6-DOF運動平臺電控系統方案設計及仿真

常建軍，呂志寬，李聲晉，盧 剛

(西北工業大學，陜西西安710072)

0 引 言

德國人Stewart在1965年發明了六自由度并聯機構，該平臺為一封閉工作平臺，其主要由定平臺、動平臺、六根支鏈以及若干關節構成。支鏈一般為液壓缸或電動缸，通過球鉸虎克鉸與動、定平臺相聯。六自由度體感運動平臺可提供三個正交方向的平移以及橫滾、偏擺、俯仰三個轉動。隨著研究的不斷深入，六自由度并聯機器人已廣泛應用于各種加工、裝配行業，在醫學領域也得到應用。近年來發達國家均投巨資對其進行開發和應用。本文針對現有的六自由度平臺，設計了一種基于CAN總線的運動平臺電控系統。本電控系統由6個伺服電動缸驅動控制器和一個主控制器組成CAN網絡，由上位機通過USB2.0數據傳輸對六自由度平臺進行實時檢測控制，以保證系統的實時性。通過實驗證明，本電控系統具有結構簡單、實時性好、可靠性高、擴展性能強等優點。

1 6-DOF運動平臺機械結構

6－DOF運動平臺結構設計采用Solidworks軟件進行實體建模和裝配，其結構如圖1所示。6－DOF運動平臺由上、下兩個平臺組成，上平臺為運動平臺，下平臺為固定平臺，物體可固定在上平臺實現六自由度運動。兩平臺用6根伺服電動缸及上、下虎克鉸連接。六個虎克鉸鉸點構成一個分布圓，每兩個為一組，分成三組，中心對稱。伺服電動缸螺桿的伸縮移動由伺服電機控制器控制直流無刷伺服電機的輸出轉速和轉矩大小來實現。6個電動缸可以自由伸縮，進行6個自由度的獨立運動，即在三維空間內可以作任意方向的移動和繞任何方向、位置的軸線轉動。伺服電機裝有內置正余弦編碼器，在伺服從控制器的配合下，實現位置閉環控制。

圖1 六自由度平臺機械結構圖

2 6-DOF運動平臺電控系統結構

控制器局域網絡(以下簡稱CAN)是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡，是目前應用廣泛的高速現場總線之一，具有通信速率高、實現容易、性價比高等優點。同時CAN總線為多主工作方式，網絡上任一節點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息，而不分主從且無須站點地址等節點信息。CAN總線的通訊方式靈活，只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等方式傳送接收數據，無須專門的“調度”。CAN總線采用短幀格式通信，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果，每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，從而保證了數據通信的可靠性。CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節點同時向總線發送信息時，優先級較低的節點會主動地退出發送，而最高優先級的節點可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間，尤其在網絡負載很重的情況下也不會出現網絡癱瘓情況。因此，本文設計的基于CAN總線的六自由度運動平臺電控系統具有結構簡單、實時性高、安全可靠、可擴展性強等優點。

如圖2所示，本文設計了一種總線型拓撲結構，通過主控制器的CAN隔離收發芯片CTM8251D和從控制器的CAN隔離收發芯片ISO1050，把現場總線中分散的主控制器和伺服電機控制器掛接在CAN總線上，并按照現場總線的物理層、數據鏈路層、應用層協議，實現主、從控制器之間的CAN通訊功能。

圖2 基于CAN總線的多電機控制系統結構圖

整個電控系統由上位機、CAN總線、主從控制器和直流無刷伺服電動缸4個部分組成。系統采用PC機作為監控主機，實現對各控制器的監控和管理;CAN總線隔離收發器完成CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，實現PC機和CAN總線之間的通訊。各伺服從控制器通過 TI公司的TMS320F28335完成數據的收發以及對直流無刷伺服電動缸的控制。從該電控系統結構圖可以看出，無論哪個從控制器的電動缸出現故障，不會影響到其他控制器和電動缸，這一設計可以容易使該系統完成故障定位，同時降低了系統設計成本。

3 電控系統硬件實現

3.1 主控制器設計

主控制器主要完成位置反解和CAN通訊兩大任務，同時也是該電控系統信息傳輸的紐帶。根據該平臺電控系統對主控制器的要求以及現有條件，本系統選用Microchip公司生產的dsPIC30F6012A作為運動平臺主控制器的MCU。Microchip公司生產的dsPIC30F6012A擁有12位A/D、內部EEPROM存儲器、內部RAM、輸出比較、輸入捕捉、編碼器接口、I2C和SPI接口、通用異步串行通訊(UART)接口、兩路CAN接口以及Flash程序存儲器。

本電控系統通過USB2.0與上位機進行通訊，使上位機能夠實時監測到六自由度運動平臺的目前姿態和各電動缸的運動情況。在上位機與主控制器之間采用SPI轉USB通訊方式完成。如圖3所示，該電路采用FPGA+CY7C68013組成，為了提高系統穩定性，采用高速光耦ADUM1401進行隔離。

圖3 SPI轉USB2.0通訊實物

如圖4所示，dsPIC30F6012A芯片內部集成了兩路CAN2.0B通訊模塊，外接雙路CAN隔離收發器CTM8251D即可構成兩路CAN總線。選取一路CAN總線作為主控制器與6個伺服從控制器進行實時控制和接收反饋信息的通道。

