基于嵌入式系統(tǒng)和CAN總線的檢修機(jī)械臂控制系統(tǒng)

1、    基于嵌入式系統(tǒng)和CAN總線的檢修機(jī)械臂控制系統(tǒng)摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte蒸汽發(fā)生器(Steam Generator)是核動力裝置中一、二回路之

2、間的連接樞紐，也是核動力裝置運(yùn)行中發(fā)生故障最多的設(shè)備之一。蒸汽發(fā)生器的故障大多是由于各種腐蝕使傳熱管或管與管板接頭處發(fā)生泄漏，從而影響動力裝置的安全運(yùn)行。由于蒸汽發(fā)生器中存在放射性物質(zhì)，當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，人不能進(jìn)入其中進(jìn)行維修，這時(shí)就需要機(jī)械臂代替人完成維修工作。機(jī)械臂檢修系統(tǒng)即通過六自由度機(jī)械臂對蒸汽發(fā)生器內(nèi)部進(jìn)行檢修和維護(hù)。該機(jī)械臂有六個關(guān)節(jié)，六軸聯(lián)動；主要用于蒸汽發(fā)生器（SG）一回路側(cè)檢修活動。機(jī)械臂的手端裝有適配器，可以攜掛不同的檢修工具，即可根據(jù)需要對蒸汽發(fā)生器實(shí)施不同程度的維護(hù)。    由于該機(jī)械臂的工作環(huán)境的特殊性，所以對機(jī)械臂整個控制系統(tǒng)的可靠性提出了

3、更高的要求，這就需要良好的硬件電路設(shè)計(jì)、功能更強(qiáng)大的微處理器和更好的軟件實(shí)現(xiàn)方法。本文以蒸汽發(fā)生器六自由度檢修機(jī)械臂為應(yīng)用背景，給出六自由度檢修機(jī)械臂的硬件體系結(jié)構(gòu)和上下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)方法。在硬件上采用TI公司的TMS320LF2407處理器作為主控制芯片組成SMC控制器，采用工控機(jī)作為監(jiān)控計(jì)算機(jī)，SMC控制器與監(jiān)控計(jì)算機(jī)用CAN總線連接。監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要完成機(jī)械臂控制算法、數(shù)據(jù)記錄以及實(shí)時(shí)監(jiān)控，SMC控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的控制、傳感器數(shù)據(jù)采集與通訊功能。在軟件上，SMC控制器采用C/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，方便軟件系統(tǒng)管理和后續(xù)升級，在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上采用Visual C

4、+與OpenGL設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件。1 檢修機(jī)械臂系統(tǒng)描述    機(jī)械臂控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。                            系統(tǒng)主要由分布在三個區(qū)域的裝置組成。(1)位于核反應(yīng)堆廠房外面的集裝箱內(nèi)的配電系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)；(2)位于蒸汽發(fā)生器附近的SMC控制器，最大距離可達(dá)到

5、100m；(3)位于蒸汽發(fā)生器下封頭附近的機(jī)械臂本體、檢修工具、監(jiān)控?cái)z像頭，其中集裝箱與SMC控制器最大距離可達(dá)到150m。    下面介紹三部分之間的連接關(guān)系及主要功能。    (1)集裝箱與SMC控制器：由集裝箱內(nèi)配電系統(tǒng)向SMC控制器提供220VAC、48VAC等電源輸出；集裝箱內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)與SMC控制器采用現(xiàn)場總線通訊；集裝箱內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)向SMC控制器提供遠(yuǎn)程復(fù)位（Reset）信號；SMC控制器向集裝箱內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)提供自身工作狀態(tài)信號。    (2)SMC控制器與機(jī)械臂本體：SMC控制器向機(jī)械臂本體各直

6、流伺服電機(jī)分別提供PWM直流伺服驅(qū)動信號；SMC控制器向機(jī)械臂本體各旋轉(zhuǎn)變壓器提供中頻勵磁信號；SMC控制器向機(jī)械臂本體安裝偏差檢測電位器提供激勵信號；R旋轉(zhuǎn)變壓器向SMC控制器提供角度反饋信號；偏差檢測電位器向SMC控制器提供偏差檢測信號。    (3)集裝箱與機(jī)械臂本體：由集裝箱內(nèi)配電系統(tǒng)向機(jī)械臂本體供應(yīng)檢修工具電源、監(jiān)控?cái)z像頭電源、散熱裝置電源；SG附近監(jiān)控?cái)z像頭向集裝箱內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)提供監(jiān)控視頻。    由于機(jī)械臂控制算法計(jì)算量大、控制復(fù)雜，所以采用上、下位機(jī)的分布式控制方法來設(shè)計(jì)整個控制系統(tǒng)。2 硬件電路設(shè)計(jì) 

