一种采用EtherCAT协议的实时同步机器人扭矩扭力控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种机器人控制系统，尤其是一种一种采用EtherCAT协议的实时同步机器人扭矩扭力控制系统。

背景技术：

在数控技术领域中，传统的交流伺服控制系统一般有多个交流伺服电机，与伺服电机一一对应的伺服驱动器以及现场总线组成，传统的工业现场总线，如485、CAN总线，速率低，数据传输量小，在远距离传输需要额外增加中继器减小信号衰减，同时增加布线难度，传统的工业实时以太网协议Modbus/TCP、EtherNet/IP等，由于未修改以太网协议并通过软件协议栈来实现通信，数据包的打包和解析导致一定延时，并未达到真正的实时性，精准同步对于同时动作的分布式过程十分重要，特别是在几个伺服轴同时执行协调运动的情况下，EtherCAT建立了新的技术标准，具有灵活的线性拓扑结构，完全兼容以太网，可以最大化利用以太网提供的宽带，是一种具有出色的实时性能且成本低廉的网络通讯技术，目前国外生产的集成倍福芯片的伺服电机控制器价格昂贵，增加企业成本。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种采用EtherCAT协议的实时同步机器人扭矩扭力控制系统，扩展方便，实时性好，有效数据高。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种采用EtherCAT协议的实时同步机器人扭矩扭力控制系统，包括管理主从站之间的数据通信的EtherCAT主站控制器，接收EtherCAT主站控制器发送的报文进行识别且发送至微处理器、接收微处理器发送信息发送报文至EtherCAT主站控制器的EtherCAT从站控制器，微控制器和扭矩扭力控制模块；EtherCAT主站控制器与EtherCAT从站控制器通过网线连接，EtherCAT从站控制器与微控制器通过串口/并口连接，

EtherCAT主站控制器采用搭载有倍福公司的TwinCAT开发平台的PC机；

EtherCAT从站控制器采用从站控制芯片ET1100；

扭矩扭力控制模块包括扭矩扭力输出单元和扭矩扭力输入单元，扭矩扭力输出端元包括DA转换单元和输出信号放大单元，扭矩扭力输入单元包括输入信号放大单元和AD转换单元；DA转换单元的输入端与微处理器的扭矩扭力数据输出端连接，DA转换单元的输出端与输出信号放大单元的数据输入端连接，输出信号放大单元的数据输出端与机器人处的伺服驱动器连接；输入信号放大单元的数据输入端与机器人处的伺服驱动器连接，输入信号放大单元的数据输出端与AD转换单元的输入端连接，AD转换单元的输出端与微处理器的扭矩扭力数据输入端连接。

进一步地，微处理器采用单片机芯片STM32F407ZET6，单片机芯片STM32F407ZET6外接时钟电路、复位电路、电源电路，所述电源电路包括24V转正负12V电源电路、24V转5V电源电路、5V转3.3V电源电路、5V转2.5V电源电路，24V转正负12V电源电路包括芯片U3，外部输入INPUT+24V经二极管D3后与芯片U3的引脚1连接，芯片U3的引脚3输出电压VCC-12V，芯片U3的引脚5输出电压VCC+12V；

24V转5V电源电路包括芯片U4，外部输入INPUT+24V与芯片U4的引脚1连接，芯片U4的引脚4输出电压VCC+5V；

5V转3.3V电源电路包括芯片U6，芯片U6的引脚1外接电压VCC+5V，芯片U6的引脚2与引脚4连接后输出电压V3.3V；

5V转2.5V电源电路包括芯片U5，芯片U5的引脚2输入电压VCC+5V，芯片U5的引脚6输出电压VCC jizhuan+2.5V。

进一步地，DA转换单元包括DA转换芯片U12、DA转换芯片U20，输出信号放大单元包括运放芯片U10、运放芯片U14、运放芯片U16、运放芯片U18、运放芯片U22、运放芯片U24；

DA转换芯片U12的输入端、DA转换芯片U20的输入端分别与单片机芯片STM32F407ZET6的扭矩扭力数据输出端连接，DA转换芯片U12的输出端分别与运放芯片U10、运放芯片U14、运放芯片U16、运放芯片U18的正输入端连接；DA转换芯片U20的输出端分别与运放芯片U22、运放芯片U24的正输入端连接；

AD转换单元包括AD转换芯片U13和AD转换芯片U21，输入信号放大单元包括运放芯片U11、运放芯片U15、运放芯片U17、运放芯片U19、运放芯片U23和运放芯片U25；

运放芯片U11、运放芯片U15、运放芯片U17、运放芯片U19的输出端分别与AD转换芯片U13的输入端连接，AD转换芯片U13的输出端与单片机芯片STM32F407ZET6的扭矩扭力数据输入端连接；运放芯片U23和运放芯片U25的输出端分别与AD转换芯片U21的输入端连接，AD转换芯片U21的输出端与单片机芯片STM32F407ZET6的扭矩扭力数据输入端连接。

