基于行波超聲波電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂精密定位系統(tǒng)研制

1、 2007, 34(11控制與應(yīng)用技術(shù)EM CA基于行波超聲波電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂3精密定位系統(tǒng)研制華亮, 李憲章, 吳曉(1. 浙江工業(yè)大學(xué)智能信息研究所, 浙江杭州310032;2. 南通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 江蘇南通226007摘要:。采用行波超聲波微步控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂低速下的高精度定位控制, 種實(shí)用的行波超聲波電機(jī)精密定位控制方法。此外, 所給的方法簡(jiǎn)單易行, 控制中, 。關(guān)鍵詞:行波超聲波電機(jī); ; 中圖分類(lèi)號(hào):文章編號(hào):167326540(2007 11200232061, 212H i gh 2on Positi on i n g Syste m of M an i pul a

2、 tor Ba sed on D i rectD r i v i n g M echan is m Usi n g Traveli n g 2wave Ultra son i c M otorHUA L iang1, 2, L I X ian 2zhang , WU X iao12(1. Zhejiang University of Technol ogy, Hangzhou 310032, China;2. Nant ong University, Nant ong 226007, China Abstract:The devel opment of a high 2p recisi on

3、positi on syste m design method f or r obotic multi 2DOF mani pulat orusing traveling 2wave ultras onic mot or and step mot or is put f or ward . H igh 2p recisi on positi oning contr ol method of ma 2ni pulat or based on m icr o 2step contr ol method using TRUS M is intr oduced . A novel p recise p

4、ositi on contr ol method of TRUS M which has features of p racticability is intr oduced and theoretical and experi m ental studies are comp leted . Mo 2reover, the paper dedicated t o study on the positi on err or analysis and contr ol syste m design method . The methods and conclusi ons put for war

5、d in the paper can highly enhance p recisi on of positi on of US M and have br oad p r os pect in app licati on . The contr ol syste m f or the mani pulat or with multi 2DOF realizes the high 2p recisi on contr ol t o the j oint without using high p recise angular sens or .Key words:traveli n g 2wav

6、e ultra son i c m otor; m i cro 2step con trol ; man i pul a tor; prec isi on positi on0引言隨著機(jī)器人技術(shù)的提高, 對(duì)機(jī)器人機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也提出了越來(lái)越高的要求。例如對(duì)空間機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人等, 要求其機(jī)械臂定位準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速、驅(qū)動(dòng)裝置體積緊湊、出力大。傳統(tǒng)伺服電機(jī)作為機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的最大缺點(diǎn)是功率2質(zhì)量比小, 采用小型電磁電機(jī)時(shí)因低速力矩不足而必須使用減速箱, 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)3南通市應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(K2007023雜、重量大; 且減速齒輪間的間隙和磨損阻礙了電1機(jī)快速性和精確性的提高。超

7、聲波電機(jī)是近20年來(lái)出現(xiàn)的一種全新概念的新型驅(qū)動(dòng)裝置。同電磁電機(jī)、靜電電機(jī)相比,2超聲波電機(jī)的許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使其在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)中有很高的應(yīng)用價(jià)值。例如美國(guó)噴氣實(shí)驗(yàn)室和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制的大扭矩超聲波電機(jī)成功3應(yīng)用在火星車(chē)的機(jī)械臂中; 日本學(xué)者成功研制出基于圓環(huán)狀或者圓筒狀超聲波電機(jī)的機(jī)器人手23控制與應(yīng)用技術(shù)EM CA2007, 34(115臂; 東南大學(xué)學(xué)者開(kāi)發(fā)的兩軸機(jī)械臂等。本文介紹的基于行波超聲波電機(jī)(T RUS M 直接驅(qū)動(dòng)的三自由度機(jī)械臂, 可實(shí)現(xiàn)快速、精密伺服定位控制。該機(jī)械臂在移動(dòng)焊接機(jī)器人中得到了良好的應(yīng)用。4成本、應(yīng)用背景、現(xiàn)有設(shè)備作出的選擇。該電機(jī)較重, 但作為腰關(guān)節(jié)固定于移