7、0;  機(jī)械臂控制系統(tǒng)有三個主要部件，即工控機(jī)、SMC控制器和機(jī)械臂本體。工控機(jī)主要負(fù)責(zé)機(jī)械臂控制算法、正反解算法、工作狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)記錄以及實(shí)時(shí)監(jiān)控，保持與SMC控制器中六個關(guān)節(jié)控制板的實(shí)時(shí)通訊；SMC控制器是機(jī)械臂的直接控制部件，它接收工控機(jī)通過CAN通訊傳過來的機(jī)械臂角度、速度及加速度信息，對機(jī)械臂本體進(jìn)行相應(yīng)的控制，同時(shí)將機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度及運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)通過CAN通訊傳給工控機(jī)，機(jī)械臂本體接收SMC控制器的指令，并按照指令要求做出機(jī)械動作，并將角度信號反饋給SMC控制器。2.1 控制器硬件電路設(shè)計(jì)    系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)處理器采用TI

8、公司的TMS320LF2407,它是TI公司新推出的高性能16位數(shù)字信號處理器，是24X家族中的新成員，專門為電極控制與運(yùn)動控制數(shù)字化實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)。完全履行CAN2.0規(guī)范，支持11位標(biāo)準(zhǔn)和29位擴(kuò)展標(biāo)識符，完全能滿足系統(tǒng)對電機(jī)控制與CAN通訊功能。                      (1)為了反饋關(guān)節(jié)電機(jī)的位置,提高控制精度,使系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，在電機(jī)軸上和減速器后分別安裝了一只

9、位置檢測元件旋轉(zhuǎn)變壓器，用旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）進(jìn)行軸角解碼，將關(guān)節(jié)的位置轉(zhuǎn)換成21位的自然二進(jìn)制碼送給DSP，實(shí)現(xiàn)位置反饋。    (2)電機(jī)選取瑞士MAXON公司的RE系列石墨電刷直流電機(jī)，額定電壓為24V，電源由一個24V的開關(guān)電源提供。電機(jī)驅(qū)動橋采用SA60脈沖調(diào)制型的運(yùn)算放大器，原理圖如圖3所示。它能給負(fù)載提供10A的連續(xù)電流，全橋運(yùn)放可在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作。               &

10、#160;            (3)關(guān)節(jié)電機(jī)電流檢測采用電流霍爾器件，經(jīng)過運(yùn)算放大器輸入到的/轉(zhuǎn)換中，用于檢測機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)是否過流，由此判斷關(guān)節(jié)電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)。2.2 通訊接口設(shè)計(jì)    總線是一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，通訊速率可達(dá)Mb/s，采用光導(dǎo)纖維作為通訊介質(zhì)，保證了通訊的速率與可靠性。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足一般系統(tǒng)控制命令、工作狀態(tài)及檢測數(shù)據(jù)通訊的要求。同時(shí)8個字節(jié)不會占用總線時(shí)間過長、保證了通訊的可靠性。根據(jù)整個機(jī)械臂控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，把

11、工控機(jī)設(shè)為主控節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制節(jié)點(diǎn)之間的通訊，對關(guān)節(jié)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。    工控機(jī)與機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制節(jié)點(diǎn)之間采用問答式的通訊方式，工控機(jī)將計(jì)算的各關(guān)節(jié)角度傳給關(guān)節(jié)控制板，之后控制板將機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的角度信息傳給工控機(jī)，數(shù)據(jù)交換完畢后控制板根據(jù)收到的角度信息控制機(jī)械臂。工控機(jī)與關(guān)節(jié)控制板之間每隔0.1s交換一次數(shù)據(jù)，工控機(jī)每次都根據(jù)收到的角度信息進(jìn)行正反解計(jì)算。    (1)CAN總線驅(qū)動器采用PCA82C250，它是協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，該器件對總線提供差動發(fā)送能力并對CAN控制器提供差動額接收能力，原理圖如圖4

12、所示。CAN總線與DSP接口電路圖如圖5所示。                                              &

13、#160;        (2)工控機(jī)與DSP板的CAN通訊采用CAN接口卡，其作用是給計(jì)算機(jī)增加CAN-Bus現(xiàn)場總線接口功能。3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)    機(jī)械臂控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：下位機(jī)控制器的控制軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)    C/OS-II是專門為微處理器設(shè)計(jì)的一種搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)相比，其利用多任務(wù)管理、任務(wù)間同步與通信等特點(diǎn)，可以在一定程度上提高系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，滿足機(jī)械臂

