基于運動控制芯片的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要：針對平面關(guān)節(jié)型機械手各關(guān)節(jié)聯(lián)動的特點，研制和開發(fā)了基于PIC16F877單片機和運動芯片LM629的底層控制系統(tǒng)。采用LM629這樣的集成運動芯片，簡化整個控制系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和控制精度。

　　關(guān)鍵詞：機械手 PIC單片機 LM629 L298N 控制器

引 言

　　平面關(guān)節(jié)型機械手是應(yīng)用最廣泛的機械手類型之一，既可以用于實際生產(chǎn)，又可以用于教學(xué)實驗和科學(xué)研究。用于實際生產(chǎn)，它能夠滿足裝配作業(yè)內(nèi)容改變頻繁的要求；用于教學(xué)實驗，它能夠使人直觀地了解機器人結(jié)構(gòu)組成、動作原理等[1]，所以開發(fā)設(shè)計和研究平面關(guān)節(jié)型機械手具有最廣泛的實際意義和應(yīng)用前景。

　　LM629是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可編程全數(shù)字運動控制芯片[2]，它具有32位的位置、速度和加速度寄存器，內(nèi)置PID算法，其參數(shù)可以修改；支持實時讀取和設(shè)定速度、加速度以及位置等運動參數(shù)，內(nèi)置的梯形圖發(fā)生器能夠自動生成速度曲線，平穩(wěn)地加速、減速；支持增量式光電碼盤的4倍頻輸入；芯片的主頻為6MHz和8MHz。因此，本文采用LM629和PIC16F877構(gòu)成機械手的伺服控制系統(tǒng)。

1 機械手結(jié)構(gòu)

　　本文設(shè)計的平面關(guān)節(jié)型機械手的實物照片如圖1所示，其主要包括三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（分別控制機械大臂和小臂旋轉(zhuǎn)以及手抓張合）和一個移動關(guān)節(jié)（控制手腕伸縮），圖2為機械手簡化模型。各關(guān)節(jié)均采用直流電機作為驅(qū)動裝置，在機械大臂和小臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上還裝配有增量式光電編碼器，提供半閉環(huán)控制所需的反饋信號。直流電機的運動控制采用自行開發(fā)的基于LM629和PIC16F877構(gòu)成的多關(guān)節(jié)控制卡，并編制了能滿足運動控制要求的軟件，實現(xiàn)對機械手的速度、位置以及4關(guān)節(jié)聯(lián)動控制。由于機械手4個關(guān)節(jié)電機的控制系統(tǒng)基本類似，因此在下文中，筆者將以單個關(guān)節(jié)電機為例向讀者介紹平面關(guān)節(jié)型機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計過程。
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　　（本項目得到北京市石景山區(qū)科委的資助，并在石景山區(qū)科委與北方工業(yè)大學(xué)聯(lián)合主辦的第三屆"科園杯"大學(xué)生科技活動中榮獲一等獎。）

　　圖1機械手實物照片

　　注：1—機身；2—大臂電機；3—光電編碼器；4—大臂；5—小臂電機；6—同步帶；7—光電編碼器；8—小臂；9—手腕升降電機；10—手抓電機；11—手抓。

圖2機械手簡化模型

2 控制系統(tǒng)設(shè)計　

2.1控制系統(tǒng)的工作原理

　　基于LM629芯片和PIC16F877單片機構(gòu)成的單個關(guān)節(jié)直流電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)如圖3所示。

圖3控制系統(tǒng)原理圖

　　運動芯片LM629通過8位數(shù)據(jù)線和6根控制線與單片機PIC16F877的I/O口相連。單片機通過數(shù)據(jù)線向LM629發(fā)送位置或速度命令、設(shè)定PID調(diào)節(jié)參數(shù)，并從LM629中讀取速度、加速度等數(shù)值。LM629輸出的脈寬調(diào)制幅度信號和方向信號直接驅(qū)動L298N，經(jīng)過功率放大后驅(qū)動直流電機。增量式光電編碼器提供半閉環(huán)控制所需的反饋信號(A、B、IN),梯形圖發(fā)生器計算出位置或速度模式下所需控制的運動軌跡。PIC16F877為LM629提供加速度、速度和目標(biāo)位置量,在每個采樣周期用這些值來計算出新的命令和位置給定值,將其作為指令值。由增量式光電編碼器檢測電機的實際位置,其輸出信號經(jīng)過LM629四倍頻后進(jìn)行解碼,形成位置反饋值。指令值與反饋值的差值作為數(shù)字PID校正環(huán)節(jié)的輸入。通過數(shù)字調(diào)節(jié)器PID計算，LM629輸出脈寬調(diào)制信號PWMM和方向信號PWMS用于控制功率芯片L298N,進(jìn)而驅(qū)動電機運動到指定的位置。LM629在進(jìn)行位置控制的同時，還對速度進(jìn)行控制。LM629在接受到主機送來的位置信號后，按梯形圖生成加速、勻速、減速的速度曲線，曲線與坐標(biāo)橫軸所包圍的面積就是指定的位置。PID算法中的比例、積分和微分系數(shù)有時需要進(jìn)行修改，因此將它們存儲在單片機的E2PROM中。單片機和PC機通過無線發(fā)射和接收模塊進(jìn)行串行通信。

