比例阀控制电压0～3V，比例阀输入阻抗10kΩ，要求控制电压精度不低于100mV。
(3) 8个输入A/D通道：采集8个压力传感器输出的模拟电信号，每个压力传感器输出电压经过处理后为0～3V/<10mA， A/D电压分辨率不低于100mV。本实施例系统达到的要求：
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种气动机械手控制系统，其特征在于，该系统包括：DSP、FPGA模块、8通道A/D模块、16通道D/A模块以及电磁阀；其中
DSP，用于信息采集与控制指令的发出；
FPGA模块，用于DSP外接8通道A/D模块、16通道D/A模块的端口地址分配以及输出电磁阀的驱动信号；
8通道A/D模块，接收压力应变桥隔离变送器传递的压力传感器采集的压力值进行转化后传递至DSP；
16通道D/A模块，通过DSP驱动输出不同幅度的电压信号，将D/A输出端连接到比例阀控制输入端口，改变D/A输出电压值，控制比例阀输出压力。
2.按照权利要求1所述的气动机械手控制系统，其特征在于，所述8通道A/D模块采用TLV1570芯片，DSP的MCBSP串口0驱动1片TLV1570芯片，利用FPGA模块的DOUTD7端口通过VerilogHDL编程实现芯片的片选地址CS输出。
3.按照权利要求1所述的气动机械手控制系统，其特征在于，所述16通道D/A模块采用2片并联的型号为TLV5631芯片的D/A转换器，利用DSP的MCBSP串口1驱动2片并联的TLV5631芯片的帧同步和串行数据收发，利用FPGA模块的DOUTD3、DOUTD5端口通过VerilogHDL编程实现2个芯片输出地址区分，通过DSP的XF引脚和FPGA模块的DOUTD1端口分时关断2个D/A转换器的时钟信号。
4.按照权利要求1所述的气动机械手控制系统，其特征在于，所述电磁阀采用20路电磁阀驱动电路驱动，所述20路电磁阀驱动电路采用晶体管阵列控制电磁阀，电磁阀上并联二极管用于反电势灭弧保护。
5.按照权利要求1所述的气动机械手控制系统，其特征在于，DSP 采用程序驱动通道D/A模块输出不同幅度的电压信号，利用示波器分别跟踪各个通道的波形及幅度显示。
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