直流伺服电动机运用PC104总线控制

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３７卷第６期　东北农业大学学报　３７（６）：８１３￣８１５　２００６年ｌ２月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２００６　文章编号１００５—９３６９（２００６）０６—０８１３—０３　直流伺服电动机运用ＰＣ１０４总线控制　司震宇　，王立舒　（Ｉ・东北农业大学网络中心－焉龙江哈尔滨１５００３０：２．东北农业大学工程学院．黑龙江哈尔滨ｌ５００３０）　摘要：在ＰＣ１０４总线控制下，应用运动控制芯片ＬＭ６２９和电动机驱动芯片ＬＭＤ１８２００实现了直流伺服电动　机的控制。文章介绍了电动机控制系统的组成、电机控制板和系统控制软件。谊控制系统具有体积小、功能强、　反应速度快和控制简单等特点，可以应用在小型移动机器人的运动控制系统上。　关键词：ＰＣ１０４总线；电机控制；伺服电机；移动机器人　中图分类号：ＴＰ２４；ＴＭ３２　文献标识码：Ａ　伺服电机是一种受输入电信号控制、并具有快　为决策的基础，移动机器人的电动机控制系统总体　速响应的电动机。实际使用时通常经齿轮减速后带　结构如图１所示。　动负载，在系统中作执行元件，因此伺服电机叉称　执行电动机【ｌ】。伺服电机具有结构紧凑、控制容易、　运行稳定、响应快等优异特性，已越来越成为现代　工业自动化系统中的一个重要执行元件。在自动化　程度高、需精确控制速度、位置、力矩等的场合，　如印刷机械、造纸机械、纺织机械、工业机器人、　高速电梯、数控机床等重要行业中，得到了普遍的　应用１２］。随着大规模集成电路制造工艺的迅速发展，　微机的性能越来越高，价格越来越便宜，此外，电　力电子技术的发展，也使大功率电子器件的性能迅　速提高。因此，电机的控制，特别是机器人的电机　控制，越来越多地采用微机控制的方式四。由于普通　Ｐｃ机存在着体积庞大、功耗高、可靠性差等缺点难　以应用于工业现场控制中，因此，１９８７年有关厂家　左轮电机右轮电机　执翟　推出了ＰＣ１４０总线模块，因其具有体积小、功耗　图１电动机控制系统　低、可靠性高等优点而受到控制工程界的普遍重视，　Ｆｉｇ．１　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　其应用领域正在逐步扩大问。本文介绍了应用ＰＣ１０４　总线和运动专用芯片实现的直流伺服电动机的控制　系统主要由直流电动机、电机控制板、嵌入式　系统，实践证明该系统具有很好的控制性能。　计算机主板、电动机驱动程序和机器人运动控制程　１　电动机控制系统的组成　序组成。左轮电机、右轮电机通过皮带连接左右轮　子构成机器人的移动系统；位于机器人顶部的摄像　电动机控制系统是移动机器人运动控制和行　机安装在具有一维自由度的云台上，摄像机云台电　机控制云台使摄像机能围绕机器人车体中心水平旋　收稿日期：２００５—０４—０８　基金项目：黑龙江省科技厅课题（１０５３　１０１　８）　转±１６５￣；上述三个电动机型号完全相同，选用　作者简介：司震宇（１９７７一），男，黑龙江人。助工，主要从事　的是Ｆａｕｌｈａｂｅｒ公司生产的３０４２直流电动机。而机　网络技术方面的研究工作。　‘　器人执行装置电机只需要小功率的微型直流电动　维普资讯 http://www.cqvip.com 东北农业大学学报　第３７卷　ａｓｓｒｏｂｏｔ由三　机，ＰＣ１４总线输出控制电平通过功率ＭＯＳＦＥＴ直　机和摄像机云台电机，运动控制程序ｃｌ０ｌａｓｓ　ｍｏｔｏｒ对象组成。ｃｌｓｓａ　ｒｏｂｏｔ根据机器人的高　接驱动该电机带动执行装置旋转；电机控制板通过　个ｃ　ＰＣ１４总线接收控制指令，向电动机发送各种控制　层决策结果把所要完成的动作分解成基本动作序列，０信号，完成对电动机的反馈控制或执行装置的起停　控制；嵌入式计算机是移动机器人控制决策的核心，　完成机器人的所有控制功能。