ＰＩＤ前馈控制器的算法如图４所示，公式为：
坼（ｆ）＝群（“ｆ）＋专丘，渺＋％警）＋巧（‰（ｏ一咯（ｆ））
式中，Ｋ是比例常数：乃是积分常数％是微分常数，
％＋ｌ Ｏ）为第ｋ次采样时所给定的ｋ＋１时刻的指令位置值，
巧为前馈系数－
由于计算机控制是一种采样控制，所以数字ＰＩＤ控
制是根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此上式中的 积分项和微分项要进行离散化处理，离散的ＰＩＤ表达式 为：
Ｔｈｅ ＤｅＶｅＩｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃａｒｄ Ｂａｓｅｄ
ｏｎ
Ｃ８０５１
Ｗａｎｇ Ｔｉｎｇ
Ｙａｏ Ｃｈｅｎ
Ｌｉ
Ｘｉａｏ胁
Ｂａｉ Ｈａｉｃｈｅｎｇ
（ＳｌＱｔｅ｝ｃｅ）｝Ｌ曲ｏｒｄｔｏｒｙ巧Ｒ曲ｏｌｉｃｓ Ｓｈｅ唧ｎｎｇ ｌｎｓｔｉｌＨｔｅ可ＡＨｔｏｍｎｔｉｏｎ Ｃｈｉ№ｓｅ Ａｃｄｄｅｍ），《Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｓｈｅ唧ｎ曙ｉｉｏｏｊ６ Ｃｈｉ∞）
第２９卷第８期增刊仪器仪表 Nhomakorabea学
报
ｖｏＩ．２９Ｎｏ．８
兰塑！笙苎星
篁垫ｌ翌兰塑！全坚婴垒！竺！墨里！！里堑！！！！翌堑坐里呈坐
垒竺墨：三塑墨
基于Ｃ８０５ １的运动控制卡研制和应用
王挺 姚辰 李小凡
中科院沈阳自动化所，
白海城
沈阳
１１００１６）
（机器人学国家重点实验室
摘要：本文针对排爆机器人手臂多关节联动控制的需要，开发了一种具有高集成度的基于ｃ８０５１单片机和ＣＡＮ总线的 运动控制卡。介绍了运动控制卡的原理及实施方案，同时给出了运动控制卡在机器人平台的应用实例。在排爆机器人平台 上的应用表明该运动控制卡具有较高的精度及很好的可靠性和实时性。 关键词：ｃ８０５ｌ ＣＡＮ总线运动控制卡
ＫＢ
物图，幽３为采Ｈｊ该运动控制模块进行手臂控制
的国家８６３计划支持项目“灵豹”排爆机器人及控 制器，圈中机器人人臂一删可以看到一个外置的
ｕｒ在系统编科
的ＦＩ壮ｈ内存．４３５２ｒ４Ｋ＋２５６１字节的片内ＲＡＭ，
运动控制模块。机器人手臂通过运动动控制卡实 现了对多关节的高丰卉度联动控制。
－４寻址６４ＫＢ地址空间的外部数据存储器接口， 硬件实现的ｓＰＩ、ｓＭＢｍ／Ｉ ２ｃ和２个ｕＡＲＴ申 行接口；５个通Ｊ１ｊ的１６位定时器，６个捕捉／比 较模块的可编科计数器／定时器数组，片内看门 狗定叫器、ｖＤＤ监视器、时钟振荡器和温度传癌
ｒｅｌｉａｂｉｌｉ谚ａｎｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃ８０５ ｌ
ｐｅｒｆｏ册ａｎｃｅ．
ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｒｄ
ＣＡＮ ｂｕｓ
器采用的是ＡＤＷ州ＣＥＤ １引言
排爆机器人的机械臂控制是工业机械臂在移 动载体上和在非结构环境中的一种特殊应用。与 典型的工业机械臂设备相比，排爆机器人的机械
ｊ
３硬件系统设计
ｃ８０５ＩＦ０６０是ｓⅢｃｏｎ ＬａｂｏｍＩｏｒＩｅｓ公司推出
的完全集成的混合信号片上系统型Ｍｃｕ…。具 有５９个数字Ｉ／Ｏ引脚，片内集成了２个１６位、 ｌＭｓ叩的ＡＤｃ；有与高速流水线鲒构的８０５ｌ兼
容的ｃＩ卜５ｌ内核ｒ可达２５ＭｌＰｓＬ有ＤＭＡ控制器 和局域网（ｃ＾Ｎ２ ０Ｂ）控制器；３２个消息对象，母
露
翻２运动控制模块实物罔