8、動(dòng)焊接機(jī)器人底盤(pán)前下部, 能使移動(dòng)機(jī)器人重心前移, 提高機(jī)器人的穩(wěn)定性。關(guān)節(jié)式球面機(jī)械臂已有了成熟的動(dòng)力學(xué)和8運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。本文介紹的機(jī)械臂已成功應(yīng)用于自行研制的移動(dòng)焊接機(jī)器人中?，F(xiàn)著重介紹機(jī)械臂的精密定位控制。1機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. 1執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本文介紹的機(jī)械臂實(shí)物照片如圖1所示。其6執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用關(guān)節(jié)式球面機(jī)械臂構(gòu)型。關(guān)節(jié)式球面三自由度關(guān)節(jié)是一種發(fā)展比較成熟的機(jī)械臂本體構(gòu)型, 三連桿通過(guò)兩個(gè)俯仰(旋轉(zhuǎn)軸與連桿中心線垂直 關(guān)節(jié)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(旋轉(zhuǎn)軸與連桿中心線平行 連接, 的操作任務(wù) 。2TRUS M 精密定位控制2. 1USR30、USR60和, 他D6060。驅(qū)動(dòng)器90、頻率分別大約和40k

9、Hz 的準(zhǔn)正弦波驅(qū)動(dòng)電壓。用戶(hù)可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的電子開(kāi)關(guān)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn), 并可以通過(guò)改變其調(diào)速端口的電壓來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。驅(qū)動(dòng)器相關(guān)參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)9210。2. 2TRUS M 控制方法2004年, 國(guó)內(nèi)學(xué)者在文獻(xiàn)11中提出了超聲波電機(jī)步進(jìn)特性的概念。它參照步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn), 對(duì)縱扭復(fù)合型超聲波電機(jī)的步進(jìn)特性進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究, 并提出了一種精密定位控制方法, 達(dá)到了很高的定位精度。同年, 對(duì)TRUS M 的12步進(jìn)特性進(jìn)行了初步研究, 發(fā)現(xiàn)其具有很高的控制精度, 在此基礎(chǔ)上提出了一種簡(jiǎn)單易行、控制精度高的速度位置控制方法微步控制。該方法可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)低速下的精密定位, 非常適合于機(jī)器人關(guān)節(jié)直接

10、驅(qū)動(dòng)控制。本文采用微步控制方法對(duì)TRUS M 進(jìn)行精密定位控制。2. 2. 1TRUS M 微步控制原理微步控制中每一個(gè)正弦波驅(qū)動(dòng)電壓使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)穩(wěn)定的角度1(簡(jiǎn)稱(chēng)波距角 。電機(jī)從起動(dòng)到停止的這一很短的過(guò)程為一微步。每一微步都會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)很小的角度s (簡(jiǎn)稱(chēng)步距角 。理論上, 。s 在外界條件不變的情況下是恒定的USR30的驅(qū)動(dòng)正弦波電壓周期T =19s, 如以T 為最小單位, 則每微步運(yùn)行時(shí)間t s =n s T =19n s , 其中n s 為每步正弦波的個(gè)數(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)波數(shù) 。微步運(yùn)行時(shí)控制器發(fā)出起動(dòng)命令到發(fā)出停止命令的時(shí)間稱(chēng)為“微步運(yùn)行時(shí)間”, 發(fā)出停止命令到發(fā)出下一步起動(dòng)命令的時(shí)間稱(chēng)為“步