由于电机控制板使用　依次完成一系列基本动作就实现了各种运动任务。　２　电动机控制板　电动机控制板是电动机控制系统的重要组成部　了高性能的运动控制芯片，电机驱动程序只需要对　电机控制板设定一些运动轨迹参数，运动控制程序　分，负责直接向左轮、右轮和摄像机云台三个直流　根据机器人的运动模型，协调控制各个电动机，使　电动机发送ＰＷＭ速度控制信号并接收电机光电编　机器人完成一些基本的动作。ＰＣ　１０４是一种专门为　码器的码盘反馈，从而实现了三个电动机的速度闭　嵌入式控制而定义的工业控制总线，近年来在国际　上广泛流行，被ＩＥＥＥ协会定义为ＩＥＥＥ—Ｐ９９６．１圈。　环控制。而执行装置电机采用直接控制方式，高电　平控制电动机工作，低电平使电动机停止。电机控　制板通过ＰＣ１０４总线与嵌入式主控计算机相连，　为上层控制软件提供比较简单的控制指令接口。　ＰＣ１４有两个版本，８位ｐＣ１００４共有６４个总线管脚　（单列双排插针和插孔）；１６位为６４＋４０＝１０４个总　线管脚（双列双排插针和插孔），有效信号线和控制线　完全与ＰＣ、ＰＣ／ＡＴ兼容。其中的６４脚也可单独使　用，另外４ｏ脚短插座主要连接扩展地址Ａ２０～Ａ２３，　电机控制板的核心部件是美国国家半导体公司　生产的运动控制专用芯片ＬＭ６２９和Ｈ桥组件　ＬＭＤ１８２００。ＬＭ６２９是为使用增量式编码器作为位置　使系统可以访问在Ｉ／Ｏ插座的多达１６　Ｍ字节的存储　反馈信号的各种直流或无刷直流伺服电机伺服系统　或其它伺服机构而设计的。ＬＭ６，２９的ＰＷＭ　ＭＡＧ（１９　脚）输出ＰＷＭ信号。ＰＷＭ　ＳＩＧＮ（１８脚）输出ＰＷＭ　器。此外，还提供数据总线的高８位和用于１６位传　输的ＤＭＡ通道４～７。６４脚和４Ｏ脚共同使用，主要　用于连接１６位传输的ＹＯ设备。　机器人的软件系统在Ｗｉｎｄｏｗｓ环境中采用面向　的方向信号，两个管脚共同对Ｈ桥功率开关作ＰＷＭ　控制。Ｈ桥功率放大器ＬＭＤ１８２００芯片上集成有　ＣＭＯＳ控制电路和ＤＭＯＳ功率器件，峰值输出电流　高达６Ａ。连续输出电流达３Ａ，工作电压最高可达　５５Ｖ，具有温度报警、过热与短路保护功能。由　ＬＭ６２９和ＬＭＤ１８２００组成的直流伺服电动机控制原　理见图２。有关ＬＭ６２９的控制指令以及ＬＭＤ１８２００　对象的Ｖｃ＋＋语言开发实现，应用软件由电机驱动　程序和机器人运动控制程序组成，分别被封装成相　应的Ｃ＋＋类：ｃｌａｓｓ　ｍｏｔｏｒ和ｃｌａｓｓ　ｒｏｂｏｔ。驱动程序　ｃｌａｓｓ　ｍｏｔｏｒ负责操作电机控制板上的运动控制芯片　ＬＭ６２９，一个ｃｌａｓｓ　ｍｏｔｏｒ对象控制一个ＬＭ６２９。电　机控制板有三个ＬＭ６２９分别控制机器人左、右轮电　外电路应用的详细信息可参阅其数据手册。　圈２电机驱动板原理　Ｆｉｇ．２　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒ　ｄｒｉｖｅｒ　ｔｒｉｇｇｅｒ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期　司震宇等：直流伺服电动机运用ＰＣ１０４总线控制　・８１５．　移动机器人上安装了三个直流伺服电动机分别　化ＬＭ６２９寄存器参数、设定加速度、设定ＰＩＤ滤波　驱动左右动力轮和上部摄像机云台，故电机驱动板　器参数和运动轨迹参数，然后ＬＭ６２９按照预定参　上集成了三组由ＬＭ６２９和ＬＭＤ１８２００构成的伺服　数输出ＰＷＭ控制信号完成对电动机的ＰＩＤ控制。　电动机控制电路。三片ＬＭ６２９的片选、指令口或　数据口选择等信号的逻辑控制通过可编程逻辑芯片　４　结　论　对ＰＣ１０４总线的地址总线译码获得。　电动机控制系统采用ＰＣｌ０４总线进行控制，　３　系统控制软件　克服了采用单片机、ＤＳＰ等作为底层控制，再通过　串口或并口与主控计算机相连实现控制的缺点，总　电机驱动软件流程图见图３。　