专利名称：多轴伺服运动控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于PC计算机实现的多轴电机位置伺服控制，更具体地说，涉及一种多轴电机伺服运动控制装置。
背景技术：
与其他机器人和数控机床相比，机器人灵巧手的一个最大特点是电机数量多，关节组合方式多样，通常为9～18轴，为此其运动控制器需要足够的数据计算能力。由于常规CPU的运算能力有限，需要较多的CPU，造成运动控制器结构复杂，体积庞大，集成度下降。近年来随着数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)性价比和稳定性的提高，其在控制上的应用也迅速展开。为提高灵巧手运动控制器的集成度，基于DSP的多轴电机伺服结构成为首选。但目前的商用DSP运动控制器由于采用通用DSP设计，必须附加较多的外围接口器件，结构复杂，成本高，集成度低，而且4、8、16的电机配置方式也不适合组和实现各种9或17、18自由度灵巧手。为此，意大利的U.B.II，德国宇航中心的DLR等灵巧手都设计了专用DSP运动控制器，但这些运动控制器缺少ISA/PCI等PC总线接口，过于专用，难以用于各种基于PC计算机的科研型灵巧手的控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于PC计算机的，具有较高集成度和性价比的，结构设计简单的，能用最经济的控制器组合方式实现9～18自由度机器人灵巧手控制的多轴伺服运动控制装置。
本发明采用以下技术方案实现一种多轴电机伺服运动控制装置，采用计算机插接卡结构实现，由电机控制DSP电路、电机控制外围接口电路、计算机接口通讯电路、模拟传感器信号采集电路以及其他附属接口电路组成。
所述的多轴电机伺服运动控制装置，包含电机控制DSP电路、电机接口电路、共享存储器、附属接口电路、传感信号构成。其中，电机控制DSP电路由电机控制模块、PWM输出电路、A/D转换电路组成，电机接口电路由编码器接口、数字I/O电路以及PC计算机接口电路组成，电机控制DSP电路通过电机接口电路采样电机转角信号和电机限位信号，通过A/D转换电路采样传感信号，经电机控制计算后，通过PWM输出电路输出电机伺服信号，或经电机接口电路的数字I/O电路输出电机开关控制信号，实现电机控制；电机控制DSP电路通过共享存储器DPRAM和电机接口电路的PC计算机接口电路实现与PC计算机的数据和信息交换。
所述的电机控制内部包括四个功能模块，分别是伺服控制模块、模拟信号采样模块、通讯模块和主控模块，其中，主控模块调度和管理其他三个功能模块的运行，伺服控制模块在中断管理模块的控制下实现9路电机的轨迹规划、编码器采样、伺服控制及信号输出功能；模拟信号采样模块实现模拟传感信号的采样，并将结果传送给PC计算机；通讯模块通过共享存储器DPRAM和PC计算机接口电路实现与PC计算机数据传输。
所述的电机控制DSP电路1与PC计算机的通讯可采用双口DPRAM或I/O通道方式实现，并设有中断控制逻辑增加双向通讯的灵活性，DPRAM实现公共数据存储功能，电机接口电路的PC计算机接口实现I/O通道方式及DPRAM方式的握手信号，以及中断逻辑控制和总线隔离。
所述的编码器接口电路能够同时实现九路增量式编码器的鉴相、四倍频和16位计数功能，当出现错误状态转换的情况下，输出保持不变。
所述电机接口电路可采用FPGA、CPLD、大规模可编程逻辑器件实现。
所述电机控制芯片可以采用型号为TMS320X240或TMS320X280或TMS320X240x等系列芯片。
同现有技术相比，本发明的优点是附属接口电路以外的部分，包括微处理器核心电路，电机控制外围接口电路，计算机接口通讯电路，模拟传感器信号采集电路，采用三个芯片即可实现，具有集成度高，电路结构简单的特点，同时也降低了成本。采用全数字伺服控制方法，有利于提高控制器的抗干扰能力。对于常见的9～18自由度灵巧手，采用1～2个控制器，即可非常经济的实现控制系统配置。基于计算机总线插卡设计，有利于构建通用型的灵巧手控制系统，提高灵巧手研究效率。
