基于arm處理器的四軸伺服電機運動控制卡及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及信息技術與自動化控制技術領域，具體涉及一種低成本的四軸伺服電 機運動控制卡，其充分利用ARM處理器內部定時器資源，通過定時器的定時、脈沖計數、脈沖 輸出等功能，實現精確脈沖數控制、輸出，使得機器人獲得較高的定位精度。
【背景技術】
[0002] 機器人控制系統的實現，目前多采用上位機+運動控制卡的形式，運動控制卡是機 器人控制系統的核心，廣泛應用于包括搬運設備、數控加工設備、串并聯機器人等自動化設 備。運動控制卡一般具有脈沖輸出、脈沖計數、數字輸入輸出、D/A輸出等功能，可以發出連 續脈沖串控制伺服電機驅動器，通過改變發出脈沖的數量控制電機的位置，因此，精確脈沖 數控制對于運動控制卡來說至關重要，直接關系到機器人運動精度和生產產品的質量。
[0003] 目前，國內外已經制造出較多型號的伺服電機運動控制卡并在市場上銷售，一般 是采用數字信號處理器DSP，專用集成電路ASIC或可編程邏輯器件FPGA/CPLD實現，如美國 Delta Tau Data System公司生產的四軸運動控制卡PMAC PCI Lite，采用DSP實現，固高科 技的四軸運動控制卡采用DSP+FPGA實現，上述運動控制卡單臺價格都相對比較昂貴，而且 系統設計復雜，設計成本較高。另外，在脈沖輸出控制方法上，通過定時，在定時時間內輸出 要求脈沖個數的方式是目前常采用的一種方法，但這種方法，會導致脈沖個數出現誤差，影 響運動控制卡精度。
[0004]為此，有必要開發一種低成本，可靠性高，系統設計簡單，能夠進行精確脈沖數控 制輸出的運動控制卡。

【發明內容】

[0005] 為了完善伺服電機運動控制卡的功能，降低伺服電機運動控制卡成本，使運動控 制卡能夠快速準確的驅動多個伺服電機和機器人本體完成相關作業，本發明提出了一種機 器人的低成本四軸伺服電機運動控制卡，該運動控制卡采用ARM處理器實現，充分利用ARM 處理器內部定時器資源，實現四個伺服電機的同步控制，同時利用定時器的定時、脈沖計 數、脈沖輸出等功能，實現精確脈沖數控制、輸出，使得機器人獲得較高的定位精度。
[0006] 本發明提出的一種基于ARM處理器的四軸伺服電機運動控制卡，其包括ARM處理器 以及以ARM處理器為控制核心的外圍模塊，所述外圍模塊包括電源模塊、脈沖輸出模塊、編 碼器接口模塊、抱閘接口模塊、伺服電機狀態反饋模塊、AD/DA模塊、伺服電機驅動模塊、控 制信號輸入輸出模塊和人機交互通信模塊：
[0007] 所述的脈沖輸出模塊包括四個原理相同的對應每個軸的脈沖輸出單元，每一個脈 沖輸出單元使用ARM處理器的兩個定時器A和B，其中定時器A工作于PWM生成模式，定時器B 工作于脈沖計數模式，通過ARM處理器定時器A產生PWM方波信號，并將生成的PWM方波信號 接回到定時器B的時鐘輸入引腳作為其外部時鐘源，將上述兩路信號通過與第一非門電路 后形成反相PWM方波信號，同時設置定時器B的輸出引腳與計數器溢出狀態關聯，作為脈沖 輸出使能信號通過第二與非門電路后與反相PWM方波信號一同接入第三與非門電路，第三 與非門電路的輸出作為脈沖輸出模塊的輸出信號；
[0008] 所述的編碼器接口模塊包括差動驅動器電路，伺服電機驅動器輸出的編碼器信號 經過所述差動驅動器電路送入ARM處理器中，ARM利用片內定時器進行脈沖計數，得到電機 當前位置；
[0009] 所述的抱閘接口模塊，利用伺服電機驅動器輸出的電磁剎車控制信號控制繼電器 通斷，控制抱閘電源的接通和斷開；
[0010] 所述的伺服電機狀態反饋模塊，利用伺服驅動器的串列通訊功能，通過ARM處理器 的串口，與伺服驅動器進行通信；
[0011]所述的AD/DA模塊包括AD/DA轉換電路和信號調理電路；
[0012 ] 所述的伺服電機驅動模塊包括差動驅動器電路和光耦電路，所述差動驅動器電路 用于將脈沖輸出模塊輸出的PWM脈沖信號和ARM處理器輸出的方向控制信號轉換形成脈沖 和方向的差動信號，所述光耦電路用于將所述ARM處理器輸出的控制信號光耦隔離后形成 兩路控制信號；
[0013] 所述的控制信號輸入輸出模塊包括線性光耦電路和驅動電路，其中來自外部設備 的輸入信號通過線性光耦電路送入ARM處理器進行外部設備狀態讀取后，通過人機交互模 塊發送到上位機進行狀態顯示和監控，ARM處理器產生的輸出信號通過線性光耦電路實現 強弱電隔離，通過驅動電路實現功率放大后控制繼電器，繼電器控制外部設備的動作，實現 使機器人與外部設備的配合作業。