线控制可以直接控制，无论从软件和硬件的角度考　虑，都具有效率高、响应快、控制简单等优点。本　文介绍的直流伺服电动机控制系统已经应用于全自　主足球机器人上，效果很好，适当改进也可以应用　于其它小型控制装置中。　［参考文献］　【ｌ】陈进，许建风，杨志兵．伺服电机的直接数字控制［Ｊ】．控制工　程，２００３，１Ｏ（２）：１７９—１８１．　【２】张新华，李伟，刘强，基于ＣＡＮ总线的伺服电机通信控制『ＪＪ＿　机电工程，２００３，２Ｏ（１）：３９－４１．　图３电机驱动程序流程　【３】柯建伟，同嘉农，姚雪峰，等．用于机器人伺服电机的ＰＷＭ功　Ｆｉｇ．３　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒ　ｄｒｉｖｅｒ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｆｌｏｗ　率接口的设计与实现『Ｊ】＿昆明理工大学学报：理工版，２００３，２８　（３）：８５－８８．　通过ＰＣ１０４总线直接操作ＬＭ６２９，从而实现　【４】吴剑秋，梁晓阳，杨钰．基于ＰＣ１０４总线的航空测试系统ＬＩｌ电　对电动机的运动控制。驱动软件的主要任务是初始　子技术，２００２（５）：１　１—１２．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｅｒｖｏ　ｍｏｔｏｒ　ｒｕｎ　ｏｎ　ＰＣ１０４　ｂｕｓ　ＳＩ　Ｚｈｅｎｙｕ　，ＷＡＮＧ　Ｌｉｓｈｕ　（１．Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　１５００３０，ＰＲＣ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｌａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　１５００３０，ＰＲＣ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ＤＣ　ｓｅｒｑｏｍｏｔｏｒｓ　ａｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｗｉｔｈ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ＬＭ６２９　ａｎｄ　ｍｏｔｏｒ　ｄｒｉｖｅ　ｃｈｉｐ　．ＬＭＤ　１８２００　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＣ　１０４　ｂｕｓ．Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂｏａｒｄ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｓｍａｌｌ　ｖｏｌｕｍｅ，ｐｏｗｅｒｆｕｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｆａｓｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎｄ　ｅａｓｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｉｓ　ａｂｌｅ　ｔｏ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｓｍａｌｌ　ｔｙｐｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ｒｏｂｏｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＣ　１０４　ｂｕｓ；ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｅｒｖｏ　ｍｏｔｏｒ；ｍｏｂｉｌｅ　ｒｏｂｏｔ