以IPC+DSP作為六軸工業(yè)機(jī)器人的控制器, 設(shè)計(jì)了一種基于PMAC （Programmable Multi-Axis Controller）的開放式機(jī)器人控制系統(tǒng)。本文對控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、軟、硬件組成等進(jìn)行了簡要的介紹。 機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種典型的多軸實(shí)時運(yùn)動控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)基本上是設(shè)計(jì)者基于自己的獨(dú)立結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)目的而開發(fā)的，它采用了專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用操作系統(tǒng)、專用微處理器的封閉式體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的控制器存在制造和使用成本高，開發(fā)周期長，升級換代困難，無法添加系統(tǒng)的新功能等一系列缺點(diǎn)。本文介紹了一種基于PMAC運(yùn)動控制卡的開放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制系統(tǒng)，采用IPC+DSP的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制。這種機(jī)器人控制系統(tǒng)采用開放式硬件、軟件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便地?cái)U(kuò)展功能，使之適應(yīng)于不同類型機(jī)器人或機(jī)器人自動生產(chǎn)線。它采用多個微機(jī)分級控制方式，具有良好的開放性和擴(kuò)展性。 1 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成 開放式機(jī)器人系統(tǒng)從概念上應(yīng)該是一個以公用平臺為基礎(chǔ)（如Windows），但windows存在實(shí)時性差的缺點(diǎn)，很難保證計(jì)算周期在毫秒級的伺服控制周期之內(nèi)，為了解決這個問題，就需要使用快速DSP運(yùn)動控制卡，讓W(xué)indows處理相對慢一些的任務(wù)，而讓運(yùn)動控制卡處理速度很快的運(yùn)動伺服控制。在本文中，使用帶雙端口RAM的PMAC多軸運(yùn)動控制卡，雙端口RAM作為windows和PMAC之間的高速緩沖區(qū)，將IPC內(nèi)存中的軌跡插補(bǔ)數(shù)據(jù)下載到PMAC，或?qū)⒚總€關(guān)節(jié)位置的傳感器信息和伺服系統(tǒng)的總體狀態(tài)信息反饋到windows。根據(jù)以上分析和開放式機(jī)器人控制器的基本設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了如圖1所示的機(jī)器人控制系統(tǒng)。 [align=center] 圖1 總體結(jié)構(gòu)[/align] 采用多個微機(jī)分級控制方式，即上級IPC負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)管理、路徑規(guī)劃，下級PMAC則實(shí)現(xiàn)對各個關(guān)節(jié)的伺服控制。 1.1 PMAC多軸運(yùn)動控制卡特點(diǎn) PMAC是遵循開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的開放式可編程多軸運(yùn)動控制器，它采用Motolora DSP56001數(shù)字信號處理器作為CPU，利用DSP的強(qiáng)大運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)1-8軸的實(shí)時伺服控制。在許多應(yīng)用中，PMAC是一臺計(jì)算機(jī)，能夠同時執(zhí)行多個任務(wù)并能正確地進(jìn)行優(yōu)先級的排序，使它能夠在處理時間和任務(wù)切換的復(fù)雜性這兩個方面減輕主機(jī)的負(fù)擔(dān)。