11、間停止時(shí)間”。12(優(yōu)T RUS M 利用步進(jìn)控制可以達(dá)到很高精度11圖1三自由度機(jī)械臂實(shí)物圖1. 2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用直接驅(qū)動(dòng)方式, 即將負(fù)載直接剛性連在電機(jī)軸上, 可消除傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式(帶減速機(jī)構(gòu) 中的間隙、摩擦等不利因素, 增加伺服剛度, 從而顯著提高機(jī)器人的終端合成速度和定位精度。直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須具備以下特點(diǎn):尺寸小、重量輕、力矩大; 需抑制輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng); 響應(yīng)速度快, 剛度高。本文選用日本Shinsei 公司生產(chǎn)的行波超聲波電機(jī)USR30作為肘關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)電機(jī), 行波超聲波電機(jī)USR60作為肩關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)電機(jī), 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)75BC380作為腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。采用75BC380

12、是根據(jù)機(jī)器人247 2007, 34(11控制與應(yīng)用技術(shù)EM CA。但是它的步進(jìn)特性在不同時(shí)間、于0. 01溫度條件下不是穩(wěn)定的, 而在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)步進(jìn)特性是相對(duì)穩(wěn)定的, 相鄰步距角之間的差距很微小。根據(jù)以上試驗(yàn)所得出的結(jié)論, 本文采用一種簡(jiǎn)單實(shí)用的新型定位控制方法。這種方法可以實(shí)現(xiàn)定位的高精度, 并且可以控制電機(jī)以極低的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。2. 2. 2TRUS M 新型精密定位控制方法T RUS M 精密定位控制的基本原理如圖2所示 。步距角和誤差都隨著n s 的增大而增大, 因此要想得到高的可控精度, n s 必須要小。在負(fù)載變化的情況下, 步距角不是突變的, 用前一個(gè)步距角預(yù)測(cè)12下一個(gè)步距角

13、不會(huì)帶來(lái)很大的誤差。2:=a+其中b +c 。a 碼器脈沖到來(lái)轉(zhuǎn)過(guò)的角度(USR30、USR60自帶500線光電編碼器 ; b 為光電編碼器反映的旋轉(zhuǎn)角度; c 為最后一個(gè)光電編碼器脈沖到來(lái)時(shí)與目標(biāo)位置相差的角度。單片機(jī)控制T RUS M 步進(jìn)前進(jìn), 記錄a 段的步數(shù)S 0; b 段每個(gè)光電編碼器脈的步數(shù)為S 12沖到來(lái)時(shí)(即每0. 72S m ; c 段的步數(shù)為S m +1。因此a =S 0S 0. 72m b =0(1時(shí), 記錄步數(shù)S 0; 光電編碼器的第二個(gè)脈沖到來(lái)時(shí), 通過(guò)計(jì)算可以較為準(zhǔn)確地得到電機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為0. 72(1+S 0/S1 ; 在此之后利用光電編碼器跟蹤電機(jī)的位置,

14、 累計(jì)轉(zhuǎn)過(guò)的角度, 記錄每0. 72的步數(shù)。當(dāng)前位置與目標(biāo)位置相差小于0. 72時(shí), 估算到目標(biāo)位置需要的步數(shù)S m +1=( . 72S m , 并運(yùn)行相應(yīng)步數(shù)后停止。C /02. 2. 3起動(dòng)問(wèn)題的解決在微步控制試驗(yàn)中, 發(fā)現(xiàn)在某些情況下不能起動(dòng)。在電機(jī)停止較長(zhǎng)時(shí)間(大于60s 后, 最大靜摩擦力會(huì)增大, 這時(shí)電機(jī)的起動(dòng)滯后時(shí)間會(huì)變大; 在微步控制下, 每一微步的時(shí)間很短, 如果小于電機(jī)的起動(dòng)滯后時(shí)間, 電機(jī)就不能起動(dòng)。但是一旦電機(jī)起動(dòng), 下面的微步控制中, 起動(dòng)滯后時(shí)間會(huì)很短, 不會(huì)影響到正常的微步控制。電機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間停止之后, 試驗(yàn)表明USR30起動(dòng)滯后時(shí)間大約為300s 。USR60起

