基于DSP的六軸工業機器人控制器的設計

肖凱夫

摘要：控制器屬于工業機器人的大腦，其設計的質量對工業機器人的性能、精度產生直接的影響。六軸工業機器人為工業機器人類型中的一種，運動控制的復雜性比較高，從我國現有的運動控制器來看，尚無法有效的滿足其控制需求。基于此，本文在DSP基礎上，分析了設計六軸工業機器人控制器的方法，旨在實現有效的控制六軸工業機器人運行，發揮其應用價值。

關鍵詞：DSP；六軸工業機器人；控制器；設計

前言：制造領域中應用工業機器人之后，明顯的提升了生產效率，并增強了行業的信息化與工業化程度，實現制造行業的繁榮發展。隨著工業機器人應用領域的不斷拓寬，關于工業機器人及其控制器的研究逐漸增多，并形成了較好的研究成果。六軸工業機器人運動時，要對六軸聯動做出科學的控制，由于現有控制器無法滿足其實時性與精度的要求，還需要在相應技術基礎上有針對性的研究，由此可見，本文研究的開展具有十分重要的現實意義。

一、控制器設計需求分析

工業機器人性能實現時，控制器具有核心性的作用，通過其中的硬件及軟件平臺，為工業機器人的運動控制提供良好的支持。站在用戶的角度上，控制器與黑箱子較為相似，用戶使用時，只需將運動軌跡的起始、目標位置，路徑約束條件輸入到上位機中，之后，控制器可以根據自身的功能自動完成運動軌跡規劃工作，并對末端執行器做出控制，使其運動軌跡與預先設置相同。基于上述分析，設計六軸工業機器人的控制器時，需求主要體現在以下三個方面：

第一，一個關節對應一個伺服系統，各個關節運動時，硬件架構要使其運動具備協調性，對每個伺服系統都能良好的兼容；第二，規劃運動軌跡時，需求的算法比較復雜，如計算插值點、正解及逆解運動學等，坐標變換、矩陣逆運算的量非常大，硬件架構要對此給予良好的支撐；第三，控制6個伺服系統時，需求的I/O口比較多，同時，用戶具備二次開發需求，因此，硬件架構中，帶有的I/O數量要足夠多，并能夠與預留，以滿足客戶的需求。

二、控制器硬件設計

（一）電源設計

電路板中，重要組成部分即為電源，關系著電路板功能能否穩定的實現。設計電源時，要以電路板類型為依據，本文中需設計的電源用于控制器中，也就是需要設計DSP電源。通常，DSP電源電路應設計三種，第一種為DSP芯片內核電源，以1.9V作為供電電壓；第二種為I/O口電源，電壓3.3V，電平轉換無需進行；第三種為模擬電路電源，屬于ADC模塊專用電源，電壓3.3V。因供電電源的數量比較多，需要著重的考慮加電次序問題，對于DSP，上電、掉電次序及復位問題均需要進行妥善的設計。理想狀態下，DSP芯片中，內核電源及I/O口電源的上電應同時進行，但由于實際實現難度非常大，因此，先進行上電的為I/O口電源和模擬電路電源，之后再進行內核電源的上電。基于此種上電順序，設計時選用的芯片型號為LT1963A-33。

（二）模塊通信設計

控制器控制六軸工業機器人時，PC機需要與DSP之間進行數據交換，以有效的調動各個關節，保證機器人正常運行。一般，控制卡人機交互界面的實現位置為上位機，而對于控制卡自身，運動軌跡規劃算法需要實時執行，因此，上位機與控制卡通信時，要交換的數據量是非常大的，為保證通信正常進行，要求就有非常高的傳輸速率及實時性。設計之初，本文已經將直線插值點、圓弧插值點寫入到DSP中，PC機僅需將軌跡運動命令發送給DSP即可，由此，上位機程序復雜程度可以有效降低，也簡化了二者之間的通信。

