強(qiáng)艷輝,楊 侃
(海軍裝備研究院,北京 100161)
利用DSP實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)絕對(duì)位置測(cè)量
強(qiáng)艷輝,楊 侃
(海軍裝備研究院,北京 100161)
文章提出了一種機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服電機(jī)絕對(duì)位置獲取方法,適用于關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)由電機(jī)與相配套伺服驅(qū)動(dòng)器組成的結(jié)構(gòu)。采用以DSP芯片TMS320F1812為核心的運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)并運(yùn)用如下位置獲取策略:系統(tǒng)初始化階段,運(yùn)動(dòng)控制卡接收伺服驅(qū)動(dòng)器傳送的初始絕對(duì)位置串行數(shù)據(jù);運(yùn)行階段,TMS320F1812內(nèi)嵌QEP解碼電路計(jì)數(shù)增量脈沖獲取增量位置,并利用初始絕對(duì)位置,計(jì)算當(dāng)前實(shí)時(shí)絕對(duì)位置。針對(duì)通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)方向標(biāo)志字判別電機(jī)轉(zhuǎn)向存在的缺陷,提出新型轉(zhuǎn)向判別方法及其適用條件,給出了以該判別方法為基礎(chǔ)的絕對(duì)位置計(jì)算方法。文中對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡位置獲取模塊的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該位置測(cè)量系統(tǒng)能夠滿足工業(yè)機(jī)器人的絕對(duì)位置的測(cè)量需求。
機(jī)器人;絕對(duì)位置;運(yùn)動(dòng)控制卡
工業(yè)機(jī)器人根據(jù)關(guān)節(jié)絕對(duì)位置計(jì)算末端執(zhí)行器的空間位置,并利用對(duì)位置的微分計(jì)算電機(jī)的速度、加速度以實(shí)施閉環(huán)控制。因此,實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取關(guān)節(jié)電機(jī)絕對(duì)位置是工業(yè)機(jī)器人一個(gè)必要的、重要的技術(shù)。
運(yùn)動(dòng)控制卡是機(jī)器人獲取關(guān)節(jié)電位位置的關(guān)鍵,諸多研究專注于此。相當(dāng)一部分運(yùn)動(dòng)控制卡只能接收增量式編碼器信號(hào),獲取電機(jī)相對(duì)位置[1-3]。這類提供相對(duì)位置數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)控制卡應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人時(shí),為保證作業(yè)精度,需在運(yùn)行前實(shí)施機(jī)械回零到達(dá)基準(zhǔn)位置?;亓悴僮骺赡軐?dǎo)致機(jī)器人與周圍物體碰撞,極大的限制了其靈活性和安全性。因此,大多數(shù)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)由安裝絕對(duì)式編碼器的電機(jī)與配套伺服驅(qū)動(dòng)器組成,由絕對(duì)編碼器提供絕對(duì)位置數(shù)據(jù)。絕對(duì)位置獲取的最佳方式是利用運(yùn)動(dòng)控制卡直接解碼電機(jī)絕對(duì)編碼器輸出的位置信息[4-6]。然而,大多數(shù)電機(jī)的絕對(duì)編碼器信息通過(guò)專用協(xié)議傳輸至伺服驅(qū)動(dòng)器,再由伺服驅(qū)動(dòng)器輸出,這使得只能依賴于接收伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出獲取關(guān)節(jié)電機(jī)的絕對(duì)位置。針對(duì)這種形式的機(jī)器人,通常采用專用運(yùn)動(dòng)控制卡獲取絕對(duì)位置。比如:利用PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡加裝專用附件接收伺服驅(qū)動(dòng)器輸出實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位置的獲取[7-9]。其缺點(diǎn)在于附件價(jià)格昂貴,成本較高,并且受限于專用運(yùn)動(dòng)控制卡(諸如PMAC卡、PCI-208[10]卡等)的軟硬件限制,控制算法的靈活性較差。另外一種方式即采用自研運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)機(jī)器人絕對(duì)位置的獲取[11],不足之處在于多種微處理器及邏輯芯片的使用增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。
