专利名称：三轴天线测试机器人伺服控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型设计一种三轴天线测试机器人伺服控制器，属于机电控制领域。
技术背景 三轴天线测试机器人是用于测试天线性能的一种设备。三轴天线测试机器人有三个运动轴方位运动轴、俯仰运动轴和补偿运动轴，其中方位运动轴调节被测天线的方位角，运动范围为0° 360°，与另外两个轴的运动相互独立。俯仰运动轴调节被测天线的俯仰角，补偿运动轴补偿俯仰轴的运动偏差，以保证被测天线的相位中心不变，所以俯仰运动轴和补偿运动轴必需协调同步运动，俯仰角和补偿角的运动范围为0° 90°。在机电控制领域，构建伺服控制系统的元件有很多，就执行元件的选取来说，有的采用交流伺服电机，有的采用步进电机，有的采用无刷直流电机，有的采用有刷直流电机等，不同的电机需要搭配不同的驱动器；就反馈测量元件的选取来说，有的采用光电编码器，有的采用光栅尺，有的采用旋转变压器，有的采用霍尔传感器等，根据不同的控制需要，选择不同的传感器。三轴天线测试机器人是一个典型的三轴伺服系统，该型机器人采用永磁式直流力矩电机作为各运动轴的执行元件，要求各运动轴位置控制精度大于0.1°，采用14位绝对式光电编码器作为各运动轴位置测量元件，采用红外式光电开关作为各运动轴的限位检测元件，采用触摸显示屏作为人机交互界面。
发明内容本实用新型的目的在于为三轴天线测试机器人提供有效且低成本的控制方案，该方案还可以应用在基于永磁式直流力矩电机的其它三轴伺服控制系统中。本实用新型公开一种三轴天线测试机器人控制器，其特征在于包括一块三轴运动控制板、控制板外围有触摸屏人机接口、上位机接口、三轴反馈通道、三轴限位模块和三轴驱动模块。三轴运动控制板以PIC24HJ128GP506单片机为控制核心，扩展一片EEPROM用于存储工作参数，扩展三路RS485接口用于连接反馈通道，扩展一路CAN现场总线接口用于远程组网控制。触摸屏人机接口为RS232接口，连接一块7寸64K真彩色串行触摸屏。上位机接口为RS232接口，可直接连接具有RS232接口的计算机对天线测试机器人实施远程自动控制。三轴反馈通道全部为RS485接口，可连接带RS485接口的各种角位置传感器。传感器精度可根据实际需要确定，当采用14位绝对式光电编码器，可保证各个轴的角位置测量精度大于O. 03°，角速度测量精度大于O. 1° /S。三轴限位模块均采用光电隔离输入，输入电流最大为100mA，可连接支持集电极开路输出的各种开关量检测传感器，如光电开关、接近开关或行程开关等，当控制板检测到限位制动信号后，可使电机紧急刹车。三轴驱动模块采用PWM波H桥式功放，可驱动永磁式直流力矩电机，驱动模块自带紧急刹车信号接口和高速PWM波驱动信号光电隔离接口，驱动模块最大工作频率为20KHz，最大驱动电压为28V，最大工作电流为48A。本实用新型公开的设备的优点描述如下(I)经济性。由于本实用新型采用了自制的PWM波H桥式功放模块，不仅可以很好的完成三轴天线测试机器人的各项性能指标，而且使控制器的整体成本比采用传统线性功放模块节省了 20%左右。(2)精确性。本实用新型的实际控制精度取决于传感器的有效精度，由于控制器采用了 RS485总线直接与绝对式光电编码器通信，所以对反馈信号的采集几乎没有精度损失，这使得控制器的位置控制精度可以与传感器的有效精度保持在同一个量级上。(3)简便性。由于本实用新型采用7寸6K真彩色触摸显示屏作为人机交互接口，比传统LED显示加按键输入的方法更加人性化，使用户手动操作更加简捷方便。除此之外，控制器上还带有上位机接口，用于连接计算机实施远程自动控制。用户可以根据需要选择任意一种方式控制三轴天线测试机器人。(4)可靠性。本实用新型采用了多种措施提高控制系统的可靠性，如采用RS485总线传输反馈信号以增强系统的抗干扰能力；控制板可以宽电压供电，具有防止过压、欠压、电源反接和短路等功能；控制器采用多重保护功能，软件保护可以防止用户非法数据输入和反馈数据异常；控制板和电机驱动模块都具有电气限位保护，双重电气限位进一步增强了控制系统的可靠性。
