【正文】 序就可以確定編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向 。 2022/2/9 27 二、速度傳感器 ? 速度傳感器是機(jī)器人中較重要的內(nèi)部傳感器之一 。 ? 目前廣泛使用的角速度傳感器有 測速發(fā)電機(jī) 增量式光電編碼器 2022/2/9 28 速度傳感器 (續(xù) ) ? 測速發(fā)電機(jī)是應(yīng)用廣泛 ， 能直接得到代表轉(zhuǎn)速的電壓且具有良好實(shí)時(shí)性的一種速度測量傳感器 。 速度的輸出有模擬式 (頻率 電壓轉(zhuǎn)換 )和數(shù)字式兩種 。 ? 測速發(fā)電機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)小型永磁式直流發(fā)電機(jī) ，其結(jié)構(gòu)原理如圖 。 ? 但帶有負(fù)載時(shí) ， 電樞的線圈繞組便會(huì)產(chǎn)生電流而使輸出電壓下降 ， 這樣便破壞了輸出電壓與轉(zhuǎn)速的線性度 ， 使輸出特性產(chǎn)生誤差 。 ? 測速發(fā)電機(jī)線性度好 ， 靈敏度高 ， 輸出信號(hào)強(qiáng) ，目前檢測范圍一般為 20～ 40?r/min(sec)??， 精度為 ?%～ ?%。 機(jī)器人速度伺服控制系統(tǒng)的控制原理如圖 。 ? 作為速度傳感器時(shí)既可以在模擬方式下使用又可以在數(shù)字方式下使用 。 ? 其原理如圖 。 2022/2/9 35 2) 數(shù)字方式 ? 數(shù)字方式測速是利用數(shù)學(xué)方式用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出速度 。 ? 例如裝配時(shí)需進(jìn)行將軸類零件裝入孔里 ， 調(diào)準(zhǔn)零件的位置 ， 擰動(dòng)螺釘?shù)纫幌盗胁襟E ， 在擰動(dòng)螺釘過程中需要有確定的擰緊力； ? 搬運(yùn)時(shí)機(jī)器人手爪對工件需有合理的握力 ， 握力太小不足以搬動(dòng)工件 ， 太大則會(huì)損壞工件； ? 研磨時(shí)需要有合適的砂輪進(jìn)給力以保證研磨質(zhì)量 。 ? 隨著大功率交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展 ， 目前大部分被電氣驅(qū)動(dòng)方式所代替 ， ? 只有在少數(shù)要求超大的輸出功率 、 防爆 、 低運(yùn)動(dòng)精度的場合才考慮使用液壓和氣壓驅(qū)動(dòng) 。 ? 應(yīng)用場合千變?nèi)f化 ,人的知識(shí)總有局限 .不要先入為主 2022/2/9 39 概述 (續(xù) 1) ? 電氣驅(qū)動(dòng)按照驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的不同又分為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)三種不同形式； ? 按照伺服控制方式分可分為開環(huán) 、 閉環(huán)和 半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng) 。 2022/2/9 40 概述 (續(xù) 2) ? 一般的伺服控制系統(tǒng)包括伺服執(zhí)行元件 (伺服電動(dòng)機(jī) )、 伺服運(yùn)動(dòng)控制器 、 功率放大器 (又稱伺服驅(qū)動(dòng)器 )、 位置檢測元件等 。 ? 某些機(jī)器人系統(tǒng)把各個(gè)軸的伺服運(yùn)動(dòng)控制器和功率放大器集成組裝在控制柜內(nèi) ， 如 MOTOMAN機(jī)器人 ，這樣實(shí)際上相當(dāng)于由一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)控制 。 ? 前者利用專用運(yùn)動(dòng)控制芯片與 PC機(jī)總線組成簡單的電路來實(shí)現(xiàn)；后者直接做成專用的運(yùn)動(dòng)控制卡 。 2022/2/9 42 概述 (續(xù) ) ? 對于伺服電動(dòng)機(jī)位置閉環(huán)系統(tǒng)來說 ， 運(yùn)動(dòng)控制器主要完成了位置環(huán)的作用 ?(不完全是這樣 )， 可稱為數(shù)字伺服運(yùn)動(dòng)控制器 ， 適用于包括機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床在內(nèi)的一切交 、 直流和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng) 。 