基于EtherCAT的模块化机器人驱动器和控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用EtherCAT总线通信技术的模块化关节驱动器及其控制方法，可应用于模块化机器人和集成传动系统。
【背景技术】
[0002]模块化机器人的研宄一直是机器人领域中的重要研宄内容。采用模块化的设计方法可以提高机器人系统的可重用性、可扩展性并且便于维修，特别是随着机器人多功能性、灵活性和容错性研宄的发展，机器人关节的模块化成为核心技术。
[0003]然而机器人模块化关节内部需要集成大量机电一体化设备，如电机、电机驱动器、电磁抱闸、编码器、限位开关、减速机和力矩传感器等。这些设备要相互配合，独自或协同实现特定功能，离不开高性能驱动控制器的作用。与此同时，作为机器人整体的一部份，关节还要与运动控制器、其它关节和外围传感器进行通信，这同样离不开关节驱动器的参与。
[0004]现有的模块化关节驱动器方案多采用各种分立电路单元组和的方式构成。由于关节内部空间十分有限，并且电磁环境复杂，使得关节性能难以提高，限制了机器人的整体性會K。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实时性强、可靠性高、通信速率高、集成度高、成本低、体积小的应用EtherCAT总线的模块化机器人关节驱动控制方法和
目.ο
[0006]本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:基于EtherCAT的模块化机器人驱动器，包括控制器以及与其连接的电源、状态显示电路、RS232通信电路；还包括与控制器连接的电机驱动单元、霍尔编码器电路、码盘电路、抱闸电路、转矩传感器电桥电路、EtherCAT通信电路、I/O电路；
[0007]所述电机驱动单元与机器人关节的电机连接；霍尔编码器电路与电机的霍尔编码器连接；所述码盘电路与机器人关节的码盘连接；所述抱闸电路与机器人关节内的电磁抱闸连接；所述转矩传感器电桥电路与机器人关节的转矩传感器连接；所述EtherCAT通信电路与上位机连接；所述I/O电路与机器人关节的开关连接。
[0008]所述EtherCAT通信电路采用ASIC数据链路层芯片。
[0009]所述转矩传感器电桥电路采用放大器，放大器的反向输入端、正向输入端分别与电源负、正极连接且分别通过电容接地，正向输入端通过电阻与正电压、地连接，且与反向输入端之间连有电容；两个增益电阻端之间通过可调电阻相连接，正负电压参考端分别与正、负电压连接且分别通过电容接地；放大器的输出端连有顺序串联的电阻和电容，电容两端并联有二极管，二极管正端接地，负端通过另一个二极管与电源连接。
[0010]所述电源输出端通过二极管与电源转换芯片的输入端连接，电源转换芯片的输入端并联电容后经电阻接地；电源转换芯片的输出端连有正电压、与参考端之间连有并联的二极管和电阻，还通过并联的两个电容接地，参考端与地之间连有并联的电阻和电容。
[0011]正电压输出端与电源反相芯片的电源输入端连接，电源反相芯片的输出端与模拟地之间连有并联的电容，输出端连有负电压、与地之间连有并联的电容。
[0012]基于EtherCAT的模块化机器人控制方法，包括以下步骤:
[0013]控制器初始化EtherCAT通信电路参数、通道和同步方式；
[0014]控制器读EtherCAT通信电路内事件请求寄存器数据；如果接收到主站传来的周期性数据则写入到控制器，将其作为参考值控制电机运转；同时发送电机的周期性数据通过EtherCAT通信电路反馈至主站；
[0015]当控制器接收来自EtherCAT通信电路的中断并处理，进入应用层状态机，返回控制器读EtherCAT通信电路内事件请求寄存器数据步骤。
[0016]所述周期性数据包括电机的位置和转矩数据。
[0017]基于EtherCAT的模块化机器人控制方法，所述应用层状态机包括:
[0018]初始状态为在电源不可接通状态，当接收到主站的控制命令则转入准备好接通电源状态，再转入电源接通状态，然后通过可操作状态控制电机工作；
[0019]当电机处于急停状态时，则转入电源不可接通状态或者通过可操作状态控制电机停止;
[0020]当电机处于出错反映状态时，则转入出错状态，返回电源不可接通状态。
[0021]本发明具有以下有益效果及优点:
