基于ARM处理器的四轴伺服电机运动控制卡及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于ARM处理器的四轴伺服电机运动控制卡及控制方法。所述运动控制卡包括ARM处理器以及以ARM处理器为控制核心的外围模块，所述外围模块包括电源模块、脉冲输出模块、编码器接口模块、抱闸接口模块、伺服电机状态反馈模块、AD/DA模块、伺服电机驱动模块、控制信号输入输出模块和人机交互通信模块。所述运动控制卡充分利用ARM处理器内部定时器资源，通过定时器的定时、脉冲计数、脉冲输出等功能，实现精确脉冲数控制、输出，使得机器人获得较高的定位精度。运动控制卡通过ARM控制器内部定时器的配合，可以控制机器人各个电机协调运动，实现机器人的精确运动控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信息技术与自动化控制
，具体涉及一种低成本的四轴伺服电机运动控制卡，其充分利用ARM处理器内部定时器资源，通过定时器的定时、脉冲计数、脉冲输出等功能，实现精确脉冲数控制、输出，使得机器人获得较高的定位精度。
技术介绍
机器人控制系统的实现，目前多采用上位机+运动控制卡的形式，运动控制卡是机器人控制系统的核心，广泛应用于包括搬运设备、数控加工设备、串并联机器人等自动化设备。运动控制卡一般具有脉冲输出、脉冲计数、数字输入输出、D/A输出等功能，可以发出连续脉冲串控制伺服电机驱动器，通过改变发出脉冲的数量控制电机的位置，因此，精确脉冲数控制对于运动控制卡来说至关重要，直接关系到机器人运动精度和生产产品的质量。目前，国内外已经制造出较多型号的伺服电机运动控制卡并在市场上销售，一般是采用数字信号处理器DSP，专用集成电路ASIC或可编程逻辑器件FPGA/CPLD实现，如美国DeltaTauDataSystem公司生产的四轴运动控制卡PMACPCILite，采用DSP实现，固高科技的四轴运动控制卡采用DSP+FPGA实现，上述运动控制卡单台价格都相对比较昂贵，而且系统设计复杂，设计成本较高。另外，在脉冲输出控制方法上，通过定时，在定时时间内输出要求脉冲个数的方式是目前常采用的一种方法，但这种方法，会导致脉冲个数出现误差，影响运动控制卡精度。为此，有必要开发一种低成本，可靠性高，系统设计简单，能够进行精确脉冲数控制输出的运动控制卡。
技术实现思路
为了完善伺服电机运动控制卡的功能，降低伺服电机运动控制卡成本，使运动控制卡能够快速准确的驱动多个伺服电机和机器人本体完成相关作业，本专利技术提出了一种机器人的低成本四轴伺服电机运动控制卡，该运动控制卡采用ARM处理器实现，充分利用ARM处理器内部定时器资源，实现四个伺服电机的同步控制，同时利用定时器的定时、脉冲计数、脉冲输出等功能，实现精确脉冲数控制、输出，使得机器人获得较高的定位精度。本专利技术提出的一种基于ARM处理器的四轴伺服电机运动控制卡，其包括ARM处理器以及以ARM处理器为控制核心的外围模块，所述外围模块包括电源模块、脉冲输出模块、编码器接口模块、抱闸接口模块、伺服电机状态反馈模块、AD/DA模块、伺服电机驱动模块、控制信号输入输出模块和人机交互通信模块：所述的脉冲输出模块包括四个原理相同的对应每个轴的脉冲输出单元，每一个脉冲输出单元使用ARM处理器的两个定时器A和B，其中定时器A工作于PWM生成模式，定时器B工作于脉冲计数模式，通过ARM处理器定时器A产生PWM方波信号，并将生成的PWM方波信号接回到定时器B的时钟输入引脚作为其外部时钟源，将上述两路信号通过与第一非门电路后形成反相PWM方波信号，同时设置定时器B的输出引脚与计数器溢出状