【分　 类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 机械手；关节运动控制；模块
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正文：
摘要：以机械手腕关节为研究对象，选用LM629N芯片对机械手的关节运动控制进行设计，设置关节运动控制的轨迹参数，对LM629N校正滤波器和读写操作进行研究，设计出关节运动控制电路，组成关节伺服控制系统的一个模块，实现高精度位置控制的机械手关节半闭环控制。
关键词：机械手；关节运动控制；模块
Manipulator joint exercise control module design
Abstract：By mechanical wrist as the research object， manipulator motion control of LM629N chip selected joints is designed, joint exercise control of trajectory parameters is set, Calibration of filter LM629N and read and write operations are researched, a joint exercise control circuit is designed, which composed Joint servo control system of a module, high-precision position control of manipulator joint semi-closed-loop control has been achieved.
Key words: Manipulator; joint exercise control; module
机械手是五自由度串联机构机械手，各个关节控制原理相似，以腕关节控制为研究对象设计机械手的关节运动控制。关节运动控制采用关节伺服控制器实现对直流电机的精确控制；关节伺服控制由关节运动控制模块、电机驱动模块、位置检测模块组成。本文将设计关节运动控制模块。
1 关节运动系统设计
如图1所示为电机专用控制芯片组成的伺服系统，利用电机专用控制芯片来完成电机的控制算法和运动轨迹规划，通过通用控制器来监控电机的运行状态，直流电机专用控制芯片有许多，在机械手关节伺服控制中常用的有LM628/629^[1]等。
 

STM32F103

LM629N

L298N

直流电机

增量式光电编码器

关节

图1 电机专用控制芯片组成的伺服系统

Fig. 1 motor control chip composed of a dedicated servo system
控制器采用STM32F103系列MCU，STM32F103系列采用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN，具有很好的扩展性。
2 关节运动控制单元
主机通过8位I/O口及6根控制线与LM629N进行通信以控制LM629N内部PID控制器及速度图编程，LM629N输出PWM信号及方向信号可直接驱动桥式电路以驱动电机，增量式编码器提供闭环控制反馈信号，梯形图发生器计算出位置或速度模式下所需控制的运动轨迹^[2~4]。
3 LM629N的硬件总体结构
除了一个与主机相连的输出接口，LM629N还包括4个主要的功能模块，它们是梯形速度生成器、PID循环补偿滤波器、求和结点、电机位置解码器。LM629N微处理器的组成如图2。控制算法以16位宽指令存储在一个1K×16位的ROM中。一个PLA(可编程逻辑阵列)将这些指令解码，并且为16位数据和指令总线提供时序信号。用户变量滤波器和轨迹轮廓参数以32位双字节形式存在RAM中。位置值的存储采用一个32位寄存器，能提供足够的运动范围并且满足一致性要求。速度和加速度值也采用32位的。一个32位的ALU被用来支持误差和PID数字滤波器系数之间的16×16位相乘。所有的计算都是以32位为基础的，确保运算的精度。

图2 LM629N微处理器的组成

Fig.2 The composition of the microprocessor LM629N
LM629N为光学增量编码器提供一个接口，接收编码器输出的两个正交数字脉冲信号和一个标记脉冲信号^[3~5]。两个正交信号用来跟踪电动机的绝对位置，它们组成四个不同的逻辑状态，此逻辑状态的每一次改变，相应的LM629N内部位置寄存器增加或减少一个数。这样，系统的分辨率比该编码器条文数高4倍。
LM629N内部的PLA除了根据正交脉冲信号决定电机前进、后退、停止，并且驱动一个16位的加、减计数器对电机的实际位置进行跟踪。
4 关节运动控制轨迹参数设置
4.1 运动控制原理
直接向控制芯片输入目标位置，加速度，最大速度的值，由内部的速度波形发生器生成速度波形曲线(包括升速、恒速、降速二个阶段)，降速结束时恰好到达目标位置。然后以速度波形曲线求出位置值作为位置指令，进行PID控制，从而获得一个稳定的控制过程。
4.2 轨迹参数设置
LM629N用计数(4倍的译码线)和采样(采样间隔=2048/fCLK)作为速度和时间的表示单位，因此速度用计数/采样表示，加速度用计数/采样/采样。
所有的给定的轨迹参数都是32位值，位置是一个带符号的量，而速度和加速度则定义为由16位整数和16位小数部分组成的正数。速度的整数部分是表示每次采用间隔电机转过的圈数，小数部分则表示每次采样间隔附加的小数部分的计数。这样就提高了平均速度的精度。对于加速度来说，也是如此。
腕关节设置轨迹参数如下：
配备每转500线编码器的电机，要求1r/s²加速度至600r/m，最后减速并精确地停在起始位置100r的位置。轨迹参数计算如下：
设P为目标位置(单位:编码器计数)，R为每传计数(编码器线数×4)，则有：
R=500×4=2000
P=2000×100=200000；P(16进制)= 00030D40H(写入LM629)
对于8M时钟，采样时间T=2048/8=256us
设V为速度(计数/采样)，则有：V=RT×期望值=2000×256×10^-6×600/60=5.12(计数/采样)
换算为32位值：V=5.12×2¹⁶=335544.32=51E68(16进制)
设A为加速度(单位：计数/采样/采样)
A=RTT×期望值的加速度=2000×256×10^-6×256×10^-6×1=1.31×10^-4(计数/采样/采样)
换算为32位值：A=1.31×10^-4×2¹⁶=9(计数/采样/采样)
4.3 LM629N校正滤波器
LM629N使用数字比例，微分，积分滤波器来校正控制环，电机通过比例，微分，积分误差产生的回复力矩来驱动电机。式（1.1）差分方程说明了LM629N控制的控制性能。

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