鑒于上述學(xué)者的工作及相關(guān)分析,針對(duì)絕對(duì)式編碼器電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng),提出了一種以DSP芯片(TMS320F1812)為核心的單芯片運(yùn)動(dòng)控制卡,充分利用了DSP芯片的豐富外設(shè),實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器位置輸出信息的讀取。所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制卡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,絕對(duì)位置計(jì)算、電機(jī)控制等核心算法均在DSP芯片中完成,且可以依據(jù)需要靈活調(diào)整。特別適用于工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)的控制和絕對(duì)位置的獲取。
運(yùn)動(dòng)控制卡計(jì)數(shù)增量脈沖信號(hào)計(jì)算絕對(duì)位置需判別電機(jī)轉(zhuǎn)向,諸多學(xué)者[12-14]利用計(jì)數(shù)器狀態(tài)標(biāo)志判別轉(zhuǎn)向。本文基于實(shí)驗(yàn),分析并驗(yàn)證了此種方式的固有缺點(diǎn),提出了無(wú)需計(jì)數(shù)器狀態(tài)標(biāo)志的電機(jī)轉(zhuǎn)向判別方法,給出了其適用條件和絕對(duì)位置計(jì)算公式。
1.1 工業(yè)機(jī)器人基本控制結(jié)構(gòu)
機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)采用成熟伺服系統(tǒng),本文以安川Σ-II系統(tǒng)伺服系統(tǒng)為例說(shuō)明。其中機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器包括運(yùn)動(dòng)控制卡(完成電機(jī)位置讀取、關(guān)節(jié)插補(bǔ)算法、位置或速度閉環(huán)控制算法、控制信號(hào)的輸出等)及伺服驅(qū)動(dòng)器(Σ-II系統(tǒng)服驅(qū)動(dòng)器)。
1.2 絕對(duì)位置獲取策略
依據(jù)圖1所示工業(yè)機(jī)器人控制器的特點(diǎn),設(shè)計(jì)絕對(duì)位置獲取策略。安川Σ-II系列伺服電機(jī)配裝絕對(duì)編碼器,絕對(duì)位置信息傳輸至伺服驅(qū)動(dòng)器。由于傳輸協(xié)議的封閉性,運(yùn)動(dòng)控制卡無(wú)法直接從電機(jī)接收絕對(duì)位置,只能通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出獲取絕對(duì)位置信息。
圖1 機(jī)器人控制器示意圖機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)采用
伺服驅(qū)動(dòng)器全時(shí)以串行數(shù)據(jù)形式輸出絕對(duì)位置(見(jiàn)圖2、表1,PSO,其輸出周期為約40ms),運(yùn)行過(guò)程中輸出正交編碼脈沖(QEP)增量信號(hào),即位置增量信號(hào)(見(jiàn)圖2、表1中PAO、PBO)。
圖2 伺服驅(qū)動(dòng)器位置輸出示意圖
表1 伺服驅(qū)動(dòng)器各信號(hào)含義
通常,運(yùn)動(dòng)控制卡的伺服周期在幾十微秒到幾十毫秒之間,而伺服驅(qū)動(dòng)器串行總線絕對(duì)位置發(fā)送周期至少為40ms。所以,系統(tǒng)運(yùn)行階段通過(guò)串口實(shí)時(shí)獲取關(guān)節(jié)電機(jī)的絕對(duì)位置不現(xiàn)實(shí)、不可行,無(wú)法滿足實(shí)時(shí)計(jì)算要求。
針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器位置輸出的方式及特點(diǎn),設(shè)計(jì)如下絕對(duì)位置獲取策略:
(1) 機(jī)器人控制器初始化階段,運(yùn)動(dòng)控制卡接收串口發(fā)送的關(guān)節(jié)電機(jī)絕對(duì)位置;
(2) 機(jī)器人控制器運(yùn)行階段,運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器輸出的正交編碼脈沖計(jì)數(shù),獲取相對(duì)位置,并計(jì)算電機(jī)當(dāng)前絕對(duì)位置。
如1.2節(jié)所述絕對(duì)位置獲取策略,需運(yùn)動(dòng)控制卡既具備串行數(shù)據(jù)接收能力,又具備對(duì)正交編碼脈沖計(jì)數(shù)的能力。本節(jié)設(shè)計(jì)了以TMS320F2812為核心的運(yùn)動(dòng)控制卡,滿足位置獲取策略的硬件需求。以下給出位置獲取模塊的硬件設(shè)計(jì)。
2.1 TMS320F2812與絕對(duì)位置獲取相關(guān)資源介紹