本实用新型的有益效果是，

本实用新型提供一种扭矩扭力控制系统，实现对机器人动作进行控制的六个伺服电机的扭矩扭力控制，搭载有倍福公司的TwinCAT开发平台的PC机作为EtherCAT主站，发送含有伺服电机位置扭矩、力度信息的报文至从站控制芯片ET1100，从站控制芯片ET1100对接收到的报文进行解析，发送控制信息到单片机芯片STM32F407ZET6，单片机芯片STM32F407ZET6的扭矩扭力数据输出端将扭矩扭力控制信息发送给扭矩扭力输出单元输入端，扭矩扭力输出单元的输出端与机器人处的伺服电机驱动器连接，伺服电机驱动器与扭矩扭力输入单元的输入端连接，扭矩扭力输入单元与单片机芯片的扭矩扭力输入端连接，闭环实现对伺服电机的扭矩和力度控制，具有较高实时性，且扩展方便，对于多个机器人的扭矩和力度控制，只需将多个从站控制芯片ET1100进行串联，主站发出下行电报，数据帧遍访所有从站，在数据帧到达每个从站时，从站解析出本机报文，并对报文数据进行处理，然后将该数据帧传输到下一个从站，从站再进行类似的处理，直至传输完整个回路，实现对多个机器人的扭矩和力度控制，满足工业需求，具有较强的通用性。

附图说明

图1是扭矩扭力控制系统结构示意图；

图2是单片机芯片STM32F407ZET6的引脚资源分配图；

图3是时钟电路图；

图4是24V转正负12V电源电路图；

图5是24V转5V电源电路图；

图6是5V转2.5V电源电路图；

图7是5V转3.3V电源电路图；

图8是DA转换芯片U12电路图；

图9是DA转换芯片U20电路图；

图10是运放芯片U10电路图；

图11是运放芯片U14电路图；

图12是运放芯片U16电路图；

图13是运放芯片U18电路图；

图14是运放芯片U22电路图；

图15是运放芯片U24电路图；

图16是AD转换芯片U13电路图；

图17是AD转换芯片U21电路图；

图18是运放芯片U11电路图；

图19是运放芯片U15电路图；

图20是运放芯片U17电路图；

图21是运放芯片U19电路图；

图22是运放芯片U23电路图；

图23是运放芯片U25电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种采用EtherCAT协议的实时同步机器人扭矩扭力控制系统，包括管理主从站之间的数据通信的EtherCAT主站控制器，接收EtherCAT主站控制器发送的报文进行识别且发送至微处理器、接收微处理器发送信息发送报文至EtherCAT主站控制器的EtherCAT从站控制器，微控制器和扭矩扭力控制模块；EtherCAT主站控制器与EtherCAT从站控制器通过网线连接，EtherCAT从站控制器与微控制器通过串口/并口连接，EtherCAT主站控制器采用搭载有倍福公司的TwinCAT开发平台的PC机；EtherCAT从站控制器采用从站控制芯片ET1100；扭矩扭力控制模块包括扭矩扭力输出单元和扭矩扭力输入单元，扭矩扭力输出单元包括DA转换单元和输出信号放大单元，扭矩扭力输入单元包括输入信号放大单元和AD转换单元；DA转换单元的输入端与微处理器的扭矩扭力数据输出端连接，DA转换单元的输出端与输出信号放大单元的数据输入端连接，输出信号放大单元的数据输出端与机器人处的伺服驱动器连接；输入信号放大单元的数据输入端与机器人处的伺服驱动器连接，输入信号放大单元的数据输出端与AD转换单元的输入端连接，AD转换单元的输出端与微处理器的扭矩扭力数据输入端连接。

如图2至图7所示，微处理器采用单片机芯片STM32F407ZET6，单片机芯片STM32F407ZET6外接时钟电路、复位电路、电源电路，所述电源电路包括24V转正负12V电源电路、24V转5V电源电路、5V转3.3V电源电路、5V转2.5V电源电路，24V转正负12V电源电路包括芯片U3，外部输入INPUT+24V经二极管D3后与芯片U3的引脚1连接，芯片U3的引脚3输出电压VCC-12V，芯片U3的引脚5输出电压VCC+12V。

24V转5V电源电路包括芯片U4，外部输入INPUT+24V与芯片U4的引脚1连接，芯片U4的引脚4输出电压VCC+5V。

5V转3.3V电源电路包括芯片U6，芯片U6的引脚1外接电压VCC+5V，芯片U6的引脚2与引脚4连接后输出电压V3.3V。

5V转2.5V电源电路包括芯片U5，芯片U5的引脚2输入电压VCC+5V，芯片U5的引脚6输出电压VCC jizhuan+2.5V。

如图8至图23所示，DA转换单元包括DA转换芯片U12、DA转换芯片U20，输出信号放大单元包括运放芯片U10、运放芯片U14、运放芯片U16、运放芯片U18、运放芯片U22、运放芯片U24。

DA转换芯片U12的输入端、DA转换芯片U20的输入端分别与单片机芯片STM32F407ZET6的扭矩扭力数据输出端连接，DA转换芯片U12的输出端分别与运放芯片U10、运放芯片U14、运放芯片U16、运放芯片U18的正输入端连接；DA转换芯片U20的输出端分别与运放芯片U22、运放芯片U24的正输入端连接。

AD转换单元包括AD转换芯片U13和AD转换芯片U21，输入信号放大单元包括运放芯片U11、运放芯片U15、运放芯片U17、运放芯片U19、运放芯片U23和运放芯片U25。

运放芯片U11、运放芯片U15、运放芯片U17、运放芯片U19的输出端分别与AD转换芯片U13的输入端连接，AD转换芯片U13的输出端与单片机芯片STM32F407ZET6的扭矩扭力数据输入端连接；运放芯片U23和运放芯片U25的输出端分别与AD转换芯片U21的输入端连接，AD转换芯片U21的输出端与单片机芯片STM32F407ZET6的扭矩扭力数据输入端连接。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。