【五自由度混合式机械手控制系统设计案例分析3500字】

五自由度混合式机械手控制系统设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u8819五自由度混合式机械手控制系统设计案例分析 1304161.1硬件设计 129841.2主控制器模块 249341.2.1TMS320F2812芯片性能简介 2302521.2.2芯片电源转换电路 3152721.3PVDF传感器模块 3200531.4步进电机模块 591791.4.1步进电机简介 555861.4.2SR8驱动器简介 6222111.4.3步进电机驱动电路 8174411.5软件设计 9198151.5.1Twincat软件配置 9224361.5.2工作流程控制程序 12143881.5.3步进电机控制模块 13在整个机械手的设计中，控制部分是关键，其结构和功能的划分与设计是否合理，对提高整个机械手系统的可靠性、实用性具有重要意义，除了要满足工作性能要求外，还应具有很强的可靠性、较高的运行速度和良好的性价比。因此，本章在对目前机械手普遍使用的控制器结构和计算机技术发展进行比较分析后，提出了以TMS320系列DSP为核心控制器，并对其软硬件结构进行了设计。1.1硬件设计机械臂控制模块包括三个主要模块：核心控制器模块、电机驱动模块、传感器模块，其中核心控制器模块是核心控制模块。采用了TMS320F2812芯片作为核心控制模块，来驱动电机两相四线混合步进电机，正反转控制由程序来实现；选择了SR8驱动器作为核心器件来驱动步进电机，其相数、通电方式及电压、电流均能满足步进电机的要求；选择了红外线传感器和触滑觉传感器作为反馈电路。图1.1硬件组成框图图1.1显示了机械手控制系统的硬件组成，包括红外传感器、PVDF触滑式传感器、TMS320F2812芯片、步进电机、SR8驱动器等。1.2主控制器模块在单片机的控制下，数据处理单元的中央控制具有高速数据处理能力的新型单片机-DSP(DigitalSignalProcessor)控制两种方式，在同一时间，单片机的指令只能有1条处于激活状态；而DSP指令在同一周期内有4条处于激活状态。由于需要控制五步进电机，因此选择了运行速度快、技术含量高的DSP控制器。1.2.1TMS320F2812芯片性能简介DSP与TMS320F2812数字讯号处理器结合，最大限度地发挥了DSP与DSP的各自优势，并将其应用于嵌入式控制系统中。图3是TMS320F2812芯片的最小系统原理图。主频率为150MHz、内核电压为1.9V、I/O引脚电压1.3V的低电压供电。所以，Vss、TESTSEL引脚接地；Vdd引脚与VDDIO+1.9V;VDDIO+1.3V,XF_PLLDIS`及XHOLD`引脚与10K电阻接上+1.3V；在X1与X2管脚之间加上一个晶体振荡器，与24pF的电容构成共振电路，使内部的振荡电路自激振荡。图1.2TMS320F2812芯片的最小系统原理图1.2.2芯片电源转换电路DSP的最小系统供电的功率仅为+5V，而TMS320F2812芯片采用+1.9V和+1.3V供电，因此需要设计一个电路，将+5V的功率转换成+1.9V和+1.3V的功率，如图1.3所示。图1.3电源转换电路图1.3PVDF传感器模块当信号进入A/D转换之前，传感器的输出应符合A/D转换时的电压范围。因为PVDF压电薄膜传感器在外力作用下会产生电荷，所以电荷量必须通过信号放大装置，将电荷量转换成电压量，以便采集。由于常用电荷放大技术成本较高，且难以满足测量要求，因此设计一种简便的信号放大装置是实现触滑觉信息测量的关键。压电式传感器本身具有很高的内阻，只有极小的输出电量，所以其测量电路通常包括前置放大器和压电式放大器。前驱放大器的作用是将高阻抗的压电型传感器输出转换为低阻抗的输出，而压电型放大器的作用是将微弱的传感器输出信号放大。PVDF压电薄膜传感器在力的作用下产生形变，从而产生电荷量，因此测量电路的前置放大器采用由低漂移、低失调运放A构成的电荷放大器，输出电压与输入电荷成比例。压电式放大器是一种逆相放大器B。PVDF压电式传感器信号测量电路的充电放大器，以及图1.4中的放大电路。图1.4电荷放大器以及试调放大器电路Cf是电荷放大电路的反馈电容，在它的两端并联有反馈电阻Rf;Ca是感测电容，它的漏阻为Ra;Cc是电缆电容；Ci和Ri是放大电路的输入电容和输入电阻；A是运算放大电路的开环增益。PVDF压电式传感器是一种小功率、高阻抗型元件，它很容易受到外界机电振动产生的噪声干扰，主要有声场干扰、电源干扰和地面回路噪声干扰，其中以工频干扰最为严重，因此需要对工频干扰和信号源中的高频杂波进行滤波处理。