一种冗余自由度的工业机器人分布式控制系统硬件设计

李玉晓 李 晟

[摘要]介绍一种冗余自由度的工业机器人单片机分布式控制系统硬件设计,控制系统的硬件电路组成及其工作原理。

[关键词]工业机器人分布式控制步进电机

中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1210034-01

一、引言

冗余机器人有七个关节即七个步进电机需要控制,总共须占用十四个引脚,由于机器人每个关节的控制需要三个定时器,采用的控制是一种分布式结构系统,即将每个关节用一个单片机控制,可以解决定时器资源不足的问题,还能使扩展的软硬件的实现都比较简单。

二、主单片机控制系统设计

主单片机控制系统是示教盒与下位单片机之间的桥梁。其主要功能包括与示教盒、从单片机AVR之间的通讯控制,示教数据的处理与存储,再现时的轨迹插补,以及对系统的实时监控等。

(一)存储器的扩展。AT89S8252内部有8K可串行下载的FLASH程序存储器,选择扩展片外不掉电数据存储器。

数据总线由PO口提供,在数据总线扩展时,PO口与许多芯片相连,数据究竟走哪条通道,由地址线控制各个芯片的片选端决定的。

由于扩展的程序存储器和数据存储器使用不同的指令和不同的控制信号,两者的地址空间可以重叠,均为64K字节。此外,对片内和片外的数据存储器的操作也用不同的指令,故允许二者地址重复,对于程序存储器而言,不论片内,片外都使用相同的指令,依靠硬件电路进行选择。

(二)通讯电路。通讯部分主要包括主机AT89S8252与示教盒之间的串行通讯和主单片机与下位AVR单片机AT90S2313之间的多机通讯两部分。上位单片机的串口用来与示教盒通讯。而与AVR单片机之间的通讯涉及到多机通讯问题,所以扩展了一片串行接口芯片INS8250实现与下位单片机的串行通讯。控制器采用异步方式串行通讯,数据的发送和接收可同时进行。

利用INS8250芯片的并行数据和串行数据之间的转换功能,8位并行数据经D7～D0双向引脚写入芯片或由芯片读出。串行数据位经SOUT脚输出,经SIN脚输入。寄存器地址信号、、是在片选有效作用下用于选择芯片内部寄存器的。

INS8250的SOUT输出的串行数据经过一片245分别与6个AVR单片机的RXD相连,哪个单片机接收此数据,则主要由软件来控制;AVR的TXD则分别经过三态门接到INS8250的SIN脚,哪个三态门打开则由触发器273来控制,从而有效的避免了多机通信中易出现的高低电平短路现象。

(三)微处理器监控电路。微处理器监控电路采用MAX706芯片。监控电路见图1:

图1监控电路

(四)AVR下位机的硬件电路设计。AVR关节控制器,驱动系统使用的是AT90S2313型AVR单片机。

1.时钟电路。采用内部时钟方式,其中晶振值选用4MHz,两个电容值选用30PF。

2.通用串行接口UART。AT90S2313带有一个全双工的通用串行异步收发器。

(1)数据发送。数据发送通过把被传送的数据写入UART的I/O寄存器来初始化。当UCR中的TXEN位被设置为1时使能UART的传送。

(2)数据接收。接收器前端的逻辑以16倍波特率采样RXD引脚的信号,当线路闲置时,一个逻辑0的采样将被转换为起始位的下降沿,并且起始位的探测序列被初始化。让采样1指示出第一个0采样,跟随1到0的转换之后,接收器在第8、9和10个采样RXD引脚。如果三个采样中两个或两个以上是逻辑1,则起始位是噪声尖峰而被拒绝,接收器继续探测下一个1到0的转换。如果一个有效的起始位被发现,就开始起始位之后的数据位的采样。

三、步进电机的驱动电路

机器人各关节采用步进电机驱动,步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度。驱动器的CP信号为低电平有效,要求CP信号的驱动电流为8-15mA,对CP的脉冲宽不小于5μS。方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。步进电机的驱动电路如图2所示,AVR单片机AT90S2313的15脚为PWM控制引脚,用其控制驱动器使能端,就可以控制电机以不同转速转动。

图2步进电机控制驱动电路图

四、结论

机器人分布式控制系统具有成本低、精度高、可靠性好、功能强,最大限度地发挥现场总线节点的处理功能,具有很好的扩展性,有较大的推广价值。

参考文献:

[1]王阳、韩伟,分布式单片机控制系统的研究[J].河北工业大学学报,2000,04(2).

[2]霍迎辉,步进电机的微机和单片机控制[J].电机技术,2005,02:No2:9-10.

[3]宋建国,AVR单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.

作者简介:

李玉晓(1983-),女,硕士学位,助教,主要研究方向:系统与电路。