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明的电机控制各模块相互关系图。
图3是DSP与计算机的通讯逻辑结构图。
图4是四倍频和计数电路逻辑状态转换图。
图5是四倍频和计数电路逻辑时序图。
图6是本发明的DSP电原理图。
图7是本发明的DPRAM电原理图。
图8是本发明的FPGA电原理图。
图9是本发明的FPGA内部结构框图。
图中1.电机控制DSP电路2.电机控制3.PWM输出电路4.A/D转换电路 5.电机接口电路 6.编码器接7.数字I/O电路 8.PC接口9.附属接口电路10.传感信号11.电机驱动及接12.共享存储器201.主控模块 202.伺服控制 203.模拟信号采样 204.PC计算机通讯具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明请参见图1所示，本发明的一种多轴电机伺服运动控制装置采用计算机插接卡结构实现，通过ISA总线实现与PC计算机联路，能够完成9路电机的伺服控制，同时完成12路模拟传感信号的采集。
现有的基于数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)的运动控制器由于采用通用DSP设计，必须附加较多的外围接口器件，结构复杂，成本高，集成度低。在本发明中电机控制DSP电路1由电机控制模块2、PWM输出电路3、A/D转换电路4组成，电机接口电路5由编码器接口6、数字I/O电路7以及PC计算机接口电路8组成，电机控制DSP电路1通过电机接口电路5采样电机转角信号和电机限位信号，通过A/D转换电路4采样传感信号10，经电机控制2计算后，通过PWM输出电路3输出电机伺服信号，或经电机接口电路5的数字I/O电路7输出电机开关控制信号，实现电机控制；电机控制DSP电路1通过共享存储器12和电机接口电路5的PC计算机接口电路8实现与PC计算机的数据和信息交换。注DSP数字信号处理器(Digital Signal Processor)。FPGA现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array)。PWM脉宽调制脉冲(Pulse Width Moldulatoin)。DPRAM共享存储模块(Double Port RAM)。
电机控制2内部包括四个功能模块，分别是伺服控制模块202、模拟信号采样模块203、通讯模块204和主控模块201，其中，主控模块201调度和管理其他三个功能模块的运行，伺服控制模块202在中断管理模块的控制下实现9路电机的轨迹规划、编码器采样、伺服控制及信号输出功能；模拟信号采样模块203实现模拟传感信号的采样，并将结果传送给PC计算机；通讯模块204通过共享存储器DPRAM 12和PC计算机接口电路8实现与PC计算机数据传输。
如图1、图3所示，电机控制DSP电路1与PC计算机的通讯可采用共享存储器DPRAM或I/O通道方式实现，并设有中断控制逻辑增加双向通讯的灵活性，DPRAM实现公共数据存储功能，PC计算机接口实现I/O通道方式及DPRAM方式的握手信号，以及中断逻辑控制和总线隔离。
电机控制芯片可以采用型号为TMS320X240或TMS320X280或TMS320X240x等系列芯片。
编码器接口电路能够同时实现九路增量式编码器的鉴相、四倍频和16位计数功能，当出现错误状态转换的情况下，输出保持不变，具有集成度高和容错性能好的特点。其中一路的增量式编码器接口电路实现的状态转换原理如图4所示。AB表示某一路码盘的A、B两相码盘输入信号，“+/-1”分别表示计数器加/减1计数，“0”表示计数器不动作。时序图如图5所示，当A超前B相90度时，电路实现加1操作，反之则减1操作。