圖4 主控制器硬件原理框圖

3.2 伺服從控制器設計

本電控系統采用德州儀器生產的TMS320F28335芯片作為直流無刷伺服電動缸控制器的MCU，它是一款高性能的32位CPU，單精度浮點運算單元(FPU)，采用哈佛流水線結構，主頻最高可達150 MHz。該芯片具有18個PWM輸出、包含6個高分辨率脈寬調制模塊(HRPWM)、6個事件捕獲輸入、2通道的正交調制模塊(QEP)，串行外設有2通道CAN模塊。其中兩路正交捕捉模塊(QEP1/2)方便與直流無刷伺服電動缸的編碼器接口，CAN模塊方便與主控制器組成CAN總線。

本系統設計的直流無刷伺服電動缸從控制器原理結構圖如圖5所示。系統采用典型時鐘頻率30 MHz晶振為TMS320F28335芯片提供系統時鐘，使芯片正常工作;電源上電后為使DSP得以正確初始化其必須處于復位狀態，本系統采用MAX809配合阻容元件完成該任務。主電源模塊通過隔離、穩壓等處理為 TMS320F28335和IPM模塊供電。TMS320F28335芯片可以通過內置CAN模塊進行CAN通訊，接收由主控制器發來的動作指令，然后將收到指令與通過編碼器反饋回來的信號進行比較，啟動內部閉環功能模塊，將最終的PWM信號通過高速光耦隔離器件HCPL4506提供給三菱公司的IPM模塊，實現對電動缸的閉環控制。為了滿足技術要求，該電控系統選用三菱公司的PM50CLA060功率模塊，該模塊額定電壓為600 V，額定電流50 A，最高工作頻率可達20 kHz，絕緣電壓為2 500 V，工作溫度范圍－20～150℃，內部集成過流、欠壓、過溫保護功能，并可將檢測信號送到DSP作中斷處理。

圖5 從控制器原理結構框圖

4 電控系統軟件設計

主控制器主要完成的功能包括兩部分:與上位機的通訊以及對從控制器采用CAN通訊進行監控，該控制器軟件主要包括主程序和CAN中斷服務子程序組成。軟件采用模塊化設計，如圖6所示。在主程序中首先要完成模塊的初始化，之后主要完成的任務包括CAN模塊和SPI模塊的中斷和相應寄存器設置以及時鐘配置，對變量的聲明及初始化。dsPIC30F6012A的寄存器配置主要包括:系統時鐘配置、系統復位設置、看門狗設置以及PWM輸出設置。主控制器初始化完畢后開啟SPI中斷對上位機發送的姿態指令進行接收。當主控制器接收到姿態指令后進行位置反解計算，然后將各電缸位置指令經CAN總線發送給相應的從控制器，由從控制器完成各相應電缸位置閉環。在主程序循環中等待CAN接收中斷，在CAN中斷服務子程序中判斷數據類型并分類、打包然后發送至上位機。

圖6 主控器軟件流程圖

伺服從控制器主要完成與主控制器的CAN通訊以及驅動伺服電動缸執行上級發送來的指令動作。其整個控制軟件由主程序和各模塊中斷服務子程序組成。伺服驅動器CAN總線通訊采用定時發送、中斷接收的方式。通過執行Timer0定時中斷服務子程序向主控制器發送電動缸實時位移值，Timer0的中短周期設置為1 ms。定時發送子程序如圖7所示。

配置DSP的CAN模塊在接收到CAN報文后產生接收中斷。在中斷服務子程序中讀取CAN緩沖寄存器中的內容并進行數據解包判斷不同類型的數據包并更新目標位置值變量。中斷接收子程序如圖8所示。

圖7 定時發送子程序

圖8 中斷接收子程序

PWM模塊初始化程序中設置PWM計數器為零時產生中斷，中斷頻率為10 kHz，即每0.1 ms發生一次中斷。PWM中斷處理程序是整個控制軟件最重要的部分，該中斷處理程序主要完成以下功能:

(1)轉子位置的辨識，為電缸提供可靠的換相信息。

(2)通過轉子位置信息換算電動缸實時位移。

(3)位置閉環PID計算，根據PID計算結果更新PWM占空比調節電動機轉速。

PWM中斷服務子程序、PID計算子程序、轉子位置辨識子程序框圖分別如圖9所示。

當IPM模塊發生欠壓、過溫、過流等故障時Fault信號會輸出低電平，該信號觸發INT1中斷。在INT1中斷服務子程序中DSP關閉PWM模塊輸出、控制點亮故障報警燈、通過CAN通訊向上位機發送故障代碼。

5 運動學仿真結果

定義六個自由度的運動都為正弦方式，定義仿真類型為運動學仿真。定義仿真時間為10 s。定義仿真步長為0.1 s。定義分析精度為1.0。

ADAMS/Solve對于裝配分析、靜態分析、運動學分析和動力學分析采用的都是插值方法求解方程。在插值求解過程中，需要指定允許的誤差，允許誤差過大會導致仿真分析失敗或出現錯誤的仿真結果，允許誤差過小則會大大增加仿真分析的機時和成本甚至會使仿真無法進行下去。仿真結果如圖10所示。

圖10 平臺運動學仿真

分析圖10中電動缸運動位移、速度、加速度曲線可以看出，伸縮桿位移曲線都表明位移的變化頻率與上平臺輸入頻率是一致的。速度與位移、加速度與速度之間呈明顯的微分關系。

6 結 語

本文針對現有的六自由度平臺設計了電動缸電控系統，對系統的硬件電路及軟件流程作了詳細介紹，并進行了仿真，仿真結果證明此系統具有結構簡單、速率高、應用可靠等優點。基于CAN總線的六自由度平臺的電控系統具有較高的集成度、較好的實時性和高性價比，可在此基礎上能夠實現上平臺的升降、側傾等運動，在上平臺加裝配套設施后可廣泛應用于各種加工、裝配行業、制作模擬器及醫學領域。

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