图I为三轴天线测试机器人伺服控制系统总体结构图虚线框内的部分为三轴天线测试机器人伺服控制器。图2为三轴天线测试机器人伺服控制器控制板结构图控制板以PIC24HJ128GP506单片机为控制核心，具有专用的复位电路和供电模块，扩展一片EEPROM用于存储工作参数，扩展三路RS485接口用于连接反馈通道，扩展一路CAN现场总线接口用于远程组网控制，提供一路触摸屏接口，一路上位机接口，三轴限位模块和三路驱动模块等。图3为三轴天线测试机器人伺服控制器驱动模块电路原理图三轴天线测试机器人伺服控制器驱动模块用于驱动直流力矩电机(BI)，它由两块半桥驱动芯片BTN7970(U2和U3)组成一个H型全桥驱动电路。外部输入信号主要有两路波形互补的PWM波信号(PWMH和PWML)和一路紧急刹车信号(Break)。两路PWM信号经过高速光耦(U4)隔离后输入，刹车信号经过低速光耦(Ul)隔离后输入。图4为三轴天线测试机器人伺服控制器人机交互主界面效果图人机交互主界面分为三大部分，虚线框I内的部分为三轴角度给定值与反馈值显示区域，虚线框2内的部分为系统状态与操作状态显示区域，虚线框3内的部分为触摸按键区域。
具体实施方式
本实用新型旨在为三轴天线测试机器人提供有效且低成本的控制方案，应当理解，本实用新型还可以应用在其它类似的三轴伺服控制系统中。图I示出了三轴天线测试机器人伺服控制系统的总体结构，虚线框内的部分为三轴天线测试机器人伺服控制器，包括一块三轴运动控制板，外围有触摸屏人机接口、上位机接口、三轴反馈通道、三轴限位模块和三轴驱动模块等，详述如下三轴运动控制板以PIC24HJ128GP506单片机为控制核心，该型单片机由Microchip公司生产，是一款16位的高档单片机, 主频高达40M,片载8K的RAM空间，可运行小型的嵌入式操作系统。本实用新型基于UC/OS-II嵌入式操作系统开发了所有的控制软件。由于控制板上电源类型众多，有5V、3. 3V、28V等多路电源，因此控制板上专门设计了电源系统，采用28V开关电源作为控制器主电源，经过LM2576-5V芯片稳压后作为5V电源，再经ASMl117-3. 3V芯片稳压后作为3. 3V电源。此外，还采用MAX811-2. 4V芯片为控制板构建专用的复位电路模块。由于PIC24HJ128GP506单片机自身不带EEPR0M，所以利用该单片机的I2C总线扩展一片EEPROM用于存储工作参数，芯片型号为24LC64，可最多存储8K字节数据。为了实现三轴天线测试机器人控制功能的可扩展性，如未来可能为控制系统增加一些新的功能模块，或将三轴天线测试机器人纳入到一个更大的网络系统中进行控制，所以为控制器扩展一路CAN现场总线接口，CAN收发器型号为PCA82C250。触摸屏人机接口采用一块7寸64K真彩色串行触摸屏，型号为DMT80480C070_01W，该型触摸屏通信方式为RS232总线接口，具有开发方便，使用灵活的特点，利用触摸屏生产商提供的辅助开发软件可轻松设计出美丽的人机界面。图4为三轴天线测试机器人伺服控制器人机交互主界面效果图。为了减轻工作人员的操作负担，三轴天线测试机器人伺服控制器扩展了一路上位机串行通信接口，可直接连接具有RS232接口的计算机对天线测试机器人实施远程自动控制。控制器内部已编写好通信协议，用户可根据需要自行开发上位机控制软件。