一種冗余自由度的工業機器人分布式控制系統硬件設計

李玉曉 李 晟

[摘要]介紹一種冗余自由度的工業機器人單片機分布式控制系統硬件設計,控制系統的硬件電路組成及其工作原理。

[關鍵詞]工業機器人分布式控制步進電機

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210034-01

一、引言

冗余機器人有七個關節即七個步進電機需要控制,總共須占用十四個引腳,由于機器人每個關節的控制需要三個定時器,采用的控制是一種分布式結構系統,即將每個關節用一個單片機控制,可以解決定時器資源不足的問題,還能使擴展的軟硬件的實現都比較簡單。

二、主單片機控制系統設計

主單片機控制系統是示教盒與下位單片機之間的橋梁。其主要功能包括與示教盒、從單片機AVR之間的通訊控制,示教數據的處理與存儲,再現時的軌跡插補,以及對系統的實時監控等。

(一)存儲器的擴展。AT89S8252內部有8K可串行下載的FLASH程序存儲器,選擇擴展片外不掉電數據存儲器。

數據總線由PO口提供,在數據總線擴展時,PO口與許多芯片相連,數據究竟走哪條通道,由地址線控制各個芯片的片選端決定的。

由于擴展的程序存儲器和數據存儲器使用不同的指令和不同的控制信號,兩者的地址空間可以重疊,均為64K字節。此外,對片內和片外的數據存儲器的操作也用不同的指令,故允許二者地址重復,對于程序存儲器而言,不論片內,片外都使用相同的指令,依靠硬件電路進行選擇。

(二)通訊電路。通訊部分主要包括主機AT89S8252與示教盒之間的串行通訊和主單片機與下位AVR單片機AT90S2313之間的多機通訊兩部分。上位單片機的串口用來與示教盒通訊。而與AVR單片機之間的通訊涉及到多機通訊問題,所以擴展了一片串行接口芯片INS8250實現與下位單片機的串行通訊。控制器采用異步方式串行通訊,數據的發送和接收可同時進行。

利用INS8250芯片的并行數據和串行數據之間的轉換功能,8位并行數據經D7～D0雙向引腳寫入芯片或由芯片讀出。串行數據位經SOUT腳輸出,經SIN腳輸入。寄存器地址信號、、是在片選有效作用下用于選擇芯片內部寄存器的。

INS8250的SOUT輸出的串行數據經過一片245分別與6個AVR單片機的RXD相連,哪個單片機接收此數據,則主要由軟件來控制;AVR的TXD則分別經過三態門接到INS8250的SIN腳,哪個三態門打開則由觸發器273來控制,從而有效的避免了多機通信中易出現的高低電平短路現象。

(三)微處理器監控電路。微處理器監控電路采用MAX706芯片。監控電路見圖1:

圖1監控電路

(四)AVR下位機的硬件電路設計。AVR關節控制器,驅動系統使用的是AT90S2313型AVR單片機。

1.時鐘電路。采用內部時鐘方式,其中晶振值選用4MHz,兩個電容值選用30PF。

2.通用串行接口UART。AT90S2313帶有一個全雙工的通用串行異步收發器。

(1)數據發送。數據發送通過把被傳送的數據寫入UART的I/O寄存器來初始化。當UCR中的TXEN位被設置為1時使能UART的傳送。

(2)數據接收。接收器前端的邏輯以16倍波特率采樣RXD引腳的信號,當線路閑置時,一個邏輯0的采樣將被轉換為起始位的下降沿,并且起始位的探測序列被初始化。讓采樣1指示出第一個0采樣,跟隨1到0的轉換之后,接收器在第8、9和10個采樣RXD引腳。如果三個采樣中兩個或兩個以上是邏輯1,則起始位是噪聲尖峰而被拒絕,接收器繼續探測下一個1到0的轉換。如果一個有效的起始位被發現,就開始起始位之后的數據位的采樣。

三、步進電機的驅動電路

機器人各關節采用步進電機驅動,步進脈沖信號CP用于控制步進電機的位置和速度。驅動器的CP信號為低電平有效,要求CP信號的驅動電流為8-15mA,對CP的脈沖寬不小于5μS。方向電平信號DIR用于控制步進電機的旋轉方向。步進電機的驅動電路如圖2所示,AVR單片機AT90S2313的15腳為PWM控制引腳,用其控制驅動器使能端,就可以控制電機以不同轉速轉動。

圖2步進電機控制驅動電路圖

四、結論

機器人分布式控制系統具有成本低、精度高、可靠性好、功能強,最大限度地發揮現場總線節點的處理功能,具有很好的擴展性,有較大的推廣價值。

參考文獻:

[1]王陽、韓偉,分布式單片機控制系統的研究[J].河北工業大學學報,2000,04(2).

[2]霍迎輝,步進電機的微機和單片機控制[J].電機技術,2005,02:No2:9-10.

[3]宋建國,AVR單片機原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,1998.

作者簡介:

李玉曉(1983-),女,碩士學位,助教,主要研究方向:系統與電路。