态关联，作为脉冲输出使能信号通过第二与非门电路后与反相PWM方波信号一同接入第三与非门电路，第三与非门电路的输出作为脉冲输出模块的输出信号；所述的编码器接口模块包括差动驱动器电路，伺服电机驱动器输出的编码器信号经过所述差动驱动器电路送入ARM处理器中，ARM利用片内定时器进行脉冲计数，得到电机当前位置；所述的抱闸接口模块，利用伺服电机驱动器输出的电磁刹车控制信号控制继电器通断，控制抱闸电源的接通和断开；所述的伺服电机状态反馈模块，利用伺服驱动器的串列通讯功能，通过ARM处理器的串口，与伺服驱动器进行通信；所述的AD/DA模块包括AD/DA转换电路和信号调理电路；所述的伺服电机驱动模块包括差动驱动器电路和光耦电路，所述差动驱动器电路用于将脉冲输出模块输出的PWM脉冲信号和ARM处理器输出的方向控制信号转换形成脉冲和方向的差动信号，所述光耦电路用于将所述ARM处理器输出的控制信号光耦隔离后形成两路控制信号；所述的控制信号输入输出模块包括线性光耦电路和驱动电路，其中来自外部设备的输入信号通过线性光耦电路送入ARM处理器进行外部设备状态读取后，通过人机交互模块发送到上位机进行状态显示和监控，ARM处理器产生的输出信号通过线性光耦电路实现强弱电隔离，通过驱动电路实现功率放大后控制继电器，继电器控制外部设备的动作，实现使机器人与外部设备的配合作业。本专利技术提出的利用如上所述的运动控制卡控制机器人的方法，包括：通过人机交互通信模块，接收上位机命令，对其进行解析，得到各关节需要运动到的位置；ARM处理器利用关节空间的轨迹插补方法在相邻关节点之间插补出多个点，经过关节空间的轨迹插补方法后生成每个伺服周期关节需要运动的位置、速度和加速度，通过脉冲输出模块和伺服电机驱动模块控制伺服电机运动，同时通过编码器接口模块读回各电机位置进行显示，通过控制信号输入输出模块控制外部设备配合机器人进行作业。本专利技术的有益效果是，通过ARM控制器内部定时器的配合，通过精确控制发送给伺服电机驱动器的脉冲数，从而保障了电机运动的精度，使机器人能准确的完成作业。并且能够在作业过程中，实时采集测量数据，便于对生产过程进行监控。此种运动控制卡的使用，相比于市面上的其他类型控制卡，在大大提高控制精度的基础上，能够将运动控制卡的成本大幅降低，使机器人更低成本，更准确的完成作业。附图说明图1是本专利技术中基于ARM处理器的四轴伺服电机运动控制卡的结构框图。图2是本专利技术一实施例中中基于ARM处理器的四轴伺服电机运动控制卡的电路连接图。图3是本专利技术中轨迹插补算法流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。下面结合附图对本专利技术进行进一步说明。如图1和2所示，本专利技术提出了一种机器人的四轴伺服电机运动控制卡，包括ARM处理器1以及以ARM处理器1为控制核心的外围模块，所述外围模块包括电源模块2，脉冲输出模块3、编码器接口模块4、抱闸接口模块5、伺服电机状态反馈模块6、ADDA模块7、伺服电机驱动模块8、控制信号输入输出模块9和人机交互通信模块10。所述的电源模块2用于提供电源，其采用外部24V直流开关电源11为输入源，通过DCDC变换器产生一路+5V电源12、一路+3V电源13、一路+15V和-15V电源14、一路+3.3V电源15和一路24V电源16，其中，+5V电源12为光耦电路及人机交互通信模块10供电，+15V和-15V电源14本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ARM处理器的四轴伺服电机运动控制卡，其特征在于，包括ARM处理器以及以ARM处理器为控制