2022/2/9 43 基于計(jì)算機(jī) (微處理器 )和芯片的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì) ? 一 、 專用運(yùn)動(dòng)控制芯片 LM628概述 ? LM628專用運(yùn)動(dòng)控制芯片實(shí)際上是一個(gè)具有專門用途的單片機(jī) ， 用來控制以 增量式編碼器 為位置反饋元件的各種直流或無刷直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)或其他伺服系統(tǒng) ， 具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)運(yùn)算能力 。 只要用一片 LM628和其他一些功能器件就可構(gòu)成一個(gè)伺服系統(tǒng) 。 ? A、 B—— 接受從增量式編碼器來的兩個(gè)正交信號(hào) 。 利用 /CS、/RD和 /WR 可向 LM628寫入指令和數(shù)據(jù)或從 LM628讀出狀態(tài)字節(jié)和數(shù)據(jù) 。 ? /RD— 由主機(jī)發(fā)出 ， 使主機(jī)讀出 LM628的狀態(tài)和數(shù)據(jù) 。 2022/2/9 46 LM628引腳 (1528) ? /WR— 由主機(jī)發(fā)出使主機(jī)向 LM628寫入指令和數(shù)據(jù) 。 低電平時(shí) ， 向指令口寫入指令 ， 或從指令口讀出狀態(tài)； 高電平時(shí) ， 向數(shù)據(jù)口寫數(shù)據(jù)或從數(shù)據(jù)口讀出數(shù)據(jù) 。 ? DAC0DAC7— DAC輸出口 。 ? /RST— 復(fù)位輸入端 。 2022/2/9 47 LM628構(gòu)成的伺服系統(tǒng) ? LM628構(gòu)成的伺服系統(tǒng)組成非常簡單 ， 用一片 LM62 一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器 、 一個(gè)功率放大器 、 一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī) 、 一個(gè)增量式編碼器就可以構(gòu)成一個(gè)伺服系統(tǒng) ， 其原理圖如圖 所示 。 ? (2) 作為速度曲線發(fā)生器 ， 執(zhí)行速度梯形圖的計(jì)算和 數(shù)字濾波 ， 產(chǎn)生速度曲線 。 ? (3) 利用增量式編碼器進(jìn)行實(shí)際位置的反饋 。 2022/2/9 49 LM628的主要功能 (續(xù) ) ? 進(jìn)行位置反饋時(shí) ， 增量式編碼器的三個(gè)信號(hào) A、 B和 /IN 接至 LM628。 狀態(tài)每改變一次 ， LM628內(nèi)部寄存器就增加或減少一個(gè)數(shù) ，使系統(tǒng)的分辨率比該增量式編碼器條紋數(shù)高 4倍 。 ? 在位置控制方式下 ， 主機(jī)把伺服系統(tǒng)的加速度 、 最高速度和最后位置通過 LM628的用戶指令發(fā)送給 LM628， LM628則按照規(guī)定的曲線控制伺服電動(dòng)機(jī)以規(guī)定的加速度運(yùn)動(dòng)到最高速度 ， 然后以該速度恒速運(yùn)動(dòng)到減速點(diǎn) ， 接著以負(fù)加速度開始減速直到電動(dòng)機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置停止 ， 如圖 (a)所示 。 2022/2/9 51 LM628的主要功能 (續(xù) ) 2022/2/9 52 LM628的主要功能 (續(xù) ) ? LM628的數(shù)字濾波功能是用 PID數(shù)字濾波器來補(bǔ)償被控制的閉環(huán)系統(tǒng) 。 ? LM628的 DAC輸出口可提供鎖存 8位并行輸出或雙重 12位輸出 。 輸出數(shù)據(jù)可正可負(fù) 。 當(dāng)輸出數(shù)據(jù)大于零值時(shí) ， 產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩 ，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)輸出數(shù)據(jù)小于零值時(shí) ， 產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩 ， 電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) 。 ? 其中有些指令不帶操作數(shù) ， 如 STT(啟動(dòng) )指令；有些則需附帶操作數(shù) ， 如 LEIL(裝入濾波器參數(shù) )指令則需要加上微分項(xiàng)采樣間隔和濾波器參數(shù)等幾個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù) 。 2022/2/9 54 LM628用戶指令集 教材 P168 ? 2022/2/9 55 四、 LM628芯片的運(yùn)動(dòng)控制器電路設(shè)計(jì) ? 通過主機(jī)和 LM628及一些其他器件組成的最小系統(tǒng)如圖 。 主機(jī)的地址信號(hào)線一方面經(jīng)地址譯碼后作為LM628的片選信號(hào) /CS， 另一方面用來作為 LM628指令口或數(shù)據(jù)口操作的選擇信號(hào) /PS。 2022/2/9 56 LM628芯片的運(yùn)動(dòng)控制器電路設(shè)計(jì) (續(xù) ) 2022/2/9 57 基于 PC(總線 )技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制 (卡 )器 ? 目前市售的運(yùn)動(dòng)控制卡很多 ， 功能都為對運(yùn)動(dòng)軸的開 、 閉環(huán)控制 。 ? 一 、 GM400四軸運(yùn)動(dòng)控制器簡介 ? 1． 概述 GM400四軸運(yùn)動(dòng)控制器的核心由兩片專用運(yùn)動(dòng)控制芯片組成 。 ? 它具有功能強(qiáng) ， 價(jià)格低 ， 使用方便的特點(diǎn) ， 適用于四軸伺服電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制 。 這些部件之間的連接示意圖如圖 。 10?V)控制信號(hào) 。 ? (3) 提供 4路增量式光電編碼器反饋信號(hào)接口 。 ? (5) 四軸位置 、 速度 、 加速度控制 。 ? (7) 可編程數(shù)字 PID濾波 。 ? (9) 32位長度的位置寄存器 。 ? (11) 硬件檢測 HOME信號(hào) 。 ? (13) 點(diǎn)到點(diǎn)位置控制 。 ? (4) 16路光電隔離輸出信號(hào)可用于伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使能和故障復(fù)位控制 ， 也可以由用戶定義成其他輸出信號(hào)接口 。 2022/2/9 63 5．控制器電源信號(hào) ? GM400四軸運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)字電路 、 編碼器與伺服電動(dòng)機(jī)控制采用 PC機(jī) ISA總線插槽提供的 +5?V電源 ， 電流不大于 2?A； +12?V和 – 12?V電源電流不大于 60?mA。 ? 8路限位開關(guān)信號(hào)輸入 、 4路原點(diǎn)信號(hào)輸入 、 16路光電隔離輸出和 16路光電隔離輸入信號(hào)的接口電源 VCC2和接口電源地 GND2必須由外部電源提供 。 ? 圖中所示的增量式編碼器的 A、 B相信號(hào)作為位置反饋輸入信號(hào) 。 ? 實(shí)際位置 的信息保存在位置寄存器中 ， 上級(jí)計(jì)算機(jī)可通過控制寄存器讀取 。 10?V模擬信號(hào)或 PWM信號(hào) 。 ? GM400運(yùn)動(dòng)控制器有兩種運(yùn)動(dòng)控制方式：一種是閉環(huán)方式 ， 另一種是開環(huán)方式 。在開環(huán)控制模式下 ， 上級(jí)計(jì)算機(jī)送到 GM400運(yùn)動(dòng)控制器的命令不需要經(jīng)過任何處理 ， 直接輸出控制 。 ? (2) 在 2區(qū) ， 加加速度為零 ， 按已達(dá)到的最大加速度加速到 3區(qū) 。 此階段已完成加速過程 。 ? (5) 在第 5階段 、 第 6階段和第 7階段與第 2及 3階段相同 ，不同的是減速運(yùn)行到速度為零 。 ? (2) 第 2階段加速度為零值 ， 速度保持已達(dá)到的最大速度運(yùn)行到第 3階段 。 ? 圖 。 在梯形曲線模式控制方式下 ， 任意時(shí)刻都可改變速度和位置 ， 其速度曲線如圖 。 開始運(yùn)動(dòng)時(shí)以給定的加速度連續(xù)加速直到達(dá)到設(shè)定的最大速度 。 在運(yùn)動(dòng)過程中 ， 速度和加速度兩個(gè)參數(shù)可以隨時(shí)修改 。 