（三）伺服模塊設計

以松下A5伺服系統作為本文設計時所采用的伺服模塊。首先，設計光耦模塊，主要功能為輸出，輸入控制伺服驅動器的信號，如輸入伺服ON、輸出伺服準備等，部分控制器中的該模塊用于控制伺服驅動器、反應伺服的工作狀態等，由于伺服驅動器處于比較惡劣的工作環境中，干擾較大，設計時還需要進行抗干擾設計，光耦傳遞電信號時，媒介為光，能夠良好的隔離輸入輸出的電信號，廣泛的應用于工業中，本文中光耦隔離控制輸入輸出心電時，采用TLP521-4。其次，設計差分信號轉換模塊，伺服驅動器輸出時，相共包含3個，分別為A相、B相、Z相，各相輸出時，均為一組差分信號，差分信號具有非常強的抗干擾能力，可高度免疫外部電磁干擾，而且也不需要依賴“地”，提升傳輸可靠性，設計該模塊時，采用的芯片為MC3486。最后，設計模擬量輸出模塊，速度模式為伺服驅動器工作時選擇的模式，為能對電機轉速做出控制，需要進行模擬量的接收，實現此功能時，采用數模轉換電路法，如果采用專用D/A芯片，會大幅度的增加控制器的設計成本，而且占用的I/O接口也比較多，本文設計過程中，D/A轉換構成應用PWM方式，即脈沖寬度調制方式。

三、控制器軟件設計

（一）總體設計

在控制器中，包含上位機、下位機兩部分，下位機控制器為本文研究的重點，因此，運動控制系統的上位機功能沒有完全開發。控制系統較為成熟時，人機交互界面、規劃運動軌跡等功能均需要在上位機實現，而實現插補算法、數據通信、伺服控制等為主要由下位機完成，如果正逆解運動學并未在上位機中進行，也可由下位機進行。具體說來，控制算法、數據存儲、數據通信、伺服控制、I/O控制、伺服中斷為控制器設計時總體的軟件架構，這些軟件模塊中，部分運行在DSP上，部分運行在其他芯片上，共同實現控制器的各項功能。

（二）控制算法設計

本文所設計的控制器屬于初級階段產品，直線插值點、圓弧插值點均已經事先設計到了DSP內部，這些屬于六軸工業機器人各個關節的理想位置，而關節軸實際位置的得到需要進行增量式編碼解碼，之后，DSP接收實際位置信息，并比較理想位置信息，將誤差計算出來，對關節給進速度做出相應的調整，并輸出相關信息，以能控制伺服系統，使末端執行器的方向運動誤差降至最小。

（二）數據存儲設計

DSP為能便利的開展程序調節工作，在數據存儲模塊中外擴了一個SRAM芯片，型號為IS61LVL416，該芯片具有比較大的存儲容量，DSP調試時，會直接受到ARSM芯片的影響。測試SRAM芯片性能時，需要經歷一系列的程序，由其整體流程可知，地址從0開始，依次的將0-0xFFFF數據寫入，直至地址為0xFFFF，期間，驗證工作也順次的開展，測試完成后，要想了解錯誤信息情況，對變量error數值查看即可，最后對芯片性能作出判定。

（三）增量式編碼器設計

伺服控制系統中廣泛的應用增量式光電編碼器，原因為其具有較高的精度、較快的響應速度及較為穩定的性能。此種編碼器輸出時，數字量無法直接輸出，A相、B相與z相的脈沖信號為能夠輸出的，再經處理后，使轉子轉角及速度信息獲得。在轉子轉角、轉向基礎上，增量式編碼器可將一系列的脈沖信號輸出，轉角越多時，輸出的脈沖信號數量越多，因此，轉速越快，脈沖頻率越高。關節軸實際位置信息需要經過增量式編碼器解碼得到，還需要針對編碼器設計相應的解碼器。

（四）雙端口RAM通信模塊設計

所謂雙端口RAM，是指將數據線等加在SRAM芯片上，而且兩端的均為獨立的總線，對于內部存儲數據，由兩個端口共享，訪問存儲空間的時間并不受到限制。基于此，將兩個單獨的CPU設計在端口的兩端，對存儲空間做出訪問時，兩個CPU屬于同時異步訪問，實現數據聽信。共享過程中，為防止數據沖突的存在，需要將仲裁機制加入其中，通過仲裁機制相關功能的發揮，保證控制器正常運行。雙端口RAM構建過程中，使用存儲單元塊，型號為M9K，使其與DSP之間順利通信，并提升端口的運行效率。

（五）限位急停模塊設計

正負極限位置設計到控制器中后，能夠有效的保證六軸工業機器人作業的安全性。實際工作過程中，關節軸的運動如果處于極限位置，會立即的停止運行與其所對應的電機，同時，電機不會接收到任何前進信號，且能夠正常的接收反向運動信號，以此來保證運行安全。

結論：基于上述方法設計控制器后，能夠有效的滿足六軸工業機器人運功控制時的基本需求，但由于本文研究能力有限，加之科學技術的不斷發展，還需要持續的進行更為深入的研究。