滤波器电路如图1.5所示，首先用陷波器消除工频干扰，然后用低通滤波器滤除信号源中的高频杂波，得到A/D转换后的DSP芯片。图1.5滤波电路在滤波电路中，对信号进行两次放大，最后的放大兼输出级，如图1.6所示。图1.6放大兼输出级电路1.4步进电机模块1.4.1步进电机简介步进电机是一种机电作动器，它把电脉冲信号转换成角位移或直线位移。步进电机是由专用电源提供电脉冲，每输入一次电脉冲信号，电机就会沿着设定的方向旋转一次。采用特殊的控制电源，输入脉冲数，准确地确定角动量位置，就可以控制调频脉冲电机的旋转速度和加速度。步进电机种类繁多，按其工作原理和结构形式可分为永磁式、反应式和混合式。永磁体电机效率高，步距角大，起动和运行频率较低，主要用于新型自动仪表；反应式电机步距角小，起动和运行频率高，噪声、振动均较大；混合式电机具有永磁式、反应式三种优点，应用最为广泛。由于控制技术和电子电路技术的进步，早期晶体管的单电压驱动技术已经逐渐淘汰，取而代之的是高性能的细分或恒流驱动技术。分立驱动技术提高了电机的分辨力，恒电流驱动技术显著改善了驱动电流波形。1.4.2SR8驱动器简介机械臂选择了SR8Drive步进电机，SR8驱动器的实物如图1.7所示。SR系列双相步进电动机驱动装置具有优越的性能表现，高速大转矩输出，低噪音，低振动，低发热。SR8驱动器可以通过拨号开关选择运行电流和细分，有8种细分方式，8种电流选择方式，包括过压、欠压、相电流和总电过流的保护，它们的输入控制信号都采用光电隔离。图1.7SR8驱动器（1）脉冲&方向信号SR8驱动器具有2个高速输入口STEP和DIR，通过5-24VDC的单端或差分信号，实现光电隔离，其最大电压可达28V，脉冲信号为衰减沿有效方向；电动机的运行方向取决于DIR电平信号，当DIR电平信号偏低或偏低时，电机顺时针运行；DIR信号偏高时，电机逆时针运行。②使能信号EN输入使能或关断驱动器的功率部分，并以5-24VDC单端或差分信号最大值28V的光电隔离方式输入信号。EN信号是悬空的或低电平时(光耦不导通)，驱动器是使能的，电动机正常工作；EN信号是高电平时(光耦导通)，驱动器是使能的一部分，电动机没有励磁。EN输入可以用来在电动机出现故障时重新启动驱动器。该方法先将应用系统中出现的故障排除，然后沿信号降到EN端，驱动器可重启电源部分，电机可励磁运行。（2）驱动器运行参数设定图1.8驱动器参数SR8驱动器采用SW1、SW2、SW3拨码开关，设置最大输出电流，电流大小可根据用户要求而定。SW4切换设置驱动器自动减少流量百分比。切换到ON后，空闲电流下降到运行电流的50%；切换到OFF后，空闲电流下降到运行电流的90%。1.4.3步进电机驱动电路共阳极输入，共阴极输入，差分输入三种方式。本文的设计采用的是共阳极方式。通过步进电机2的实例，说明DSP芯片和步进电机的接口控制。TMS320F2812芯片XD的插针与SR8驱动器的DIR管脚相连，用于确定电机的转动方向；芯片PWM4的插针与STEP管脚相连，用于产生脉冲；芯片XD的插针与用于启动电机的EN管脚相连。SR8驱动器A,B连接到步进电机上，控制步进电机的运动。SR8驱动器和一个步进电机的连接示意图见图1.9。图1.9步进电机驱动电路1.5软件设计机械臂控制系统的躯体是硬件设计，软件设计是整个控制系统的脑部是人的思想和系统硬件之间的桥梁。其优劣与否关系到整个机械臂系统的正常工作、硬件功能的发挥和控制性能的优劣。机械臂控制的软件部分主要包括自检与初始化、抓取控制、触滑信号处理、步进电机控制等模块。1.5.1Twincat软件配置Twincat软件中的Motion这一块是建立NC轴的地方；PLC是编程的，包括建立PLC轴变量；I/O是可扫描硬件设备的，如：驱动器和电机；软件结构如图1.1所示。图1.1软件结构图本设计的硬件驱动器型号选用的AX5000系列，其硬件结构如图1.2所示：图1.2硬件结构图如图1.3所示为在驱动器的DriveManger选项卡中自动扫描电机型号：(a)(b)图1.3硬件配置图在每个驱动器的选项卡功能中都可对电机进行性能优化，主要修改电流环、速度环和位置环三个环节的参数，如图1.4所示为电机的优化界面：图1.4电机优化图配置完硬件后，需建立NC轴使之与实际硬件设备相对应；在本程序中建立的NC轴下，需根据电机的螺距，计算每个轴的脉冲当量，使编码器数值变化与实际的距离变化相对应，如1.5所示为NC轴的配置界面：图1.5NC轴配置图经系统设计后，本文设计的硬件拓扑结构如图1.6所示：图1.6硬件拓扑图1.5.2工作流程控制程序机械臂的操作过程是：位置检测——抓取和夹紧——移动(包括提升、翻转、旋转等动作)——迅速返回，同时为了提高堆垛效率，需要设置A、B两个码垛位，根据上述要求，设计出图1.7中所示的码