CN204585226U - 一种应用在机械手上的多轴运动控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用在机械手上的多轴运动控制器，上位机、核心处理模块、通信模块和外设模块，通信模块包括PIC芯片，核心处理模块包括数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，外设模块包括转换调制部、电平转换及光电隔离模块和通用输入输出端口I/O模块，上位机与PIC芯片连接，PIC芯片与复杂可编程逻辑器件CPLD连接，数字信号处理器DSP及复杂可编程逻辑器件CPLD处理的信息输出到伺服驱动系统。本实用新型通过PCI总线与上位机通信，采用DSP和CPLD完成了运动控制功能，实现了机械手关节运动的伺服控制，本实用新型具有良好的开放性、通用性和可扩展性。

Description

一种应用在机械手上的多轴运动控制器

技术领域

本实用新型涉及上下位机通信、电机动力学与机械手单关节控制技术领域，尤其涉及一种应用在机械手上的多轴运动控制器。

背景技术

运动控制是数控系统的关键技术之一。随着计算机技术的高速发展,运动控制器已经从以单片机、微处理器为核心的低端控制器发展到以DSP、CPLD和FPGA为核心的高端控制器。控制模式也由传统的基于专用芯片的封闭式系统向基于PC的开放式控制系统发展。灵活的系统集成方式和高速的指令执行速度提高了运动控制性能，改善了控制系统的精度，增强了系统构造的灵活性。因此通过设计基于DSP的开放式运动控制器，该系统通过PC I总线与上位机通信，DSP和CPLD完成运动控制功能，可以用来实现对机械手的精确运动控制。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型解决的技术问题是：控制器通过PC I总线与上位机通信，采用DSP和CPLD完成了运动控制功能，实现机械手关节运动的伺服控制。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案具体是这样实现的：

本实用新型提供了一种应用在机械手上的多轴运动控制器，包括：上位机、核心处理模块、通信模块和外设模块，所述通信模块包括PIC芯片，所述核心处理模块包括数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，所述上位机与所述PIC芯片连接，所述PIC芯片与所述复杂可编程逻辑器件CPLD连接，所述数字信号处理器DSP及所述复杂可编程逻辑器件CPLD处理的信息输出到伺服驱动系统。

另外，本实用新型公开的应用在机械手上的多轴运动控制器还具有如下附加技术特征:

进一步地，所述PIC芯片与所述数字信号处理器DSP通过双口随机存储器RAM进行数据传输。

进一步地，所述上位机通过PIC总线与所述PIC芯片连接。

进一步地，所述外设模块包括转换调制部、电平转换及光电隔离模块和通用输入输出端口I/O模块，

进一步地，所述数字信号处理器DSP及所述复杂可编程逻辑器件CPLD处理的信息通过所述转换调制部输出到伺服驱动系统。

进一步地，所述转换调制部包括DA数模转换器和PWM脉冲宽度调制器。

进一步地，所述数字信号处理器采用DSP芯片TMS320F2812。

本实用新型的应用在机械手上的多轴运动控制器控制器通过PCI总线与上位机通信，采用DSP和CPLD完成了运动控制功能，实现了机械手关节运动的伺服控制，本实用新型具有良好的开放性、通用性和可扩展性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型的结构示意图；

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型具体实施例的应用在机械手上的多轴运动控制器，包括：上位机10、核心处理模块20、通信模块30和外设模块40，通信模块30包括PIC芯片31，核心处理模块20包括数字信号处理器DSP21和复杂可编程逻辑器件CPLD22，外设模块40包括转换调制部41、电平转换及光电隔离模块42和通用输入输出端口I/O模块43，上位机10通过PIC总线与PIC芯片31连接，PIC芯片31与复杂可编程逻辑器件CPLD22通过双口随机存储器RAM进行数据传输，转换调制部41包括DA数模转换器和PWM脉冲宽度调制器，数字信号处理器DSP21及复杂可编程逻辑器件CPLD22处理的信息通过DA数模转换器或PWM脉冲宽度调制器输出到伺服驱动系统。