－二－＆＆日日。§＆＿ｇ女＿■■●
图２为本课题中的运动控制卡与
“ＡＤｃ．１０Ａ８”ＰｗＭ纽台构成的运动控制模块实
个消息对象有自己的标识屏蔽，具有全迷、非侵
＾式的系统调试接口（片内）．１０忾、２００ ｋｓｐｓ的 ＡＤｃ，带８通道模拟多路开关，２个１２位ＤＡｃ： 具有可编程数据更新方式：６４
单片机。编码器差动信号转换单端信号采用了 ２６ＬＳ３２ＡＣ的芯片。由于ＰＷＭ的模拟输入端的 输入电压为一ｌＯＶ—１０Ｖ，选用ＷＡＲＡ２４１２ＣＳ一 ２ｗ型Ｄｃ．ＤＣ变换模块，输入２４Ｖ，输出一１２ｖ 和１２Ｖ。板卡上所的５Ｖ和３．３Ｖ电压由ＬＤｌｌ７ 型芯片进行转换。控制卡与Ｐｃ通过串行口ＵＡＲＴ 进行连接，可以通过ＶＢ控制界面完成对板卡的
国际上应用最为广泛的现场总线之一【３】。 电路原理图的设训时充分考虑了总体元件的
分布．使其满足热效应原则、抗十扰原则、最近
相邻原则并同时保证了扳卡设计的正确性、可
靠性、合理性、经济性以及热设计、电磁抗干扰 等（接地、配置退耦电容等）．丽卡上外部信号与 内部信号使用光耦合器进行有效隔离。
争蕊
罔１运动挣制％蚺构组成翻
ｏｎ
ｔｅｃｈｌｌｉｑｕｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｓ ｗｅｌｌ弱ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｒｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
０ｎ
ｒｏｂｏｔ ｐｌａｔｆｏ爪ｌ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ
ｂｏｍｂ ｄｉｓｐｏｓａｌ ｒｏｂｏｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏ“ｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｒｄ ｈａＳ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，
位置反钒
止时可能会有较小幅度的过冲要使电机停止时无过冲和
图４前馈ＰＩＤ控制器
振荡，可以再适当减小巧。
５程序设计
伺服控制卡系统软件主要由监控模块，通讯 模块和控制模块３部分组成。 监控模块。主要进行系统的初始化，初始化完 成后进入等待中断状态，对程序运行过程中出现的 异常进行监督。 通讯模块。单片机接收ＣＡＮ线上来自主控计算 机的指令数据包，对包内数据进行分解并发送给控 制模块，同时将电机和控制卡的数据通过ｃ－ＡＮ总线 发送给主控计算机。 控制算法模块。由于伺服驱动器集成了位置 环和速度环，利用前馈ＰＩＤ算法对电机的位置和速 度进行控制。
ｌＯ（１２），１０２８－１１５０
图５控制程序流程图
２ｌ
嚣。
ｃ８０５ｌＦ０６０是真正能独立Ｔ作的片Ｅ系统。 所有模拟和数字外鞋均可由ＨＪ户胤件使能／禁Ｉｈ
和配置。ＦＩａｓｈ存储器还具有在系统重新编程能
力，可川于非易失性数据存储．井允许现场更新
８０５ｌ硎件【２】。
选Ⅲｃ８０５ＩＦ０６０作为控制器一方面因为 ｃ８０５ｌＦ０６０的体积小，功耗低，功能强人，更土
定的ｋ＋ｌ时刻指令位置值，％是第ｋ－１次采样时所给定的ｋ
时刻指令位置值，巧是为前馈系数・
２０
第８期增Ｔ１】
王挺等：摹于Ｃ８０５１的运动控制卡研制和应用
６结论