PMAC能適應(yīng)多種硬件操作平臺，能和主機(jī)以各種總線或串口方式通訊，適用于所有電動機(jī)，對不同電動機(jī)可提供相應(yīng)的控制信號。標(biāo)準(zhǔn)的PMAC運(yùn)動控制器提供了PID+速度和加速度前饋和階式濾波器（5～500Hz）實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)。 1.2 運(yùn)動伺服系統(tǒng) 機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器使用松下的MSMA系列小慣量型交流永磁同步伺服電機(jī)，伺服電機(jī)同軸安裝有旋轉(zhuǎn)角度傳感器，能提供分辨率為2500p/r的增量 編碼器信號。使用速度控制方式，伺服系統(tǒng)完成扭矩（電流）和速度兩個閉環(huán)的控制。交流伺服系統(tǒng)電流環(huán)采用比例控制器進(jìn)行電流閉環(huán)控制，而速度環(huán)采用比例積分控制器進(jìn)行速度環(huán)控制。這類電機(jī)具有良好的速度控制特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)平滑控制，幾乎沒有震蕩出現(xiàn)。 2 控制系統(tǒng)聯(lián)結(jié)和調(diào)試 在本控制系統(tǒng)中采用的是松下交流伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)，電機(jī)編碼器和驅(qū)動器通過聯(lián)接器CN SIG連在一起，驅(qū)動器的CN 1/F聯(lián)接器和PMAC連在一起。采用的是速度控制方式，因此，驅(qū)動器和PMAC所用的信號連線主要有:編碼器差動輸入信號、速度指令輸入、模擬地及數(shù)字地、伺服使能、伺服報(bào)警、安全限位。在整個聯(lián)接過程中，特別要注意的是在選擇編碼器信號傳輸線上要使用雙絞屏蔽線,這對于整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、抗干擾能力以及信號的傳輸有非常大的影響。 2.1 開環(huán)零漂調(diào)整 本系統(tǒng)選用PMAC一型卡，輸出16位速度電壓模擬量信號，可以通過驅(qū)動器和PMAC卡雙方面調(diào)節(jié)零漂，但機(jī)器人的編碼器反饋電纜和動力線電纜之間的距離有限，不可避免地存在動力電纜的電磁場污染反饋信號。這樣，機(jī)器人本體上電瞬時各電機(jī)開環(huán)運(yùn)行，各關(guān)節(jié)可能出現(xiàn)微小的偏移。必須通過控制驅(qū)動器SRV-ON和COM-的通斷，來釋放或者禁止電機(jī)的動態(tài)制動器，進(jìn)而控制電流是否流入馬達(dá)，達(dá)到消除機(jī)器人各關(guān)節(jié)的漂移，如圖2所示。 [align=center] 圖2 控制關(guān)節(jié)開環(huán)漂移示意圖 圖3 單個關(guān)節(jié)工作示意框圖[/align] 2.2 位置閉環(huán)PID參數(shù)調(diào)整 圖3為單個關(guān)節(jié)工作于位置閉環(huán)方式時的結(jié)構(gòu)示意框圖。首先，計(jì)算機(jī)按絕對坐標(biāo)或相對坐標(biāo)方式將目標(biāo)位置送給運(yùn)動控制器，然后再發(fā)送運(yùn)動開始命令，控制器接到運(yùn)動開始命令后，根據(jù)當(dāng)前的加速度和速度設(shè)置進(jìn)行運(yùn)動軌跡計(jì)算，給出每一時刻應(yīng)達(dá)到的理想位置坐標(biāo)，PID控制部分負(fù)責(zé)實(shí)際位置對理想位置的跟蹤控制，跟蹤過程直至達(dá)到目標(biāo)位置，或被計(jì)算機(jī)發(fā)出的新的位置目標(biāo)及運(yùn)動開始命令所更新。 PID控制是一種最優(yōu)的控制策略，其輸入e（k）和輸出u（k）之間成比例、積分、微分關(guān)系。 PMAC運(yùn)動控制器提供了PID和前饋位置伺服環(huán)濾波器。要使系統(tǒng)伺服特性達(dá)到剛性好，又穩(wěn)定并且跟隨誤差少，需要調(diào)整PID參數(shù)。PMAC本身提供了調(diào)節(jié)PID參數(shù)的軟件PmacTuningPro，通過采集到系統(tǒng)的各種響應(yīng)特性曲線來改變改變比例、積分、微分參數(shù)而獲得最好的閉環(huán)穩(wěn)態(tài)特性和改變速度前饋增益、加速度前饋增益來獲得最小的跟隨誤差。