基于CANopen的工业机器人控制系统设计_薛正卿

·47·

基于CANopen的工业机器人控制系统设计

薛正卿,王　坚,郭崇滨,赵　阳(东华大学,上海201600)

　　摘要:针对工业机器人的结构和控制性能的要求,文章设计并实现了基于CANopen协议的机器人控制系统。首先介绍了控制器局域网络(CAN)的高层协议CANopen,以PCC(ProgrammableComputerController)作为控制系统的核心,用CANopen来实现PCC和伺服驱动器之间的通信;文章着重介绍了CANopen的通信方式、控制系统的整体结构以及软件系统的设计实现。在实践应用中,该技术具有广阔的推广应用前景。

关键词:CANopen;工业机器人;控制系统;可编程计算机控制器

中图分类号:TP242　　　　　　　　文献标识码:A　　　　　　　　文章编号:1006-2394(2011)01-0047-02

TheControlSystemDesignofIndustrialRobotsBasedonCANopen

XUEZheng-qing,WANGJian,GUOChong-bin,ZHAOYang

(DonghuaUniversity,Shanghai201600,China)

Abstract:Aimedatindustrialrobotstructureandrequirementsforcontrolperformance,therobotcontrolsystemisdesignedbasedonCANopen.Inthissystem,PCC(ProgrammableComputerController)istakenasthecoreofthecon-trolsystem,throughwhichthecommunicationisrealizedbetweenPCCandservodrivers.Inthispaper,itemphasizes

onthecommunicationmodeofCANopen,thewholestructureofthecontrolsystemandrealizationofthesoftwaresys-tem.Itillustratesagoodprospectofapplicationandextension.

Keywords:CANopen;industrialrobot;controlsystem;PCC

AreaNetwork,CAN)上的高层通信协定,包括通信子协定及设备子协定在嵌入式系统中使用,也是工业控

制常用到的一种现场总线。

CANopen作了OSI模型中的网络层以上(包括网络层)的协定。CANopen标准包括寻址方案、数个小的通信子协定及由设备子协定所定义的应用层。CANopen支援网络管理、设备监控及节点间的通信,其中包括一个简易的传输层,可处理资料的分段传送及其组合。CANopen的核心概念是设备对象字典(OD:ObjectDictionary),在其他现场总线(Profibus,Interbus-S)系统中也使用这种设备描述形式。1.1　CANopen通信对象

CANopen协议规定有4类通信对象,分别是:SDO(服务数据对象)、PDO(过程数据对象)、NMT(网络管理)和特殊功能对象。1.2　CANopen通信模型

CANopen设备间的通信可分为以下三种通信模型。

(1)在master/slave模型中,一个CANopen设备为master,负责传送或接收其他设备(称为slave)的资

0　引言

工业机器人是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它可在空间抓放搬运物体等,动作灵活多样,广泛应用在工业生产和其他领域。机械手系统通常分为机构本体和控制系统两大部分,控制系统的作用是根据用户的指令对机构本体进行操作和控制,完

成作业的各种动作。控制系统性能在很大程度上决定了机器人的性能。一个良好的控制系统包括灵活方便的操作方式、多种形式的运动控制方式和安全可靠性。我国的机器人专家根据应用环境出发,将机器人分为两大类,即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。

本文中所说的3自由度(3-DOF)工业机器人由三台交流伺服电机驱动控制它的三个关节,其中伺服电机M1控制机械臂的升降,伺服电机M2控制机械臂的旋转,伺服电机M3控制抓手的旋转。1　CANopen

CANopen是一种架构在控制局域网络(Control

　　收稿日期:2010-10　　作者简介:薛正卿(1986—),男,在读硕士研究生,主要从事机器人控制研究。·48·

仪表技术　　2011年第1期

料。NMT协定就使用了master/slave模型。

(2)主从(client/server)模型定义在SDO协定中,SDOclient将对象字典的索引及子索引传送给SDOserver,因此会产生一个或数个需求资料(对象字典中,索引及子索引对应的内容)的SDO封包。(3)生产者/消费者(producer/consumer)模型用在HeartbeatandNodeGuarding协定中。由一个生产者送出资料给消息者,同一个生产者的资料可能给一个以上的消息者。又可分为二种,push-model:生产者会自动送出资料给消费者;pull-model:消费者需送出请求信息,生产者才会送出资料。2　控制系统的结构

控制系统的结构如图1所示。

232接口、1个Ethernet接口和1个EthernetPowerlink

接口,同时配置了64MB的CompactFlash。2.2　伺服系统

系统的关节由交流伺服电机驱动,电机上配置有增量式脉冲编码器。脉冲编码器是一种光学式位置检测元件,编码盘直接装在电机的旋转轴上,以测出轴的旋转角度位置和速度变化,其输出信号为电脉冲,具有精度高、反应速度快、工作可靠等优点。脉冲编码器分为增量式和绝对式两种。增量式脉冲编码器有一个计数系统和一个辨向系统,旋转的码盘通过敏感元件给出一系列脉冲,在计数中对每个基数进行加或减,从而记录了旋转方向和角位移。