15、動(dòng)滯后時(shí)間大約為500s, 因此在微步控制起動(dòng)時(shí), 第一微步的時(shí)間必須加上這個(gè)起動(dòng)滯后時(shí)間, 才能保證電機(jī)的順利起動(dòng)。2. 2. 4定位誤差分析c =S m +1S m +1顯然, S 0和S m +1是提高控制精度的關(guān)鍵。根據(jù)相鄰步距角變化非常微小的試驗(yàn)結(jié)論, 可以用相鄰的可測(cè)步距角來(lái)估算S 0和S m +1。因此可以認(rèn)為:. 72/S1S 0=S 1=0=0. 72/Sm S m +1=S m(212但是當(dāng)初始位置與目標(biāo)位置小于1. 44時(shí), 可能得不到一個(gè)準(zhǔn)確的步距角。這個(gè)時(shí)候只能依靠以前的試驗(yàn)值來(lái)估算, 相應(yīng)的誤差就會(huì)增大。應(yīng)用中可以提高光電編碼器的分辨率來(lái)提高精度。綜上所述, TRU

16、S M 的預(yù)定轉(zhuǎn)角:=a +b +c =(3 0. 72(S 0/S1+m +S m +1/Sm 在控制過(guò)程中, 光電編碼器第一個(gè)脈沖到來(lái)值得注意的是記錄步數(shù)S 有兩種不同的方法。方法1是在光電編碼器的脈沖到來(lái)時(shí)立即記錄當(dāng)前步數(shù); 方法2是在一步運(yùn)行完之后判斷有脈沖來(lái)過(guò)(脈沖到來(lái)時(shí)置標(biāo)志位 記錄步數(shù)。兩種方法的主要不同是:方法1記錄的S 0會(huì)比后一25控制與應(yīng)用技術(shù)EM CA2007, 34(11種的少1。兩種方法記錄的S 12S m 從統(tǒng)計(jì)的角度看應(yīng)該是一致的, 而最終計(jì)算S m +1的結(jié)果是一樣的?？偟恼f(shuō)來(lái), 方法1比方法2的總步數(shù)少1, 方法1的實(shí)際到達(dá)位置可能達(dá)不到目標(biāo)位置, 而方法2

17、則可能超過(guò)目標(biāo)位置。在本文微步控制中, 采用的是方法2, 因?yàn)檫@時(shí)實(shí)際上研究的是b 段的情況, 方法1、2沒(méi)有區(qū)別。兩種方法都沒(méi)有在脈沖到來(lái)時(shí)打斷一個(gè)微步, 這樣在最后一個(gè)脈沖到來(lái)并且完成一步停下來(lái)的時(shí)候, 電機(jī)的實(shí)際位置一定會(huì)超過(guò)這個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)的位置一個(gè)角度簡(jiǎn)稱(chēng)超出角, 因此實(shí)際的3(3S m 。c 比理論 的. 72S m c 少了3。運(yùn)用公式S m +1=(C /0時(shí)沒(méi)有考慮也不能確定這個(gè)超出角3, 差會(huì)被累積。為了緩解這個(gè)問(wèn)題, , 程中的超調(diào)角, 這個(gè)角度就很小, 這樣就大大減小了累積誤差。在采用這種控制方法時(shí), 應(yīng)該采用方法1記錄步數(shù)S 。因?yàn)樽詈笠粋€(gè)脈沖到來(lái)時(shí)打斷微步, 采用方法

18、2就會(huì)比以前記錄的步數(shù)少1。起動(dòng)滯后時(shí)間也會(huì)帶來(lái)控制誤差。起動(dòng)滯后時(shí)間與電機(jī)停止時(shí)間、負(fù)載大小、電機(jī)溫度等諸多因素有關(guān), 不是一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。如控制USR30時(shí)將第一微步的時(shí)間加上了一個(gè)確定時(shí)間300s 。如果電機(jī)的實(shí)際起動(dòng)滯后時(shí)間小于300s, 第一微步的步距角就會(huì)大, 第一個(gè)脈沖到來(lái)之前的步數(shù)就會(huì)少, 因此預(yù)測(cè)的脈沖之前的角度就會(huì)小; 如果大于300s, 步距角就小, 步數(shù)多, 預(yù)測(cè)的角度就會(huì)大。在無(wú)負(fù)載的情況下, 假設(shè)起動(dòng)滯后時(shí)間的波動(dòng)為25%, 這時(shí)引起的誤差最大為誤差波數(shù)步踞角=(30025%/19 1, 其中1為波矩角。當(dāng)調(diào)速電壓為0V 時(shí), 通過(guò)試驗(yàn)可得電機(jī)穩(wěn)定工作的波矩角為0.