運(yùn)動(dòng)控制卡位置獲取硬件應(yīng)該包括兩部分:串行接口(絕對(duì)位置)及QEP電路(增量脈沖信號(hào))。如圖3所示,TMS320F2812具有兩路串行接口(SCIA、SCIB),兩路正交編碼脈沖(QEP)解碼電路和捕獲單元共用輸入接口,分別為CAP1/QEP1、CAP2/QEP2、CAP3/QEPI1(EVA),CAP4/QEP4、CAP5/QEP5、CAP6/QEPI2(EVB)。通過(guò)設(shè)置相應(yīng)捕獲單元控制寄存器使能QEP解碼電路而禁止其捕獲功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)正交編碼脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)。TMS320F2812的硬件特點(diǎn)恰好可滿足絕對(duì)位置獲取的硬件需求。
圖3 TMS320F2812與絕對(duì)位置獲取相關(guān)資源介紹
TMS320F2812的QEP電路對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器輸出正交編碼脈沖信號(hào)(PAO、PBO)進(jìn)行計(jì)數(shù)。正交編碼脈沖、定時(shí)器計(jì)數(shù)脈沖及計(jì)數(shù)方向時(shí)序邏輯如圖4所示。兩列正交輸入脈沖兩個(gè)邊沿都被正交編碼脈沖電路計(jì)數(shù),因此,產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率(CLK)是輸入序列的四倍。正交編碼脈沖的方向檢測(cè)邏輯檢測(cè)出兩個(gè)脈沖哪一個(gè)是先導(dǎo)序列,產(chǎn)生方向信號(hào)(DIR)作為定時(shí)器的計(jì)數(shù)方向輸入,使定器工作在增減模式下對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)。
圖4 正交編碼脈沖、計(jì)數(shù)脈沖及方向信號(hào)
2.2 位置獲取電路硬件設(shè)計(jì)
本文側(cè)重于絕對(duì)位置的測(cè)量,故只給出運(yùn)動(dòng)控制卡位置獲取部分的硬件設(shè)計(jì),其余電路未在本文展示。如圖5所示,主要包括:數(shù)字信號(hào)處理器芯片TMS320F2812、電平轉(zhuǎn)換電路(TTL電平轉(zhuǎn)為5V電平)、差分接收電路及接插件(與伺服驅(qū)動(dòng)器線纜連接)。
TMS320F2812作為系統(tǒng)核心,完成串行數(shù)據(jù)的接收、QEP信號(hào)的計(jì)數(shù)及實(shí)時(shí)絕對(duì)位置的計(jì)算。
伺服驅(qū)動(dòng)器位置輸出信號(hào)有四路,即PAO、PBO、PCO、PSO(具體含義見(jiàn)表1),其中PAO、PBO、PCO三路信號(hào)經(jīng)74LVTH245電平轉(zhuǎn)換后由SN75175接收,送至DSP的 CAP4/QEP4、CAP5/QEP5引腳,由DSP的QEP電路完成對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器正交脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)及方向處理;PSO信號(hào)經(jīng)74LVTH245電平轉(zhuǎn)換后由SN75175接收,送至DSP的串行接口(SCIRXB),用于系統(tǒng)初始化時(shí)刻接收串行格式的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)。
由圖5可知,運(yùn)動(dòng)控制卡取模塊充分利用了DSP芯片(TMS320F2812)的豐富外設(shè),實(shí)現(xiàn)了串行數(shù)據(jù)的接收、QEP信號(hào)的計(jì)數(shù)。外圍電路僅采用了電平轉(zhuǎn)換電路及接插件等,整個(gè)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。
圖5 位置獲取電路硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖
3.1 通過(guò)計(jì)數(shù)器方向標(biāo)志位判別轉(zhuǎn)向存在的問(wèn)題
伺服驅(qū)動(dòng)器輸出正交編碼脈沖(PAO、PBO)至TMS320F2812的CAP4/QEP4、CAP5/QEP5引腳。經(jīng)DSP內(nèi)部譯碼邏輯單元后產(chǎn)生4倍頻脈沖信號(hào)CLK和轉(zhuǎn)向信號(hào)DIR(見(jiàn)圖4)。設(shè)置定時(shí)器GPTimer4工作于定向增/減模式,對(duì)CLK信號(hào)完成計(jì)數(shù),A相超前,增計(jì)數(shù),B相超前,減計(jì)數(shù)。
定時(shí)器控制寄存器標(biāo)志位GPTCONB-T4STAT反映了定時(shí)器4的計(jì)數(shù)狀態(tài),很多文獻(xiàn)[12-13]通過(guò)該標(biāo)志判別電機(jī)轉(zhuǎn)向,使用中發(fā)現(xiàn):電機(jī)由圖6示箭頭方向運(yùn)行后停止于位置P,在負(fù)載及伺服力作用下,電機(jī)會(huì)在位置P正負(fù)幾個(gè)單位編碼值間抖動(dòng)。程序讀取GPTimer4的計(jì)數(shù)器值P后,讀取方向信號(hào),若此時(shí)恰巧位置變化為P-,則計(jì)數(shù)方向即轉(zhuǎn)向判別錯(cuò)誤,導(dǎo)致位置計(jì)算錯(cuò)誤。
圖6 位置示意
3.2 問(wèn)題的處理