本实用新型中，上位机为PC机，通过PC I总线与下位机通信。为了满足大量的数据传输需要，PC I控制芯片与数字信号处理器DSP采用双口随机存储器RAM50实现数据传输。下位机集成了DSP最小系统、外围辅助电路、存储器扩展电路、CPLD译码电路、正交编码处理电路、控制电压转换电路、PWM发生电路等。机械手运行过程中，PC机把规划的位置、速度、加速度等运动数据通过PCI总线传递给数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP完成精确运动控制。在运动控制的每一个伺服周期内，数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD处理伺服电机反馈的正交编码信号，以实时计算关节位置和速度,采用闭环控制算法得到期望的控制信号，通过DA数模转换器或PWM脉冲宽度调制器方式输出到伺服驱动器。当伺服驱动器工作在力矩模式或速度模式下，运动控制器采用DA数模转换器输出。当伺服驱动器工作在位置模式下，运动控制器采用PWM脉冲宽度调制器输出。外部的伺服就绪、故障输出、制动释放、限位等信号引入数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，作为系统的状态，数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD输出伺服使能、报警清除、模式选择等控制信号,控制电机的启停和运动模式。

本实施例中，核心处理模块完成整个运动控制系统的任务调度、轨迹插补、运动控制、状态监控等功能。数字信号处理器采用DSP芯片TMS320F2812。在运动控制过程中，本实施例需要实时记录关节位置、速度、加速度信息，为执行复杂的控制算法，需要很大的程序空间和数据空间。本实施例选用CY7C1041外扩数据存储空间和程序存储空间，并将其映射到DSP的Zone2存储区域。CPLD选用EMP240T100，主要实现以下功能:①地址译码，内部专门设计的译码电路可根据DSP的地址信号进行地址译码，产生相应的片选信号，选通SDRAM、DA或双端口RAM；②外部中断逻辑判断，对伺服电机的伺服报警信号、回零信号以及双端口RAM的BU SY信号进行检测和判断，并向DSP发出中断请求；③作为DSP的外扩I/O，并可实现QEP(正交编码脉冲)处理，对电机的正交编码输入信号4倍频后进行计数，反馈给DSP，以计算电机运动速度和位置。

本实施例中，通信模块主要完成与上位机的数据交换、任务传输、状态通告等功能。由于传输数据量大、实时性要求高,为了满足通讯需求,采用PLX公司的PCI9052实现PCI总线通讯。为了提高数据传输速度，满足实时控制要求，在DSP和PC I总线间加入2 16 b its高速双端口静态RAM CY7C133，作为缓存区存储数据。CPLD根据DSP的地址信号进行地址译码，产生片选信号CER，选通双口RAM，并通过控制OE和R/W来访问双端口静态RAM的内部存储单元，完成数据的读取和写入。

本实施例中，外设模块包括DA模块、PWM模块、电平转换及光电隔离模块、通用I/O模块等，其中DA模块和PWM模块输出伺服电机的控制电压或脉冲，完成伺服电机的运动速度或位置控制。电平转换和光电隔离模块主要完成不同电压信号的转换和系统抗干扰能力的提升。通用I/O的主要功能是控制电机的模式，检测电机的运动状态。

本实施例中，软件结构主要分三个部分：第一部分为PCI总线驱动开发，对PCI总线进行配置，主要是配置PCI9052的配置寄存器(64Bytes)和局部配置寄存器(84Bytes)。设备ID、制造商ID、版本号、类别代码、指令寄存器和状态寄存器等配置寄存器在所有的PCI设备中都必须实现。PCI总线最重要的功能之一是通过基地址寄存器和局部配置寄存器在地址空间重定位PC I设备，PC I配置寄存器提供有6个基地址寄存器(BASE0～BASE5)，BASE0是映射到内存的基地址，BASE l是映射到I/O的基地址，4个空间(BASE2～BASE5)最多可以实现4个局部地址空间的PCI总线访问。该系统的PCI9052的配置寄存器采用默认值，双口RAM挂在局部空问0上，使用片选0作为芯片的选通信号。配置2KB的地址空间，并使能中断输入引脚UNT0。本实施例采用DriverStudio开发PCI总线驱动程序，声明KIoRange类、KMemoryRange类和Klnterrupt类来实现对内存空间、I/O空间和中断的操作；用KMemoryRange类创建一个内存资源实例m_MemoryRange,并在OnStartDevice程序中初始化,使之与双口RAM连接。本实施例采用Klnterrupt类和KDeferredCall类来实现中断，采用向导在中断服务程序和DPC中增加功能代码。KDeferredCall类封装有DPC的操作，采用Klnterrupt类实现硬件中断处理，其成员函数包括中断初始化，以及将一个中断服务程序连接到另一个中断等。第二部分为双口RAM数据访问设计，上位机软件主要负责运动控制数据的产生以及通过PCI总线向下位机传输据本实施例利用多线程技术，实现上、下位机的实时通讯。为了避免上位机和下位机同时访问同一地址单元，本实施例把2KB存储空间分为两个1KB的数据区，PC端写第1个数据区时，DSP读第2个数据区，PC端机写第2个数据区时，DSP读第1个数据区，通过软、硬件的配合，使两个端口的写数据操作和读数据操作分别在两段不同的地址空间内进行，避免PMAC卡存在的“闭环控制时伺服控制器需要停止下来等待上位机数据”的问题，提高了控制系统的实时性；第三部分为电机控制功能实现，当DSP控制系统读取到来自主控PC的运动数据后，其核心工作就是执行伺服控制算法，完成高精度的运动控制。主控PC产生的粗插补数据周期较大，一般为20ms。伺服运动控制需要完成数据的精插补运算，常见的插补算法有直线插补、圆弧插补、样条曲线插补。插补周期一般为200us-800us。为了保证运动平稳和准确定位，要对运动控制中的速度进行规划，也就是对多段插补线段间运行速度与加减速的优化，使插补线段之间的过渡部分尽可能平滑。常见的加减速算法有直线加减速、指数加减速、S曲线加减速等。伺服控制器根据规划好的运动位置及速度，采用单神经元自适应PID控制算法实现期望轨迹的跟踪。单神经元自适应PID控制器实质上为一变系数的比例、积分、微分复合控制器。通过加权系数的调整来实现自适应、自组织功能,权系数的调整按照有监督Hebb学习规则实现,其基本规则是：如果两个神经元同时被激活,则它们连接强度的增强与它们激励的乘积成正比。因此,控制算法为：