19、 00207, 因此誤差最大為(30025%/19 0. 00207。這里的1是電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)的波矩角。而起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速低, 波矩角應(yīng)該更小, 所以實(shí)際的誤差將小于0. 00817。利用上述控制方法, 可控精度為一個(gè)步距角, 誤差也是一個(gè)步距角。在空載的時(shí)候, 當(dāng)n s =9時(shí), 控制的定位精度會(huì)優(yōu)于0. 01。在負(fù)載的情況下, 負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí), 轉(zhuǎn)速減小, 制動(dòng)時(shí)間隨著26負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大而減小, 從而使可控的精度更高。2. 2. 5基于占空比調(diào)節(jié)的T RUS M 調(diào)速方法當(dāng)今國(guó)內(nèi)外對(duì)T RUS M 轉(zhuǎn)速控制的研究大多著重于控制其轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性, 而對(duì)低速下的速度控制研究不多。對(duì)于機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)常要

20、求低速下的高精度定位, 并不要求電機(jī)恒定工作在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速, 只是要求其在宏觀上具有一定的轉(zhuǎn)速。本文針對(duì)這種需求, 采用基于占空比調(diào)節(jié)TRUS M 轉(zhuǎn)速的控制方法。利用微步控制方法, T 每步轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)微小的角度M (M 1010。m -6-3s 10+M10 (=S i (19n s 10s /i =1m +1-6+M10 (4-3式中:v 為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速, v 為平均轉(zhuǎn)速。但是實(shí)際上T RUS M 轉(zhuǎn)動(dòng)不是恒速的, 而是不斷起停, 就如同步進(jìn)電機(jī)一樣。顯然, 在波數(shù)n s 一定的情況下, 改變M 的大小可以大范圍地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。這種方法特別適合于低速的轉(zhuǎn)速控制。而在高速的場(chǎng)合, 由于M 10m s 的限

21、制, 不能達(dá)到很高的速度, 這時(shí)可以采用分段控制的辦法。在a 段、b的前段、b 的后段和c 段, 采用微步控制; 在b 的中段, 可以選用大的波數(shù)n s 或者讓電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn), 以此來(lái)提高轉(zhuǎn)速。3TRUS M 步進(jìn)定位控制器設(shè)計(jì)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)需要對(duì)兩臺(tái)T RUS M 進(jìn)行實(shí)時(shí)控制, 使兩臺(tái)電機(jī)能夠協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng), 并要求達(dá)到很高的精度。在控制中, 由于要對(duì)機(jī)械臂的路徑進(jìn)行規(guī)劃, 需要大量的計(jì)算, 單純靠單片機(jī)不能實(shí)時(shí)完成, 因此需要采用上下位機(jī)的形式, 由上位機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃, 作為控制機(jī)構(gòu), 下位機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu); 上下位機(jī)之間使用CAN 總線進(jìn)行通信。下位機(jī)采用增強(qiáng)型的單片機(jī), 接收上位機(jī)的命令并執(zhí)