[0022]1.本发明只用一个集成关节驱动器实现所有模块化关节的控制和高速通信，可以提高关节行动的可靠性、实时性，与主控制器的传输速率及传输距离，减少关节组成单元，节约总体成本。
[0023]2.本发明能驱动关节电机，读取两路编码器信号，实现电机的电流(力矩)、速度与位置闭环。
[0024]3.本发明跟据主控制器指令吸合或松开电磁抱闸，以锁死或使能关节运动。
[0025]4.本发明可由内置电桥处理电路，连接扭矩传感器，通过A/D转换，测量关节扭矩，并发送给主控制器，实现关节及整臂的精确力控制。
[0026]5.本发明利用EtherCAT技术的优异性能，实现每秒千次刷新率和多个电机的位置/速度/电流的闭环控制，而整个机械臂只需一条供电电缆和一条总线电缆。
[0027]6.本发明基于EtherCAT协议的CoE功能编写应用层程序，实现符合CiA402行规的伺服和运动控制功能。
[0028]7.本发明根据CiA402标准建立完整的伺服设备管理状态机，实现伺服设备的状态切换、使能操作、错误状态处理等操作。
【附图说明】
[0029]图1为本发明的功能单元构成框图；
[0030]图2为本发明的EtherCAT通信电路框图；
[0031]图3a为转矩传感器电桥电路图一；
[0032]图3b为转矩传感器电桥电路图二；
[0033]图3c为转矩传感器电桥电路图三；
[0034]图4为控制器软件流程图；
[0035]图5为驱动设备管理状态机原理图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图及实施实例对本发明做进一步的详细说明。
[0037]—种应用EtherCAT总线通信技术的模块化关节驱动器，包括核心控制器、电机驱动单元、HALL编码器电路、NRZ码盘电路、抱闸电路、转矩传感器电桥电路、RS232通信电路、EtherCAT通信电路、电源、状态显示电路、STO和I/O电路、应用层程序。方法包括:以核心控制器执行程序，运行算法，驱动电机，完成三闭环，实现与主机通信；用ESC控制芯片和PHY芯片实现EtherCAT协议的数据链路层和物理层通信；在核心控制器上编写程序实现应用层功能。
[0038]如图1所示，本装置包括核心控制器1、电机驱动单元2、HALL编码器电路3、NRZ码盘电路4、抱闸电路5、转矩传感器电桥电路6 ；RS232通信电路7，EtherCAT通信电路8、电源9、状态显示电路10和安全转矩输出(STO) I/O电路11。
[0039]其中，核心控制器，执行程序，运行算法，驱动电机，完成三闭环，与主机通信；EtherCAT电路为百兆以太网的物理层，选用KS8721BL作为PHY芯片；RS232电路提供串口通信，为调试时使用，可使驱动器与调试上位机通信；转矩电桥配合转矩传感器使用，测量关节转矩，实现模、数转换，为了弥补转矩传感器或电路器件可能存在的参数波动，设计电路可调整增益和零偏；抱闸驱动电路将驱动器使能信号输出放大，驱动感性直流抱闸；NRZ码盘电路配合多圈绝对值编码器，读取关节转角，或连接其它通信传感器；HALL编码器电路连接电机霍尔信号，适合大多数直流无刷电机，完成电机换向；电机驱动电路应用PWM驱动电机，调节电机电流，主回路芯片采用IRSM005-301MHTH，可大幅度减小电路体积；1/0电路完成一般输入输出功能，ST0(安全转矩关断)功能防止电机停止时产转矩，使机器人满足安全系统的安全性要求；状态显示电路通过指示灯显示关节工作状态；电源电路转换的24V直流电供抱闸使用，5V直流电供编码器使用，3.3V和1.8V直流电供MCU使用，2.5V直流电供网络变压器使用。
[0040]图1为本发明的EtherCAT通信电路框图。其核心为MCU芯片PIC24C16MJ306A，关节驱动控制器的主要程序全部在其中运行。MCU芯片通过专用的电机驱动PWM接口控制由IRSM005-301MH组成的换流电路；通过SPI接口或同步、异步接口与ESC芯片通信实现EtherCAT通信，其中ET1200芯片起到打包协议数据的作用；在物理层，以PHY芯片KS8721BL为核心，辅以外围电路。一个完整的EtherCAT从站由此搭建。
[0041]上位机可采用高性能的工控PC机，下位机采用基于DSP的伺服运动控制系统，上下位机之间通过EtherCAT进行信息的传输。每个模块化关节控制系统主要由DSP伺服运动控制器、EtherCAT总线接口电路、直流无刷电机和制动器驱动等部分组成。整条机械臂控制通信全部基于实时总线，不仅简化接线，还可实现高速、高可靠性的全变量控制系统。