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1、基于运动控制芯片机械手控制系统设计wangtao导语：面关节型机械手是应用最广泛的机械手类型之一，既可以用于实际消费，又可以用于教学实验和科学研究，所以开发设计和研究平面关节型机械手具有最广泛的实际意义和应用前景。平面关节型机械手是应用最广泛的机械手类型之一，既可以用于实际消费，又可以用于教学实验和科学研究。用于实际消费，它可以知足装配作业内容改变频繁的要求；用于教学实验，它可以使人直观地理解机器人构造组成、动作原理等，所以开发设计和研究平面关节型机械手具有最广泛的实际意义和应用前景。LM629是美国国家半导体公司消费的可编程全数字运动控制芯片，它具有32位的位置、速度和加速度存放器，内置PI
2、D算法，其参数可以修改；支持实时读取和设定速度、加速度以及位置等运动参数，内置的梯形图发生器可以自动生成速度曲线，平稳地加速、减速；支持增量式光电码盘的4倍频输入；芯片的主频为6MHz和8MHz。因此，本文采用LM629和PIC16F877构成机械手的伺服控制系统。1、机械手构造本文设计的平面关节型机械手的实物照片如图1所示，其主要包括三个旋转关节分别控制机械大臂和小臂旋转以及手抓张合和一个挪动关节控制手腕伸缩，图2为机械手简化模型。各关节均采用直流电机作为驱动装置，在机械大臂和小臂的旋转关节上还装配有增量式光电编码器，提供半闭环控制所需的反应信号。直流电机的运动控制采用自行开发的基于LM62
3、9和PIC16F877构成的多关节控制卡，并编制了能知足运动控制要求的软件，实现对机械手的速度、位置以及4关节联动控制。由于机械手4个关节电机的控制系统根本类似，因此在下文中，笔者将以单个关节电机为例向读者介绍平面关节型机械手的控制系统设计经过。图1机械手实物照片图2机械手简化模型注：1机身；2大臂电机；3光电编码器；4大臂；5小臂电机：6同步带；7光电编码器；8小臂；9手腕升降电机；10手抓电机；11手抓。2、控制系统设计2.1控制系统的工作原理基于LM629芯片和PIC16F877单片机构成的单个关节直流电机伺服驱动系统如图3所示。图3控制系统原理图运动芯片LM629通过8位数据线和6根控
4、制线与单片机PIC16F877的I/O口相连。单片机通过数据线向LM629发送位置或者速度命令、设定PID调节参数，并从LM629中读取速度、加速度等数值。LM629输出的脉宽调制幅度信号和方向信号直接驱动L298N，经过功率放大后驱动直流电机。增量式光电编码器提供半闭环控制所需的反应信号A、B、IN,梯形图发生器计算出位置或者速度形式下所需控制的运动轨迹。PIC16F877为LM629提供加速度、速度和目的位置量,在每个采样周期用这些值来计算出新的命令和位置给定值,将其作为指令值。由增量式光电编码器检测电机的实际位置,其输出信号经过LM629四倍频后进展解码,形成位置反应值。指令值与反应值的
5、差值作为数字PID校正环节的输入。通过数字调节器PID计算，LM629输出脉宽调制信号PWMM和方向信号PWMS用于控制功率芯片L298N,进而驱动电机运动到指定的位置。LM629在进展位置控制的同时，还对速度进展控制。LM629在承受到主机送来的位置信号后，按梯形图生成加速、匀速、减速的速度曲线，曲线与坐标横轴所包围的面积就是指定的位置。PID算法中的比例、积分和微分系数有时需要进展修改，因此将它们存储在单片机的E2PROM中。单片机和PC机通过无线发射和接收模块进展串行通讯。2.2控制系统的硬件设计本文所研究的平面关节型机械手的控制系统硬件构造主要包括运动模块、功率放大模块、位置检测模块和
6、通讯模块。1运动与功率放大模块运动模块的核心芯片是LM629。LM629的8位数据口D0D7与PIC单片机的RD0RD7口相连,RC0RC3分别和LM629的CS、RD、WR、PS相连，用于控制片选、数据的流向等。LM629接收来自单片机的位置、速度或者加速度数据，经过内部梯形图发生器和PID调节器的运算，输出脉宽调制信号和方向信号，由引脚PWMM和PWMS输出。功率放大模块主要由L298N芯片和电流泄放回路组成。L298N是双极性H桥功率放大电路，与LM629输出信号PWMM和PWMS通过一个逻辑门电路相连，控制直流电机的正、反转和停顿。在芯片LM629和L298N之间增加光电耦合器4N25
7、，进展电气隔离，保护单片机和运动芯片并减少强电干扰。由于直流电机是感性负载，因此选用功率二极管DIN5391组成电流泄放回路，以保护功率芯片L298N。2位置检测模块图4单端差动信号的合成位置检测模块主要通过检测与电机轴相连的增量式光电编码器，进而实现检测并获取各关节电机轴位置的目的。图4所示的电路将增量式光电编码器输出的差动信号A、A-、B、B-、IN、IN-经过75175合成单端信号A、B、IN图4中只画出一路信号的合成。合成后的单端信号A、B、IN分别与LM629的引脚A、B、IN相连。利用差动信号传输，可以有效地解决干扰和远间隔传输问题。为了进一步消除干扰，在输入端每根线上都加上了一个
8、滤波电容，在两根差动的信号线之间接了一个用于线路阻抗匹配的电阻。增量式码盘反应的脉冲信号经过4倍频后，进步了分辨率。A和B的逻辑状态每改变一次，LM629的位置存放器就加减1。当码盘的A、B、IN都为低电平时，产生一个Index信号送入存放器，记录电机的绝对位置。3通讯模块通讯模块主要解决人机接口问题。在本文设计的控制系统中，没有设计显示模块和键盘输入模块。但在实际应用中，经常需要输入一些参数，如PID参数等。利用PC机丰富的资源和良好的用户界面，通过串行口通讯来解决控制系统的参数输入和显示。2.3控制系统的软件设计控制系统的软件局部主要包括初始化模块、运动控制模块、位置检测模块和通讯模块。单片机根据位置检测模块获取的信息，确定机械手各关节的速度、加速度和位置，将这些信息传入LM629，由速度梯形图生成速度曲线，进展位置控制。PID调节器根据输入指令和反应信息来补偿闭环系统。式1表示LM629输出的控制信号。在程序编制经过中，通常采用增量式PID算法。