精密Ｉ号装配机器人新型控制系统研制

    摘 要： 针对精密1号装配机器人存在的问题，介绍了自行研制的新型精密1号装配机器人控制系统。它利用双系统背板和带Semaphore逻辑单元的双端口RAM建立了紧耦合双机系统。改善了原有系统的开放性和可靠性。设计了新系统上的软件系统。建立了一个完整的装配机器人控制平台。

    关键词： 装配机器人 控制系统 双口RAM Semaphore逻辑单元 多机系统 变磁阻电机

    在许多微机应用领域中，PC机的速度和功能往往不能满足需要。特别是在多任务工作环境下，各任务只能分时工作。因此，要想在单处理器情况下进行多任务工作，则在实时性上存在问题。由于机器人特殊的结构，工业机器人的控制系统却需要承担规划和伺服控制两套任务。这两套任务又必须保持实时高速的通讯，并由一个主系统支配。这就决定了其控制器结构必须是紧耦合的多机系统。

    精密1号是我国1995年自行研制的高精度精密装配机器人。原有系统的下位机为采用MultiBus总线的Intel iSBC386单板机，采用8038DX芯片，主频20MHz。该系统采用iRMX III实时多任务操作系统，基本上满足了精密1号机器人控制的需要。但是该系统存在以下问题：（１）386的运算能力已经远远落后于当前的硬件水平。由于机器人运动学、动力学运算任务繁重，原有系统只能勉强作带动力学前馈的简单PID控制。否则必须延长伺服中断时间，牺牲控制精度。（２）原有系统采用iRMX Ⅲ非主流操作系统，不但价格较贵，而且可以利用的软、硬件资源匮乏。其下的程序编译需要有专门的编译系统，编译过程复杂。这些都不利于高级控制策略的程序实现和调试，不利于深入研究和实际推广。（３）原有系统的控制、驱动、信号接口等环节在可靠性和开放性方面也存在很多问题。由于机型和操作系统的非主流性，可利用的代换硬件和程序很难得到，需要专门人才，致使维修困难。

    因此，我们采用研华双系统背板奔腾333工控机重建了计算机控制系统。双系统背板在一个机箱内集成了两套PC系统，很适合机器人控制所需的上、下位机结构。双系统分别进行机器人的规划和伺服控制，通过双口RAM进行通讯，构成一主一从的紧耦合多机系统。此外，重新设计了基于ISA总线的电机伺服扩展卡等硬件接口。

    在驱动系统方面，精密1号采用新型变磁阻类步进电机直接驱动。为了提高电机功率放大器的负载能力和可靠性，对原系统部分器件也作了更新。

    １ 带Semaphore逻辑单元的双口RAM的应用

    由于控制系统宽带及灵活性，双口RAM被广泛用于连接多机系统。为了避免读写冲突，目前的双口RAM产品集成了以下三种仲裁方法：（１）利用优先权仲裁，产生Busy信号，延缓一方的读写周期。（２）采用中断逻辑构成CPU间的信号连接，协调读写操作。（３）采用Semaphore逻辑，将双口RAM的读写权暂时交给首先申请的一方，禁止另一方的操作。本文采用了第三种方法，选用带Semaphore逻辑单元的IDT71342双口RAM芯片。

    带Semaphore逻辑单元的双口RAM使得读写操作不依赖其它仲裁逻辑，Semaphore逻辑单元和双口RAM单元在结构上是完全独立的。Semaphore逻辑单元用八个锁存器传递信号，和RAM一样是双口。它经过特殊设计，不会同时响应两个设置，只有置位的一端可以释放它，因此提供了一个传递分配标记的硬件方法。可以从两端对锁存器设置标记，表示对双口RAM某部分的使用权。所表示的占用RAM区的位置、大小均由软件决定。Semaphore单元的简化原理如图１。

    和其它两种双口RAM相比，本文的精密Ⅰ号控制器上采用Semaphore逻辑有以下优点：（１）可以对一个大型数据表作刷新，而不用考虑被另一端干扰。（２）在进行数据块读写时避免了Busy逻辑不断引起的wait周期，提高了快速性；读写长整数时不会被误读。（３）可以利用Semaphore信号表示其它意义的接口信号。

    ２ 读码和伺服电路设计

    从机器人本体来的信号主要有四个关节的增量码盘信号，一、二关节的绝对码盘信号、手爪气阀反馈信号、力传感器反馈信号等。所需的控制信号是四个电机的三相PWM输入。机器人一、二关节采用双定子变磁阻类步进电机直接驱动；三、四关节则用一种较特殊的三相直流无刷电机直接驱动，其本身不带自动换向电路，需由计算机根据码盘反馈改变电流，目的是减少力矩波动。此外还有关节抱刹开合、手爪开合等驱动信号。

    根据上述信号制成两块ISA总线扩展卡，主要功能是完成码盘信号（增量码盘信号和绝对码盘信号）输入／输出，产生驱动电流输出给电机，以及完成电路自身的故障诊断和自我保护。

    每块卡产生两个关节驱动器三相PWM信号的输出信号和驱动器上电、复位、故障检测等I/O动作信号。增量码盘脉冲的A,B,Z信号经D触发器整形后作四倍频处理，以提高精度。16位计数器根据A、B的相位作正负双向计数，计数值可由Z脉冲及电路板时钟脉冲锁存。绝对码盘共32个区，每区为周向七位编码，最后一位是奇偶校验，需要让各关节转动时才能读出。其输出为开关信号，由一路I/O口接入。电机MOSFET驱动器所需的三相PWM信号由四片8254产生，并经OC门电路输出。在原有驱动器上，我们用IRF250替换IRF640，并用2110替换MOSFET主回路H桥部分原有分离器件，提高了MOSFET的充、放电速度和驱动器的驱动能力。电路框图如图 2。PWM信号传送到H桥MOSFET IRF250构成的功率驱动器，驱动电机。

    ３ 系统软件研制

    PC机是在MS-DOS或Windows操作系统下工作的。MS-DOS是一个单任务操作系统，Windows则是分时多任务，均不能满足机器人规划、伺服同时进行的要求。为此，必须开发一个协调上、下位机各任务工作的实时监控程序，它作为DOS或Windows下的一个应用程序分别在两个系统上运行。

    本系统的软件主要由机器人语言编译模块、多任务监控模块、双系统握手通讯模块、伺服控制模块四部分构成，如图３。

    系统在上电启动后即初始化，建立双系统联系，根据Semaphore锁存器的值及双口RAM中的数据调度任务，对机器人进行初始定位后对机器人语言命令编译，分由上、下位机同时执行。

    下位机的各任务主要是初始定位、伺服驱动、根据机器人误差模型作实时补偿等。一般利用绝对码盘作初始定位的工作多在器人规划级进行，即由机器人上位计算机给出各关节的规划轨迹点，让伺服级软件据此驱动关节，同时上位机读取绝对码盘反馈以确定码区并修正轨迹点完成定位。鉴于本机器人所用电机的特殊性，为了进一步提高初始定位过程的可靠性，精确度和平滑程度，我们尝试将定位任务下放到伺服级，作为一个伺服任务，根据电机电角度实时修改三相电流相位。事实证明这种改进是有效的，很好地改善了原有系统初始定位过程不稳定、易飞车的状况。

    在伺服驱动部分，由于双定子变磁阻电机在一个电周期中磁阻变化，需要对其非线性作一定补偿，本文用制定力矩控制表的方法将一个电周期细分为3072 ，由下位机根据码盘表明的电角度实时调节电流值，有效地控制了电机力矩波动。