高速ｃ８０５ １单片机和ｃＡＮ总线的采用使得 机器人手臂的可以完成实时性较高的联动作业任 务；前馈ＰｌＤ的控制算法经验证具有足够的精度， 可以满足排爆机器人手臂高精度控制的需要。采 用Ｃ８０５ ｌ单片机构成的运动控制卡经验证具有实 时性好，集成度高，可靠性好等特点。 参考文献
Ｆ０６０
臂具有更大的作业空间，关节问的连杆商径通常
较小，受到使用环境的限制，关节之间只能有少 量的外部连接电缆。典型的工业机器人实现各个 关节的伺服控制往往都采用集中控制的方式，通 过４轴到６轴的运动控制卡同时完成对手臂上多 关节的控制。排爆机器人机械臂受上述使崩环境 和自身结构限制通常无法使用集中式的运动控制 方式（尤其是在关节自由度较多的情况下），而只 能采用分布式的运动控制方式。本文介绍了针对 一种“灵豹”排爆机器人的５自由度机械臂开发的 小型单轴运动控制卡的原理及实现。
里面加上速度前馈来闭合控制回路，以减小跟随误差。
群，乃，％三个参数可以采用ｚｉｅｇｌｅｒ．Ｎｉｃｈｏｌ经验 公式可求得ａ巧的大小可按如下方法确定，先通过阶 跃响应实验或其他常用的方法可确定巧・然后使电机 做速度变为抛物线的运动，来确定速度前馈巧使之从。 开始逐渐增大同时，减小群值并观察跟随误差，速度的 均值。当均值为。时说明ｑ已达到最大设定值最大跟随误 差已经达到最小值・但按照巧参数控制电机，电机停
材ｔ＝砗（Ｐ＋三砉巳等（气一气一・））＋巧（‘¨一气）＋ｚｆｏ
式中ｋ是采样信号七＝０，１，２…，‰是第ｋ次采样时刻的 输出值，气是第ｋ次采样时刻输入的偏差值，气一ｌ是第ｋ —１次采样时刻输入的偏差值，％＋ｌ是第ｋ次采样时所给
为实现多轴联动，各轴必需同步地到达各自 规定的指令位置，才能形成正确的加工轨迹。主程 序通过ｃＡＮ总线，从上位主控制计算机将预先计算 好的各轴的指令位置数据读人内存，按顺序依次将 位置数据传递给中断服务程序，控制各轴的指令位 置按一定的速率变化。在此规定：当各轴同时到达 指令位置时，中断服务程序设定标志位，当主程序 得到这个标志位后，才可以向中断控制器发送下一 个点的指令位置。控制总程序设计如图５所示。
Ａｂｓｔ髓ｃｔ：１ｂ ｓａｔｉｓ黟ｔｈｅ
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ
ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ
ｏｎ
ａｒｍ
ｃｏｏｐｅｒａｔｉＶｅｌｙ
ｆｏｒ
ｂｏｍｂ ｄｉｓｐｏｓａｌ
ｒｏｂｏｔ，ｔｈｅ
ｈｉｇｈ－ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｒｄ ｂａｓｅｄ
Ｃ８０５ ｌ ａｎｄ ＣＡＮ ｂｕｓ ｉｓ ｄｅＶｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ
【１】
Ｓ订ｉｃｏｎ
Ｌ曲ｏｒａｔｏｒｉｅｓ．Ｃ８０５ ｌ ＦＯ
Ｄａｔａ
Ｓｈｅｅｔ【Ｐ／０Ｌ】．
【２００８・Ｏｌ】．ｗｗｗ．Ｓｉｌａｂｓ．ｃｏｍ． 【２】张迎新，等．Ｃ８０５１ Ｆ系列ＳＯＣ单片机原理及应用【Ｍ】 北京：国防工业出版社，２００５，０８． 【３】 吕京建，张宏韬．ＣＡＮ总线的浅析ＣＡＮｏｐｅｎ协议【Ｊ】． 嵌入式系统，２００２，９Ａ：１００５．５５１７ 【４】易思伟，胡勇，宋张，龙绪明．基于ＤＳＰ的ＳＭＴ贴 片机运动控制卡设计【Ｊ】．世界仪表与自动化，２００６，
２系统构成
由于“灵豹”排爆机器人的机械臂的电机控制
１８
参数设置。运动控制卡的结构组成及与外部设备
第８渤埔ｌⅥ
ｍ挺等：基于ｃ８０５ｌ的运动控制卡研制和应尉