图6～图8展示的是一个实施例电原理图，包括电机专用DSP电路(图6)，大规模可编程逻辑器件FPGA(图7)，共享存储器(图8)。由图6所示，电机专用DSP选用一型号为TMS320F240的芯片，实现运算控制功能、九路PWM输出功能和十二路A/D转换输入功能。周围电路连接如图6所示，其中晶振(U4)通过一33Ω电阻连接到DSP。并通过clock out引脚64输出设定频率的正弦波到FPGA，作为FPGA的CLOCK信号。JTAG仿真接口为14针(J4)标准设计，可很方便与开发装置相连。DSP的复位信号引脚有两个一个上电复位引脚41(PORESET)、一个复位输入引脚35(RS)。PORESET与阻容网络相连，实现控制器的上电复位。RS既可作输入，也可作输出，在电路中，一方面作为FPGA译码的PC计算机机复位信号，输出给DSP，另一方面作为DSP输出的复位信号，使FPGA同步复位。
脚53 XINT1中断用作PC计算机中断DSP的PC计算机DSPINT信号，用10K的电阻上拉，防止误触发。同理，其余没使用的中断信号引脚也都上拉到高电平。READY信号与双口RAM的图7中脚45 BUSYR信号相连接，实现双口RAM地址冲突时的总线仲裁。同时也上拉到高电平，以防止干扰情况和DPRAM出现问题时，系统瘫痪。
九路PWM输出与DSP引脚的对应关系如下表所示表1PWM输出对应表
DSP引脚直接与附属接口电路连接，将电机控制信号输出给各路电机。
十二路A/D转换输入与DSP的引脚对应关系如下表所示表2A/D转换输入引脚对应表
十二路A/D转换通过附属接口电路与灵巧手的各种模拟传感器相连，可实现10位±5V模拟信号采样。
共享存储实现方式如图7所示，其中SA0-SA10是ISA总线的低11位地址线。SD0-SD7是ISA总线的8位数据线。PC计算机通过IOCHRDY脚3信号检测DPRAM是否空闲，在空闲情况下通过计算机对DPRAM的读写信号SMEMR脚5和SMEMW脚2，以及FPGA产生的计算机对DPRAM的选通信号PC计算机DRAMCS实现对共享存储的访问。DRAMCS是来自FPGA的DSP对DPRAM的选通信号，W/R和WE是来自DSP的读写信号和写使能信号，Ready信号为DSP的外部存储状态检测信号，A0-Al0是DSP的低11路地址线，D1-D7是DSP的低8位数据线。DSP通过这些信号实现对DPRAM的访问。当计算机和DSP同时访问DPRAM的同一单元时，DPRAM通过仲裁电路判定两者优先权，并通过与BUSYL引脚相连的Ready或IOCHRDY信号，对优先权低的一方发出等待信号，使之暂时等待，完成存储共享和冲突仲裁功能。
FPGA连接关系如图8所示，PC计算机AEN，PC计算机IORD，PC计算机IOWR来自为计算机的ISA总线的AEN，IOWR和IORD信号。HOSTRESET是计算机的复位信号，以保证计算机与控制器同步复位。IA0-IA8，IB0-IB8分别为九路码盘信号的AB相输入，IOIN0-IOIN8为9路开关量输入信号，IOOUT0-IOOUT8为九路电机开关量输出信号。其他信号同图6及图7.其内部结构如图9所示。DSP与PC计算机之间的中断逻辑实现信号握手；DSP与PC计算机对DPRAM的控制实现共享内存通讯，便于大规模数据传输；DSP与PC计算机的通讯传输实现I/O通讯，适于两者之间的小批量数据传输；DSP的I/O电路根据DSP指令产生电机控制开关信号，控制电机开关，并采样电机限位信号；四倍频及计数电路实现九路码盘接口。
以上实施例的工作过程多轴伺服运动控制装置安装于计算机ISA插槽中，九路电机通过驱动器与多轴伺服控制器相连接。上电后，计算机通过通讯电路设定各路电机的轨迹和运动状态。多轴伺服运动控制器根据计算机的设定，通过码盘采样九路电机的位置，通过开关信号和模拟输入判断机器人灵巧手的状态，生成控制量，并通过PWM输出控制信号，驱动电机实现运行。