14、控制系統(tǒng)對位置信息采集、通訊以及電流采集的實(shí)時(shí)性要求。    軟件以TMS320LF2407的定時(shí)器作為操作系統(tǒng)的時(shí)鐘中斷源，中斷周期為1ms。創(chuàng)建位置環(huán)任務(wù)、速度環(huán)任務(wù)、/轉(zhuǎn)換任務(wù)、通訊任務(wù)和角度采集，根據(jù)機(jī)械臂系統(tǒng)的工作特性和功能要求，系統(tǒng)任務(wù)劃分如圖所示。系統(tǒng)任務(wù)間的通信和同步用到的系統(tǒng)服務(wù)有消息郵箱和信號量。信號量用于控制共享資源的使用權(quán)及激發(fā)其他任務(wù)的產(chǎn)生，消息郵箱用于通知任務(wù)的產(chǎn)生；本系統(tǒng)中的任務(wù)分為三種:定時(shí)產(chǎn)生的任務(wù)，由其他任務(wù)激活而不需要等待的任務(wù)，由中斷觸發(fā)產(chǎn)生的任務(wù)。圖同時(shí)也反映本系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度情況。   

15、0;                    3.2 機(jī)械臂控制器設(shè)計(jì)    機(jī)械臂控制原理框圖如圖7所示。                      

16、    控制器由串聯(lián)的三個環(huán)構(gòu)成，其中包括兩個模擬內(nèi)環(huán)（電流環(huán)，速度環(huán)）和一個控制環(huán)。    控制算法綜合采用積分PID控制算法和帶死區(qū)PID控制算法：積分分離PID控制算法既能保證系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，又有較高的控制精度；帶死區(qū)PID控制可使機(jī)械裝置運(yùn)動到位后，控制作用不會頻繁變動，避免不必要的機(jī)械磨損。這兩種控制算法魯棒性好、可靠性高、算法簡單，能滿足系統(tǒng)的控制要求。3.3 系統(tǒng)main函數(shù)結(jié)構(gòu)框架    在主函數(shù)中用OSTaskCreate( )函數(shù)建立初始化任務(wù)Task Init( )，初始化任務(wù)

17、中建立一系列的信號量和郵箱，喚醒時(shí)鐘中斷任務(wù)。建立置環(huán)任務(wù)、速度環(huán)任務(wù)、電流環(huán)任務(wù)、/轉(zhuǎn)換任務(wù)、通訊任務(wù)和角度采集等任務(wù)。在C/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核下整個程序的結(jié)構(gòu)框架如下：    Viod main(void)             /主函數(shù)             硬件初始化；     

18、0;   OSInit()；             /內(nèi)核的初始化         調(diào)用OSTaskCreate( )創(chuàng)建初始化任務(wù)Task Init( )；          OSStart( )；       &#

19、160;  /開始多任務(wù)調(diào)度        Viod TaskInit(void * data)  /任務(wù)初始化            硬件時(shí)鐘初始化；        創(chuàng)建用戶任務(wù)；        定時(shí)檢查系統(tǒng)的狀態(tài)；      

20、  定時(shí)復(fù)位看門狗；        ISR/中斷服務(wù)程序           保存處理器寄存器的值；       OSIntEnter( )；       執(zhí)行中斷函數(shù)；       OSIntExit( )；     

21、  恢復(fù)處理器寄存器的值；       中斷返回；    3.4 工控機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)    監(jiān)控軟件功能模式分為安裝、工作、調(diào)試模式。工作、安裝模式分為實(shí)和虛兩種模式。工作過程是指機(jī)械臂腳趾已經(jīng)插到管板孔中并脹緊、機(jī)械臂處于倒掛狀態(tài)后，完成堵管和其他檢測的工作過程。安裝過程是指機(jī)械臂進(jìn)入人孔，其四個腳趾安裝到管板孔并脹緊的過程。虛模式是計(jì)算機(jī)三維仿真，不控制實(shí)際的機(jī)械臂。實(shí)模式給控制器發(fā)各種數(shù)據(jù)和信息，通過控制器對機(jī)械臂的運(yùn)動和操作進(jìn)行控制，實(shí)際機(jī)械臂的位置和姿態(tài)與三維仿真保持一致。