为了简化系统设计和增强系统抗干扰能力，本实用新型利用RS485总线构建反馈数据传输通道，PIC24HJ128GP506单片机仅有两个串行口，而控制系统共需要三路反馈通道，所以利用并串转换芯片SC16C554扩展三路RS485总线接口，控制板可直接连接所有具有RS485接口的位置传感器或变送器。三轴天线测试机器人采用14位绝对式光电编码器E1042Ad6-14，该型编码器角位置测量误差小于0.03°，角速度测量误差小于O. 1° /S。控制器的三轴限位模块均采用光电隔离输入，最大输入电流为100mA，可连接支持集电极开路输出的各种开关量检测传感器，如光电开关、接近开关或行程开关等，当控制板检测到限位制动信号后，可实现电机紧急刹车。本实用新型自行研制了电机驱动模块以节省开发成本，图3为驱动模块电路原理图。该模块采用两块半桥驱动芯片BTN7970组成一个H型全桥驱动电路。两路波形互补的PWM波信号经过高速光耦隔离后输入，一路紧急刹车信号经过低速光耦隔离后输入。该模块可驱动永磁式直流力矩电机，最大工作频率为20KHz，最大驱动电压为28V，最大工作电流为 48A。[0037]具体工作原理三轴天线测试机器人伺服控制器是典型的位置闭环反馈控制系统，由触摸屏人机界面输入三轴位置给定值，由带RS485接口的绝对式光电编码器构成反馈回路，单片机采 集位置给定值和反馈值后，调用已编好的PID控制算法对三轴位置实施闭环控制，其中俯仰运动轴和补偿运动轴同步控制。三轴位置控制误差均小于O. 1°。
权利要求1.一种三轴天线测试机器人伺服控制器，其特征在于包括一块三轴运动控制板，控制板外围有触摸屏人机接口、上位机接口、三轴反馈通道、三轴限位模块和三轴驱动模块。
2.根据权利要求I所述的三轴天线测试机器人伺服控制器，其特征在于所述三轴运动控制板以PIC24HJ128GP506单片机为控制核心，扩展一片EEPROM用于存储工作参数，扩展三路RS485接口用于连接反馈通道，扩展一路CAN现场总线接口用于远程组网控制。
3.根据权利要求I所述的三轴天线测试机器人伺服控制器，其特征在于所述触摸屏人机接口为RS232接口，与一块7寸64K真彩色串行触摸屏连接。
4.根据权利要求I所述的三轴天线测试机器人伺服控制器，其特征在于所述三轴反馈通道全部为RS485接口，可连接带RS485接口的各种角位置传感器。
5.根据权利要求I所述的三轴天线测试机器人伺服控制器，其特征在于所述三轴驱动模块采用PWM波H桥式功放，可驱动永磁式直流力矩电机，驱动模块自带紧急刹车信号接口和高速PWM波驱动信号光电隔离接口，驱动模块最大工作频率为20KHz，最大驱动电压为.28V，最大工作电流为48A。
专利摘要本实用新型设计一种三轴天线测试机器人伺服控制器，属于机电控制领域。其特征在于包括一块三轴运动控制板，控制板外围有触摸屏人机接口、上位机接口、三轴反馈通道、三轴限位模块和三轴驱动模块。触摸屏人机接口实现控制器的人机交互功能；上位机接口连接控制器与用户上位机，实现天线测试机器人的远程控制；三轴反馈通道分别采集天线测试机器人各个轴的实时角位数据；三轴限位模块用于天线测试机器人各个轴的电气限位；三轴驱动模块驱动天线测试机器人的各个电机运动。本实用新型为基于永磁式直流力矩电机的三轴控制系统提供了一种有效且低成本的解决方案，可以控制三个轴分时独立运动，也可以控制三个轴同时关联运动。
文档编号G05B19/042GK202433721SQ20112045905
公开日2012年9月12日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者宋飞飞, 王志胜, 胡洲 申请人:南京航空航天大学