该装置主要用于机器人灵巧手控制，也可用于机器人、数控机床等技术领域。
权利要求
1.一种多轴电机伺服运动控制装置，包含电机控制DSP电路(1)、电机接口电路(5)、共享存储器(12)、附属接口电路(9)、传感信号(10)构成，其特征在于，电机控制DSP电路(1)由电机控制模块(2)、PWM输出电路(3)、A/D转换电路(4)组成，电机接口电路(5)由编码器接口(6)、数字I/O电路(7)以及PC计算机接口电路(8)组成，电机控制DSP电路(1)通过电机接口电路(5)采样电机转角信号和电机限位信号，通过A/D转换电路(4)采样传感信号(10)，经电机控制(2)计算后，通过PWM输出电路(3)输出电机伺服信号，或经电机接口电路(5)的数字I/O电路(7)输出电机开关控制信号，实现电机控制；电机控制DSP电路(1)通过DPRAM(12)和电机接口电路(5)的PC计算机接口电路(8)实现与PC计算机的数据和信息交换。
2.如权利要求1所述的多轴电机伺服控制装置，其特征在于采用计算机插接卡结构，通过ISA总线实现与PC计算机联路，完成9路电机的伺服控制，同时完成12路模拟传感信号的采集。
3.如权利要求1所述的多轴电机伺服控制装置，其特征在于电机控制(2)内部包括四个功能模块，分别是伺服控制模块(202)、模拟信号采样模块(203)、通讯模块(204)和主控模块(201)，其中，主控模块(201)调度和管理其他三个功能模块的运行，伺服控制模块(202)在中断管理模块的控制下实现9路电机的轨迹规划、编码器采样、伺服控制及信号输出功能；模拟信号采样模块(203)实现模拟传感信号的采样，并将结果传送给PC计算机；通讯模块(204)通过DPRAM(12)和PC计算机接口电路(8)实现与PC计算机数据传输。
4.如权利要求1所述的多轴电机伺服控制装置，其特征在于电机控制DSP电路(1)与PC计算机的通讯可采用双口DPRAM(12)或I/O通道方式实现，并设有中断控制逻辑增加双向通讯的灵活性，DPRAM实现公共数据存储功能，电机接口电路(5)的PC计算机接口实现I/O通道方式及DPRAM方式的握手信号，以及中断逻辑控制和总线隔离。
5.如权利要求1所述的多轴电机伺服控制装置，其特征在于编码器接口电路(6)能够同时实现九路增量式编码器的鉴相、四倍频和16位计数功能，当出现错误状态转换的情况下，输出保持不变。
6.如权利要求1所述的多轴电机伺服控制装置，其特征在于电机接口电路(5)可采用FPGA、CPLD、大规模可编程逻辑器件实现。
7.如权利要求1所述的多轴电机伺服控制装置，其特征在于电机控制(2)的芯片可以采用型号为TMS320X240或TMS320X280或TMS320X240x系列芯片。
全文摘要
本发明公开了一种多轴电机伺服运动控制装置，采用计算机插接卡结构，通过ISA总线实现与PC计算机联路，完成9路电机的伺服控制，同时完成12路模拟传感信号的采集。包含电机控制DSP电路、电机接口电路、共享存储器、附属接口电路、传感信号构成，电机控制DSP电路通过电机接口电路采样电机转角信号、电机限位信号，通过A/D转换电路采样传感信号，经主控模块计算后，通过PWM输出电路输出电机伺服信号，或经电机接口电路的数字I/O电路输出电机开关控制信号，实现电机控制；电机控制DSP电路通过共享存储器和电机接口电路的PC计算机接口电路实现与PC计算机的数据和信息交换。该装置主要用于机器人灵巧手控制，也可用于机器人、数控机床等技术领域。
文档编号B25J9/00GK1418762SQ02155470
公开日2003年5月21日 申请日期2002年12月16日 优先权日2002年12月16日
发明者王田苗, 张玉茹, 韩壮志, 刘军传, 魏洪兴, 丑武胜, 李继婷, 郭卫东, 刘博 , 刘杰 申请人:北京航空航天大学