計(jì)數(shù)器溢出后歸零重新開(kāi)始計(jì)數(shù),周而復(fù)始。所以,計(jì)數(shù)器可理解為環(huán)形方式工作(如圖7示),假設(shè)逆時(shí)針為增計(jì)數(shù)方向。PA為計(jì)數(shù)器前一次計(jì)數(shù)值,PB為當(dāng)前計(jì)數(shù)器值。在只有一次溢出的情況下,僅存在兩種可能:逆時(shí)針增計(jì)數(shù)或者順時(shí)針減計(jì)數(shù)到達(dá)PB位置,且必然一條路徑小于等于另一條路徑。兩條路徑距離相同的情形為電機(jī)行程恰為計(jì)數(shù)器值一半。假定位置讀取周期內(nèi)電機(jī)行程不超過(guò)計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值一半,較短路徑方向即為電機(jī)轉(zhuǎn)向。
圖7 位置示意
為保證判別方法的可行性,位置采樣周期須滿足以下條件:
TS=T4CNT/(2R)
(1)
式中,TS為位置讀取周期;
R為電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速;
T4CNT為計(jì)數(shù)器最大值。
本文采用的伺服電機(jī)被設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)一圈絕對(duì)編碼器輸出4倍頻值為65536?;谏鲜龇治?,令ΔP為編碼器位置,其為正值時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn),負(fù)值時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn),給出如下位置計(jì)算方式:
(1) 依據(jù)設(shè)定條件,必然發(fā)生溢出,則:
若PB>PA,電機(jī)反轉(zhuǎn),ΔP=-65536+PB-PA;
否則,電機(jī)正轉(zhuǎn),ΔP=65536-PB+PA;
(2) 否則,沒(méi)有溢出:
若PB>PA,電機(jī)正轉(zhuǎn),ΔP=PB-PA;
否則,電機(jī)反轉(zhuǎn),ΔP=PB-PA。
3.3 軟件實(shí)現(xiàn)
本節(jié)給電機(jī)轉(zhuǎn)向判別及絕對(duì)位置獲取的程序?qū)崿F(xiàn)。
為使 DSP 內(nèi)部 QEP 電路工作于計(jì)數(shù)方式,主程序中設(shè)置相關(guān)寄存器。通用定時(shí)器 GPTimer4 設(shè)置為定向增/減計(jì)數(shù)模式且使用正交編碼脈沖電路作時(shí)鐘源;使能定時(shí)器操作;同時(shí),設(shè)置波特率等寄存器,使能SCIB。初始化完成后,通過(guò)SCIB串口接收伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的串行絕對(duì)位置數(shù)據(jù)。
位置測(cè)量程序模塊采用定時(shí)中斷方式調(diào)用,依據(jù)位置采樣周期限定條件式(1),設(shè)置合適的采樣周期值。定時(shí)中斷程序完成位置讀取及計(jì)算等工作。
軟件包括主程序與子程序,主程序完成初始化等工作,并打開(kāi)定時(shí)中斷。計(jì)算絕對(duì)位置的程序作為關(guān)節(jié)控制器程序的一個(gè)函數(shù),用C語(yǔ)言編寫(xiě),軟件流程圖見(jiàn)圖8。
圖8 主程序、定時(shí)中斷中位置獲取及計(jì)算程序流程圖
本文所述絕對(duì)位置測(cè)量模塊已應(yīng)用于弧焊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制卡中(見(jiàn)圖9、圖10),并完成了焊接試驗(yàn)。
圖9 應(yīng)用該運(yùn)動(dòng)控制卡的弧焊機(jī)器人
圖10 弧焊實(shí)驗(yàn)
運(yùn)動(dòng)控制卡伺服周期設(shè)置為50μs。即每隔50μs進(jìn)行關(guān)節(jié)電機(jī)絕對(duì)位置計(jì)算,并完成插補(bǔ)算法與關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。
為驗(yàn)證所提出的絕對(duì)位置測(cè)量方法的正確性和控制有效性,進(jìn)行了機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn),并驗(yàn)證了絕對(duì)位置讀取的正確性。
(1)接通伺服系統(tǒng)電源,利用研發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制卡獲取當(dāng)前絕對(duì)位置數(shù)據(jù),并與伺服系統(tǒng)PC端配套監(jiān)視軟件的輸出結(jié)果比較;
(2)機(jī)器人運(yùn)行一段時(shí)間后,利用研發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制卡獲取當(dāng)前絕對(duì)位置數(shù)據(jù),并與伺服系統(tǒng)PC端配套監(jiān)視軟件的輸出結(jié)果比較。
兩種測(cè)試結(jié)果中運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)絕對(duì)位置的實(shí)時(shí)讀取值均與伺服系統(tǒng)PC端配套監(jiān)視軟件結(jié)果一致,且避免了電機(jī)保持某位置時(shí)位置抖動(dòng)情況下絕對(duì)位置計(jì)算的正確性,證明了本文所述方法可以準(zhǔn)確獲得機(jī)器人的絕對(duì)位置。