2.2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　本文所研究的平面關(guān)節(jié)型機械手的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括運動模塊、功率放大模塊、位置檢測模塊和通信模塊。

（1） 運動與功率放大模塊

　　運動與功率放大模塊如圖4所示。運動模塊的核心芯片是LM629。LM629的8位數(shù)據(jù)口D0~D7與PIC單片機的RD0~RD7口相連,RC0~RC3分別和LM629的CS、RD、WR、PS相連，用于控制片選、數(shù)據(jù)的流向等。LM629接收來自單片機的位置、速度或加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)部梯形圖發(fā)生器和PID調(diào)節(jié)器的運算，輸出脈寬調(diào)制信號和方向信號，由引腳PWMM和PWMS輸出。功率放大模塊主要由L298N芯片和電流泄放回路組成。L298N是雙極性H橋功率放大電路，與LM629輸出信號PWMM和PWMS通過一個邏輯門電路相連，控制直流電機的正、反轉(zhuǎn)和停止。在芯片LM629和L298N之間增加光電耦合器4N25，進(jìn)行電氣隔離，保護(hù)單片機和運動芯片并減少強電干擾。由于直流電機是感性負(fù)載，因此選用功率二極管DIN5391組成電流泄放回路，以保護(hù)功率芯片L298N。

（2） 位置檢測模塊[3]

圖6PC機和PIC16F877通訊程序流程

　　位置檢測模塊主要通過檢測與電機軸相連的增量式光電編碼器，從而實現(xiàn)檢測并獲取各關(guān)節(jié)電機軸位置的目的。圖5所示的電路將增量式光電編碼器輸出的差動信號(A+、A-、B+、B-、IN+、IN-)經(jīng)過75175合成單端信號A、B、IN(圖5中只畫出一路信號的合成)。合成后的單端信號A、B、IN分別與LM629的引腳A、B、IN相連。利用差動信號傳輸，可以有效地解決干擾和遠(yuǎn)距離傳輸問題。為了進(jìn)一步消除干擾，在輸入端每根線上都加上了一個濾波電容，在兩根差動的信號線之間接了一個用于線路阻抗匹配的電阻。增量式碼盤反饋的脈沖信號經(jīng)過4倍頻后，提高了分辨率。A和B的邏輯狀態(tài)每改變一次，LM629的位置寄存器就加(減)1。當(dāng)碼盤的A、B、IN都為低電平時，產(chǎn)生一個Index信號送入寄存器，記錄電機的絕對位置。

圖5單端差動信號的合成

（3） 通信模塊

　　通信模塊主要解決人機接口問題［4］。在本文設(shè)計的控制系統(tǒng)中，沒有設(shè)計顯示模塊和鍵盤輸入模塊。但在實際應(yīng)用中，常常需要輸入一些參數(shù)，如PID參數(shù)等。利用PC機豐富的資源和良好的用戶界面，通過串行口通信來解決控制系統(tǒng)的參數(shù)輸入和顯示。

2.3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　控制系統(tǒng)的軟件部分主要包括初始化模塊、運動控制模塊、位置檢測模塊和通信模塊。單片機根據(jù)位置檢測模塊獲取的信息，確定機械手各關(guān)節(jié)的速度、加速度和位置，將這些信息傳入LM629，由速度梯形圖生成速度曲線，進(jìn)行位置控制。PID調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入指令和反饋信息來補償閉環(huán)系統(tǒng)。式(1)表示LM629輸出的控制信號。

　　在程序編制過程中，通常采用增量式PID算法。

　　通信模塊建立單片機和PC機之間的通信。在PC機端，利用Visual C++編寫串行通信程序和參數(shù)輸入界面。在PIC16F877端，用匯編語言編寫通信程序，實現(xiàn)PC機和單片機之間的雙向通信。圖6表示主程序和中斷子程序的流程。

結(jié)語

　　本文介紹了平面關(guān)節(jié)型機械手的位置伺服控制板的設(shè)計方法，采用LM629和PIC16F877構(gòu)成機械手各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)，同單純用單片機來實現(xiàn)機械手控制系統(tǒng)相比，具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低廉以及單片機CPU負(fù)擔(dān)小，控制的實時性好等優(yōu)點。這種自行開發(fā)制作的控制電路板應(yīng)用面較廣，在移動機器人中也能取得很好的應(yīng)用效果。