伺服驱动器根据安装负载要求的不同选用B＆R公司三款不同的伺服驱动器。它们的主要特性是:能耗比较低;操作简单、调试方便;具有过流、过热保护装置;示波器对驱动进行实时检测,对数据图形诊断显示,用来帮助用户实现精细调节及运动优化。2.3　通信单元

系统的通信单元分为两部分:以太网通信和CAN-open通信。

上下位机通过以太网,应用IMA(InverseMultiple-xingforATM)技术,即ATM反向复用技术进行通信。伺服驱动与PCC之间通过通信模块X20IF1072上的CAN接口使用CANopen通信。通信的从站波特率设为500kbit/s,心跳报文每1000ms发送一次,同步信号每10ms发送一次。CANopen通信周期设为2ms,高于伺服驱动器内部循环时间1ms。3　软件系统设计

软件系统在B＆R公司的AutomationStudio软件中进行设计并且编制控制程序,主要分为两部分:Mo-bilePanel软件和PCC软件。控制程序用ANSIC语言编写,采用结构化的设计方法进行编写程序,自上而下逐步的细化并分解步骤,根据控制的要求设置模块的优先级,保证“分时多任务”的优越性。

控制系统的控制流程如图2所示。

图1　控制系统的结构

驱动机器人关节的三台伺服电机M1、M2、M3配置有增量式脉冲编码器,每台伺服驱动器控制一台伺服电机,伺服驱动器通过CANopen得到PCC的控制指令并且输出驱动电流来控制伺服电机,PCC通过编码器反馈信号接收卡得到电机的位置、速度等实时状态信息。移动控制面板作为人机界面显示系统的运行状态信息,并向下位机发送用户命令。控制面板和PCC之间通过以太网实时通信。2.1　控制系统的核心单元

通过上位机MobilePanel用户可以执行操作指令,对参数进行设置和恢复故障等。

下位机PCC是整个控制系统的核心单元,主要控制伺服系统,实现要求的运动、接收采集的信号、反馈运行系统的状态和执行的情况,以及故障检测、报警和处理等。本系统选用的PCC是B＆R公司的X20系列,型号是:CP1485,该型号内置了64MB的DRAM和1MB的SRAM,并且集成了2个USB接口、1个RS-图2　控制流程图

系统的控制过程为:用户通过MobilePanel输入控制命令,MobilePanel把这些命令处理后发送到下位

(下转第56页)

·56·

仪表技术　　2011年第1期(郁菁编发)

用[J].信号处理,1990,6(3):155-162.

(上接第48页)

机PCC,PCC接收到命令,经过处理后输出开关信号控

制机器人的运动。同时,下位机PCC采集由传感器和伺服系统传输的实时信号和数据,经过处理后发送给上位机MobilePanel,MobilePanel在面板上显示系统运行的实时状态信息,并对运行状况进行监控。

作为控制核心的PCC软件主要负责:

(1)系统的初始化,即PCC的初始化和机器人关

图2(c)　裂纹故障振动信号PWD分布

节的复位;(2)与MobilePanel的通信连接;

(3)获取系统运行的实时信息并且输出控制命令。其程序流程如图3所示。

图2(d)　裂纹故障振动信号带通滤波后PWD分布

3　总结

图3　程序流程图

WVD分布是描述非平稳振动信号的有效工具,它为非稳态信号的处理提供一些其他传统时域、频域分

析方法中所缺少的信息,具有广泛的应用前景。但是它在表示多分量信号时,会出项交叉干预项,限制了其应用,因此在应用时,采取有效的办法来抑制或者削弱交叉项,除了前面提到的核函数的设计方法之外,国内外学者也研究了多种方法,主要有:预滤波法,多分量分离法等。参考文献:

[1]高锦宏,徐小力,吴国新,等.基于Wigner-Ville分布的烟气

轮机机械故障诊断研究[J].机械设计与制造,2008(9):127-128.

[2]葛哲学,陈仲生.Matlab时频分析技术及其应用[M].北

京:人民邮电出版社,2006.

[3]蒋平,贾民平,许飞云,等.Wigner-Ville分布在机械故障诊

断中的研究[J].制造技术与机床,2004(7):24-28.[4]孟庆丰,屈梁生.Wigner分布及其在机械故障诊断中的应4　结束语

本系统根据工业机器人的结构特点和性能特性,建立了基于CANopen的工业机器人控制系统。选择

了功能强大的伺服驱动器和伺服电机,增量式脉冲编码器,使机器人精确的定位。本文完整的设计出了控制系统的结构,并且实现了系统的运动控制。此系统已经成功应用于某机械厂的生产线上,运行状态良好、性能稳定、易于操作、维护方便,受到厂家的广泛好评。参考文献:

[1]丁学恭.机器人控制研究[M].浙江:浙江大学出版社,2006.[2]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.[3]AlexandreDeneve,SaidMoughamir,LissanAfilal.Controlsys-temdesignofa3-DOFupperlimbsrehabilitationrobot[J].

computermethodsandprogramsinbiomedicine,2008(89):202-214.(丁云编发)