22、行。它可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制T RUS M 的起停和正反轉(zhuǎn), 并通過(guò)計(jì)數(shù)器接收光電編碼器傳來(lái)的位置信號(hào)。單片機(jī)需要把這些信號(hào)實(shí)時(shí)地傳遞給上位機(jī), 為上位機(jī)的控制提供依據(jù)。本文采用Phili p s 公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型51單片機(jī)P89C51RD2作為兩臺(tái)T RUS M 的控制器。T RUS M 的總體控制系統(tǒng)如 2007, 34(11控制與應(yīng)用技術(shù)EM CA圖3所示 。路輸出。其中ChA 和ChB 輸出相位相差90的方波, 精度為500脈沖/圈。從前述的微步控制方法中可知, 光電編碼器的精度越高, 超聲波電機(jī)在短距離的控制中精度就越高。為了提高精度, 可對(duì)兩路信號(hào)4倍頻, 使精度達(dá)到0. 18。具體方

23、法是:首先將Ch A 和ChB 通道的方波異或, 實(shí)現(xiàn)了2倍頻, 如圖6所示; 再將異或后的信號(hào)輸入P89C51RD2的PCA 模塊中, PCA 將輸入信號(hào)的上升和下降沿進(jìn)行捕獲并計(jì)數(shù), 就實(shí)現(xiàn)了4倍頻 。圖3T RUS M 控制系統(tǒng)框圖3. 1控制邏輯輸出模塊在微步控制方式下, 關(guān)鍵是實(shí)時(shí)控制電機(jī)的起停。本系統(tǒng)中, 制電機(jī)起停、正反轉(zhuǎn)。以USR30, 中, 側(cè)為驅(qū)動(dòng)器, “”引腳。即可。, 因?yàn)檫@時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)向是不確定的, 這是不允許的。為此, 在電路中添加了互鎖電路。具體電路如圖5所示 。9圖6通道A 、B 的輸出及異或后的結(jié)果3. 3位置信息存儲(chǔ)模塊關(guān)節(jié)中兩臺(tái)超聲波電機(jī)的位置信息在斷電后需

24、要保存, 以便為下一次運(yùn)行提供當(dāng)前位置信息。為此硬件系統(tǒng)中使用了非易失性存儲(chǔ)器EEP 2ROM 來(lái)保存這些信息。本系統(tǒng)中使用的EEP 2ROM 為24C04。它采用二線制I C 串行總線, 簡(jiǎn)2化了電路, 能夠存儲(chǔ)512字節(jié)的數(shù)據(jù), 滿(mǎn)足系統(tǒng)要2求。由于P89C51RD2沒(méi)有I C 總線接口, 需要軟件模擬, 本系統(tǒng)采用了廣州周立功公司編寫(xiě)的模2擬I C 協(xié)議的軟件包, 使用非常方便。圖4 起停正反轉(zhuǎn)控制電路3. 4CAN 總線接口模塊CAN 總線是一種多主方式的串行通信總線,技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理, 傳輸速度高達(dá)1Mbit/s 。C AN 接口電路如圖7所示。電路中采用了Ph

25、ili p s 公司生產(chǎn)的C AN 總線控制器S JA1000和C AN 收發(fā)器PC A82C250。SJA1000的功能很強(qiáng), 能完成高性能的通信, 適應(yīng)機(jī)器人的控制要求。CAN 收發(fā)器為PC A82C250, 它是C AN 控制器與物理總線之間的接口, 可以提高向總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN 控制器的差動(dòng)接收能力。另外為了提高可靠性, 使用了Phili p s 公司的DC 2DC 模塊B0505S 對(duì)電源進(jìn)行了隔離。3. 5調(diào)速模塊通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的調(diào)速電壓, 可以改變超聲波電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為了實(shí)現(xiàn)軟件調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速, 本系統(tǒng)27圖5互鎖電路3. 2位置信號(hào)采集模塊本系統(tǒng)中的光電編碼器HE DS 25