本文所提出的絕對(duì)位置讀取方法,相較于外購(gòu)及其它自研運(yùn)動(dòng)控制卡,得益于DSP芯片TMS320F2812的豐富外設(shè)和強(qiáng)大的計(jì)算能力,伺服周期更短(僅為50μs,且可以根據(jù)需要設(shè)置為更短),僅采用單芯片即實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)電機(jī)絕對(duì)位置的讀取及電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,功能可靠。
本文以關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為絕對(duì)編碼器式電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器的工業(yè)機(jī)器人控制器為例,詳細(xì)闡述了以DSP芯片TMS320F2812為核心的運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)電機(jī)絕對(duì)位置的獲取方法,給出了軟硬件設(shè)計(jì)方案。在位置計(jì)算模塊中,提出了無(wú)需計(jì)數(shù)方向標(biāo)志的轉(zhuǎn)向判別方法和位置計(jì)算方法,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此位置獲取策略的有效性。所提出的運(yùn)動(dòng)控制器具有以下特點(diǎn):
(1)充分利用了DSP芯片 TMS320F2812的外設(shè)功能,使用單芯片構(gòu)建了運(yùn)動(dòng)控制器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,降低了系統(tǒng)成本;
(2)通過(guò)初始絕對(duì)位置及增量位置的獲取,實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)節(jié)絕對(duì)位置的實(shí)時(shí)計(jì)算和獲取,為機(jī)器人控制系統(tǒng)更好的工作奠定了基礎(chǔ);
(3)提出了一種判別電機(jī)轉(zhuǎn)向的方法,避免了使用DSP芯片 TMS320F2812的計(jì)數(shù)標(biāo)志位判別電機(jī)轉(zhuǎn)向?qū)е碌腻e(cuò)誤,該方法簡(jiǎn)單可靠,并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
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(編輯李秀敏)
AbsolutePositionMeasuringofJointMotorforIndustrialRobotUsingDSPchip
QIANG Yan-hui, YANG Kan
(Navy Academy of Armament, Beijing 100161, China)
Absolute position measuring of servo motor for robot is proposed in this paper, it’s designed for joint servo system which make up of motor and servo drivers. The motion controller based on DSP (TMS320F1812) using following method. The motion controller receive serial data of absolute position in initial phase. It get incremental position through QEP module embedded in DSP chip(TMS320F1812) at steady running phase. Then, the absolute position is calculated in real time. A new motor rotation determination method is presented aiming at overcoming the shortcoming of pulse counting register direction flag bit. The hardware and software design scheme of motion controller are described in detail. An experiment has conducted to verify the absolute position measuring method for industrial robot.
robot; absolute position; motion controller
TH165;TG659
:A
1001-2265(2017)09-0103-04
10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.026
2017-04-27;
:2017-06-06
強(qiáng)艷輝( 1983—) ,男,山西中陽(yáng)人,海軍裝備研究院工程師,博士,研究方向?yàn)闄C(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制,(E- mail) happyyanhui@ 163.com。