[0014] 本發明提出的利用如上所述的運動控制卡控制機器人的方法，包括：
[0015]通過人機交互通信模塊，接收上位機命令，對其進行解析，得到各關節需要運動到 的位置；
[0016] ARM處理器利用關節空間的軌跡插補方法在相鄰關節點之間插補出多個點，經過 關節空間的軌跡插補方法后生成每個伺服周期關節需要運動的位置、速度和加速度，通過 脈沖輸出模塊和伺服電機驅動模塊控制伺服電機運動，同時通過編碼器接口模塊讀回各電 機位置進行顯示，通過控制信號輸入輸出模塊控制外部設備配合機器人進行作業。
[0017] 本發明的有益效果是，通過ARM控制器內部定時器的配合，通過精確控制發送給伺 服電機驅動器的脈沖數，從而保障了電機運動的精度，使機器人能準確的完成作業。并且能 夠在作業過程中，實時采集測量數據，便于對生產過程進行監控。此種運動控制卡的使用， 相比于市面上的其他類型控制卡，在大大提高控制精度的基礎上，能夠將運動控制卡的成 本大幅降低，使機器人更低成本，更準確的完成作業。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發明中基于ARM處理器的四軸伺服電機運動控制卡的結構框圖。
[0019]圖2是本發明一實施例中中基于ARM處理器的四軸伺服電機運動控制卡的電路連 接圖。
[0020]圖3是本發明中軌跡插補算法流程圖。
【具體實施方式】
[0021] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0022] 下面結合附圖對本發明進行進一步說明。
[0023] 如圖1和2所示，本發明提出了一種機器人的四軸伺服電機運動控制卡，包括ARM處 理器1以及以ARM處理器1為控制核心的外圍模塊，所述外圍模塊包括電源模塊2,脈沖輸出 模塊3、編碼器接口模塊4、抱閘接口模塊5、伺服電機狀態反饋模塊6、ADDA模塊7、伺服電機 驅動模塊8、控制信號輸入輸出模塊9和人機交互通信模塊10。
[0024]所述的電源模塊2用于提供電源，其采用外部24V直流開關電源11為輸入源，通過 DCDC變換器產生一路+5V電源12、一路+3V電源13、一路+15V和-15V電源14、一路+3.3V電源 15和一路24V電源16,其中，+5V電源12為光耦電路及人機交互通信模塊10供電，+15V和-15V 電源14為ADDA模塊7的信號調理電路提供電源，24V電源16為電機抱閘電路5提供電源，+ 3.3V電源15采用LT1763CS8-3.3芯片產生，用于為ARM處理器供電，+3V電源13采用REF3030 芯片產生，其作為AD、DA轉換芯片的參考電壓。
[0025] 所述的脈沖輸出模塊3,如圖2所示的U2A、U2B、U2C以及ARM處理器的第25、26和31 引腳，實施過程中，U2A、U2B和U2C為SN74HC132D四路與非門芯片中的三路與非門，ARM處理 器第31引腳用作定時器13通道1功能(??Μ13_α)連接到U2的第4引腳，ARM處理器第25引腳 用作定時器9通道1功能(HM9_C1)與U2的第5引腳相連，ARM處理器第26引腳用作定時器9通 道2功能(HM9_C2)與U2的第9和第10引腳相連，U2的第4和第5引腳相連，U2其中一路與非門 U2B的輸出第6引腳連接到U2的第1引腳，U2另一路與非門U2C的輸出第8引腳連接到U2的第2 引腳，U2第3引腳為脈沖輸出模塊的輸出端。其工作原理如下:脈沖輸出模塊由四個原理相 同的對應每個軸的脈沖輸出單元（圖2中U2A、U2B、U2C以及ARM處理器的第25、26和31引腳為 其中一軸對應的脈沖輸出單元)組成，每一個脈沖輸出單元使用ARM處理器的兩個定時器， 控制第一軸伺服電機的定時器為定時器9和定時器13，ARM處理器定時器13配置為PWM生成 模式，ARM處理器定時器9配置為脈沖計數模式，定時器13產生PffM方波信號，將生成的PffM信 號接回ARM處理器定時器9時鐘輸入引腳作為其外部時鐘源，將上述定時器9和13的兩路信 號通過與非門電路U2B后形成反相PffM方波信號，同時在定時器配置程序代碼中設置定時器 9的輸出引腳與計數器溢出狀態關聯，作為脈沖輸出使能信號通過與非門電路U2C后與反相 PffM方波信號一同接入與非門電路U2A，與非門電路U2A的輸出作為脈沖輸出模塊的輸出信 號。當定時器9脈沖計數未達到要求輸出的脈沖數時，定時器9通道2輸出的脈沖輸出使能信 號為低電平時，脈沖輸出模塊輸出PWM脈沖信號；當定時器9脈沖計數達到要求輸出的脈沖 數時，定時器9通道2輸出的脈沖輸出使能信號反轉為高電平，脈沖輸出模塊輸出高電平，脈 沖停止輸出，此時發送到伺服電機驅動器