26、540是德國(guó)F AULF ABER 集團(tuán)生產(chǎn)的, 有ChA 、Ch B 和ChZ 三控制與應(yīng)用技術(shù) EM CA 2007 34 ( 11 , 采用了外接數(shù)字電位器的方法 。本系統(tǒng)使用的是 ANALOG DEV ICE 公 司 生 產(chǎn) 的 數(shù) 字 電 位 器 AD5204。它具有以下特點(diǎn) : 4 通道 , 256 級(jí) 10K可 變電阻 , SP I串行接口 ,每一通道都可以編程為不 同的阻值 。由于 P89C51RD2 自身沒(méi)有 SP I總線 接口 ,必須要用軟件模擬 。 3. 6 TRUSM 與步進(jìn)電機(jī)綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械臂腰關(guān)節(jié)的控制采用常州微特電機(jī)總廠 生產(chǎn)的 75BC380 型三相磁阻

27、式步進(jìn)電機(jī) 。其粗 步距精度為 0. 36 ,采用基于 FPGA 的雙正弦可變 細(xì)分新型驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行 72 細(xì)分后 ,步距精度可達(dá) 13 0. 005 。該電機(jī)定位精度高 ,運(yùn)行較平穩(wěn) 。 由于單片機(jī)接口及資源有限 , 因此步進(jìn)電機(jī) 采用另一塊單獨(dú)的單片機(jī)進(jìn)行控制 。其細(xì)分控制 框圖如圖 8 所示 。在機(jī)械臂中 ,將肘 、 肩關(guān)節(jié)模塊 作為 CAN 總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn) ,腰關(guān)節(jié)模塊作為一 個(gè)節(jié)點(diǎn) ,組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò) ,結(jié)構(gòu)如圖 9 所示 ?？?制信息與位置信息都通過(guò) CAN 總線在節(jié)點(diǎn)與節(jié) 點(diǎn)間 、 下位機(jī)與上位機(jī)間交互 ,使關(guān)節(jié)在既定規(guī)劃 路徑下協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng) 。 圖 7 CAN 總線通信接口電路

28、圖 8 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制電路總體框圖 4 結(jié) 語(yǔ) 本文介紹了基于 TRUS 與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 M 機(jī)器人多自由度機(jī)械臂精密定位控制系統(tǒng) 。采用 TRUS 微步控制技術(shù)及一種簡(jiǎn)單實(shí)用的新型定 M 圖 9 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 28 位控制方法 ,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂低速下的高精度定位 控制 。 此外 , 還進(jìn)行了定位誤差分析及控制系統(tǒng) (下轉(zhuǎn)第 40 頁(yè) 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 變頻調(diào)速 EM CA 版社 , 2005. 2007 34 ( 11 , 圖 7 系

29、統(tǒng)主程序流程圖 圖 8 串行口接收中斷流程圖 圖 9 HSO 高速輸出 PTS事務(wù)中斷結(jié)束流程 3 賀益康 ,潘再平 . 電力電子技術(shù) M . 北京 : 科學(xué)出 4 陳伯時(shí) ,陳敏遜 . 交流調(diào)速系統(tǒng) M . 北京 : 機(jī)械工 5 王會(huì)剛 ,李忠杰 ,王來(lái)高 . 采用電壓矢量控制小功率 業(yè)出版社 . 1998. (上接第 28 頁(yè) 的設(shè)計(jì) 。所給的方法簡(jiǎn)單易行 , 在 TRUS 精密 M 定位中具有普遍的應(yīng)用意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值 。 該方法成功運(yùn)用于機(jī)器人多自由度機(jī)械臂控制 中 ,不需要使用高精度編碼器就可以機(jī)械臂達(dá)到 很高的定位精度 。 【 考文獻(xiàn)】 參 6 蔡自興 . 機(jī)器 人學(xué) M . 北京 : 清華 大學(xué) 出版社 , 2000. 7 譚偉 ,趙錫芳 . 機(jī)器人直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā) 8 閆超勤 . 智能移動(dòng)機(jī)械臂的研究 D . 西安 : 西安電 1 KAWANO H , H IRAHARA T Three2 . DOF angular po2 2003 IEEE /RSJ, Intl Conference on Intelligent Robots and System s Las Vegas, 2003: 2247 2 . 2253