運(yùn)動(dòng)時(shí) ， 從動(dòng)軸作為被驅(qū)動(dòng)軸 ， 其目標(biāo)運(yùn)動(dòng)由主動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)乘以電子齒輪減速比來確定 。 GM400提供兩種方法實(shí)現(xiàn)這一功能：急停和平滑停止 。 ? 主機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器可交替控制運(yùn)動(dòng)完成狀態(tài)位 。 ? 無論采用哪種方式 ， 一旦主機(jī)獲悉運(yùn)動(dòng)完成 ， 主機(jī)應(yīng)清除運(yùn)動(dòng)完成標(biāo)志位 ， 為指示下一次運(yùn)動(dòng)是否結(jié)束做準(zhǔn)備 。GM400運(yùn)動(dòng)控制器采用 PID和速度前饋 (PID+Vff)濾波器 。 2022/2/9 76 3．控制器運(yùn)動(dòng)軸的控制 ? 1) 與主機(jī)的通信 ? GM400運(yùn)動(dòng)控制器提供了 命令寫 、 數(shù)據(jù)寫和數(shù)據(jù)讀 三種操作實(shí)現(xiàn)主機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器之間的信息交換 。 ? (2) 數(shù)據(jù)寫操作 —— 主機(jī)向運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送帶參數(shù)命令 ，完成控制器軸參數(shù)設(shè)定或軸狀態(tài)操作 。 2022/2/9 77 控制器運(yùn)動(dòng)軸的控制 (續(xù) ) ? 主機(jī)進(jìn)行上述操作之前 ， 必須檢測控制器準(zhǔn)備好信號(hào) ， 查看控制器通信接口是否就緒 。 ? 在主機(jī)與控制器之間進(jìn)行通信時(shí) ， 主機(jī)可根據(jù)實(shí)際需要確定是否讀取剛剛發(fā)送到 GM400雙緩沖寄存器中的命令或參數(shù) 。 ? GM400的大部分命令都具有返回指令與之對應(yīng) 。 ? 為便于處理 ， 控制器中保持了主機(jī)對當(dāng)前軸號(hào)的設(shè)置 。 2022/2/9 79 2) 控制器的伺服周期 (**) ? GM400運(yùn)動(dòng)控制器上的每個(gè)控制軸都能獨(dú)立地進(jìn)行工作設(shè)置 ， 每個(gè)工作軸從 DSP計(jì)算資源中獲得一個(gè)時(shí)間段 ， 不工作的軸可以不占用 DSP的計(jì)算資源 。 ? 用命令集中的 SET_SMPL_TIME命令函數(shù)可設(shè)定伺服控制刷新頻率 ， 用 GET_SMPL_TIME命令函數(shù)可從控制器中讀取該值 。 2022/2/9 80 工作軸的數(shù)量和 GM400最小伺服控制周期的對應(yīng)關(guān)系 伺服控制周期越小 ,越容易達(dá)到高的控制精度和穩(wěn)定性 GM400設(shè)定的伺服控制周期以 100?ms為單位，范圍從 1至32?767。 2022/2/9 81 3) 控制器的軸尋址 ? 調(diào)用一次 GM400的命令函數(shù)通常只修改某個(gè)軸的一個(gè)參數(shù)或其運(yùn)動(dòng)狀態(tài) ， 這樣主機(jī)必須能單獨(dú)控制每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng) 。 當(dāng)主機(jī)設(shè)置好當(dāng)前軸后 ， 所有后續(xù)命令將自動(dòng)對當(dāng)前軸進(jìn)行設(shè)置 。 2022/2/9 82 4) 控制器的狀態(tài)寄存器 ? GM400運(yùn)動(dòng)控制器為每一個(gè)軸提供一個(gè)狀態(tài)字 ，以保存各軸內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 。 ? 狀態(tài)字各位的定義如表 。 這些標(biāo)志位由運(yùn)動(dòng)控制器置位 ， 同時(shí)必須由主機(jī)復(fù)位 ， 否則它們將一直保持有效 。 ? GM400采用 雙緩沖機(jī)制 接收設(shè)置的參數(shù)和相關(guān)的控制命令 。 ? 只有在接收到 刷新命令 后 ， 控制器才將這些參數(shù)和命令復(fù)制到相應(yīng)的寄存器中 ， 使其生效 。 ? 刷新 / 使能信號(hào) 2022/2/9 84