$u\left(k\right)=u(k-1)+K\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i^{\′}\left(k\right)x_i\left(k\right)$

学习算法为:

$w_i^{\′}\left(k\right)=w_i\left(k\right)/\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\left|w_i\left(k\right)\right|$

w₁(k)＝w₁(k-1)+η_Pz(k)u(k)x₁(k)

w₂(k)＝w₂(k-1)+η_Iz(k)u(k)x₂(k)

w₃(k)＝w₃(k-1)+η_Dz(k)u(k)x₃(k)

式中：x₁、x₂、x₃-单神经元的输入，x₁(k)＝e(k)-e(k-1)，x₂(k)＝e(k)，x₃(k)＝Δ²e(k)＝e(k)-2e(k-1)+e(k-2)；w_i-加权系数；z(k)-输出误差信号，z(k)＝e(k)＝y_r(k)-y(k)；η_P，η_I，η_D-比例、积分、微分的学习速率；K-神经元比例系数，且K>0。本实施例中，先设定PID参数的初始值，w_i(k)可以通过神经网络的自学习功能进行自适应调整，从而提高控制器的鲁棒性，保证控制系统稳定。

本实用新型所研制的应用在机械手上的多轴运动控制器满足机械手这类复杂、非线性系统的运动控制的要求,通过嵌入单神经元自适应PID控制算法,使控制参数在线调整,提高了系统的稳定性,获得了理想的轨迹跟踪效果。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种应用在机械手上的多轴运动控制器，其特征在于，包括：上位机、核心处理模块、通信模块和外设模块，所述通信模块包括PIC芯片，所述核心处理模块包括数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，所述上位机与所述PIC芯片连接，所述PIC芯片与所述复杂可编程逻辑器件CPLD连接，所述数字信号处理器DSP及所述复杂可编程逻辑器件CPLD处理的信息输出到伺服驱动系统。

2.根据权利要求1所述的应用在机械手上的多轴运动控制器，其特征在于，所述PIC芯片与所述数字信号处理器DSP通过双口随机存储器RAM进行数据传输。

3.根据权利要求1所述的应用在机械手上的多轴运动控制器，其特征在于，所述上位机通过PIC总线与所述PIC芯片连接。

4.根据权利要求1所述的应用在机械手上的多轴运动控制器，其特征在于，所述外设模块包括转换调制部、电平转换及光电隔离模块和通用输入输出端口I/O模块。

5.根据权利要求4所述的应用在机械手上的多轴运动控制器，其特征在于，所述数字信号处理器DSP及所述复杂可编程逻辑器件CPLD处理的信息通过所述转换调制部输出到伺服驱动系统。

6.根据权利要求4所述的应用在机械手上的多轴运动控制器，其特征在于，所述转换调制部包括DA数模转换器和PWM 脉冲宽度调制器。

7.根据权利要求1所述的应用在机械手上的多轴运动控制器，其特征在于，所述数字信号处理器DSP采用DSP芯片TMS320F2812。