典型的位置控制響應(yīng)過程如圖4所示。 [align=center] 圖4 腰關(guān)節(jié)位置閉環(huán)階越響應(yīng)曲線 圖5 安全功能[/align] 2.3 安全功能 在機(jī)器人運(yùn)行過程中，有可能出現(xiàn)運(yùn)動程序設(shè)計(jì)的欠缺或其他原因?qū)е玛P(guān)節(jié)超出了運(yùn)動空間，這種情況很危險(xiǎn)，有可能造成電機(jī)的飛車或損壞，因此必須在各關(guān)節(jié)上安裝限位開關(guān)和報(bào)警處理。PMAC為每個通道都設(shè)計(jì)了正限位LIM+、負(fù)限位LIM-、和報(bào)警信號FAULT用于故障保護(hù)。 這些輸入都作了數(shù)字信號和模擬信號的光電隔離，當(dāng)正限位LIM+、負(fù)限位LIM-、和報(bào)警信號FAULT與模擬地相連時，PMAC認(rèn)為是正常工作狀態(tài)。但當(dāng)它們與模擬地?cái)嚅_后，PMAC認(rèn)為到了限位或者出現(xiàn)錯誤而停止DAC輸出，停止電機(jī)。 2.4 回零功能實(shí)現(xiàn) 機(jī)器人在空間要想準(zhǔn)確的定位，首先必須要確定各個關(guān)節(jié)的零點(diǎn)，而松下的小慣量電機(jī)使用的是增量編碼器，不具備記憶功能，那么就必須在開機(jī)時首先確定哪里是機(jī)器人的零點(diǎn)。根據(jù)應(yīng)用的需要，使用限位開關(guān)回零?？梢韵茸岆姍C(jī)運(yùn)動到一個方向的限位開關(guān)，然后再反向偏移這段限位開關(guān)到規(guī)定零點(diǎn)的距離，最后設(shè)定當(dāng)前位置為零點(diǎn)。 2.5 手爪步進(jìn)電機(jī)的控制 機(jī)器人末端使用一個步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動手爪開合，而PMAC一型卡只具備模擬量輸出，不能直接控制步進(jìn)電機(jī)，并且手爪運(yùn)動還需要和其它軸的運(yùn)動協(xié)調(diào)?？梢酝ㄟ^PMAC的數(shù)字I/OJ5口發(fā)出脈沖信號經(jīng)過光電隔離后來控制手爪步進(jìn)電機(jī)，PLC程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。 [align=center] 圖6 控制手爪流程圖 圖7 控制軟件設(shè)計(jì)[/align] 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分為上位機(jī)部分和伺服控制軟件部分。上位機(jī)采用高級語言進(jìn)行開發(fā)，界面友好，主要用于運(yùn)動軌跡規(guī)劃、機(jī)器人動態(tài)分析、運(yùn)動仿真、智能算法處理等管理模塊；下位機(jī)利用PMAC的DSP的高速運(yùn)算速度來實(shí)現(xiàn)高速伺服插補(bǔ)運(yùn)算、運(yùn)動伺服控制等。圖7是系統(tǒng)的模塊化軟件結(jié)構(gòu)。而DeltaTau公司提供的PMAC通訊驅(qū)動函數(shù)庫Pcomm32作為Windows與PMAC通訊橋梁。采用中斷機(jī)制完成伺服控制、軌跡插補(bǔ)、速度處理等高實(shí)時性的任務(wù)，當(dāng)緩沖區(qū)清空時，PMAC會發(fā)出中斷請求信號，主機(jī)接收到該信號后，對后面的軌跡段進(jìn)行路徑規(guī)劃控制，并將計(jì)算出的新的控制數(shù)據(jù)寫入到DPRAM中，PMAC則從DPRAM中讀出數(shù)據(jù)送入伺服驅(qū)動裝置，完成對機(jī)器人各關(guān)節(jié)的控制。 4 結(jié)論 本文介紹了一種工業(yè)機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)。運(yùn)行結(jié)果證明這種力矩、速度、位置三閉環(huán)控制系統(tǒng)滿足機(jī)器人控制要求，運(yùn)行平穩(wěn)。分層的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)極大的提高了系統(tǒng)的效率，模塊化的軟件設(shè)計(jì)則具有很強(qiáng)的可移植性、擴(kuò)展性和開放性。