核心的外围模块，所述外围模块包括电源模块、脉冲输出模块、编码器接口模块、抱闸接口模块、伺服电机状态反馈模块、AD/DA模块、伺服电机驱动模块、控制信号输入输出模块和人机交互通信模块：所述的脉冲输出模块包括四个原理相同的对应每个轴的脉冲输出单元，每一个脉冲输出单元使用ARM处理器的两个定时器A和B，其中定时器A工作于PWM生成模式，定时器B工作于脉冲计数模式，通过ARM处理器定时器A产生PWM方波信号，并将生成的PWM方波信号接回到定时器B的时钟输入引脚作为其外部时钟源，将上述两路信号通过与第一非门电路后形成反相PWM方波信号，同时设置定时器B的输出引脚与计数器溢出状态关联，作为脉冲输出使能信号通过第二与非门电路后与反相PWM方波信号一同接入第三与非门电路，第三与非门电路的输出作为脉冲输出模块的输出信号；所述的编码器接口模块包括差动驱动器电路，伺服电机驱动器输出的编码器信号经过所述差动驱动器电路送入ARM处理器中，ARM利用片内定时器进行脉冲计数，得到电机当前位置；所述的抱闸接口模块，利用伺服电机驱动器输出的电磁刹车控制信号控制继电器通断，控制抱闸电源的接通和断开；所述的伺服电机状态反馈模块，利用伺服驱动器的串列通讯功能，通过ARM处理器的串口，与伺服驱动器进行通信；所述的AD/DA模块包括AD/DA转换电路和信号调理电路；所述的伺服电机驱动模块包括差动驱动器电路和光耦电路，所述差动驱动器电路用于将脉冲输出模块输出的PWM脉冲信号和ARM处理器输出的方向控制信号转换形成脉冲和方向的差动信号，所述光耦电路用于将所述ARM处理器输出的控制信号光耦隔离后形成两路控制信号；所述的控制信号输入输出模块包括线性光耦电路和驱动电路，其中来自外部设备的输入信号通过线性光耦电路送入ARM处理器进行外部设备状态读取后，通过人机交互模块发送到上位机进行状态显示和监控，ARM处理器产生的输出信号通过线性光耦电路实现强弱电隔离，通过驱动电路实现功率放大后控制继电器，继电器控制外部设备的动作，实现使机器人与外部设备的配合作业。...

【技术特征摘要】
1.一种基于ARM处理器的四轴伺服电机运动控制卡，其特征在于，
包括ARM处理器以及以ARM处理器为控制核心的外围模块，所述外围模块
包括电源模块、脉冲输出模块、编码器接口模块、抱闸接口模块、伺服电
机状态反馈模块、AD/DA模块、伺服电机驱动模块、控制信号输入输出模
块和人机交互通信模块：
所述的脉冲输出模块包括四个原理相同的对应每个轴的脉冲输出单
元，每一个脉冲输出单元使用ARM处理器的两个定时器A和B，其中定时
器A工作于PWM生成模式，定时器B工作于脉冲计数模式，通过ARM处理
器定时器A产生PWM方波信号，并将生成的PWM方波信号接回到定时器B
的时钟输入引脚作为其外部时钟源，将上述两路信号通过与第一非门电路
后形成反相PWM方波信号，同时设置定时器B的输出引脚与计数器溢出状
态关联，作为脉冲输出使能信号通过第二与非门电路后与反相PWM方波信
号一同接入第三与非门电路，第三与非门电路的输出作为脉冲输出模块的
输出信号；
所述的编码器接口模块包括差动驱动器电路，伺服电机驱动器输出的
编码器信号经过所述差动驱动器电路送入ARM处理器中，ARM利用片内定
时器进行脉冲计数，得到电机当前位置；
所述的抱闸接口模块，利用伺服电机驱动器输出的电磁刹车控制信号
控制继电器通断，控制抱闸电源的接通和断开；
所述的伺服电机状态反馈模块，利用伺服驱动器的串列通讯功能，通
过ARM处理器的串口，与伺服驱动器进行通信；
所述的AD/DA模块包括AD/DA转换电路和信号调理电路；
所述的伺服电机驱动模块包括差动驱动器电路和光耦电路，所述差动
驱动器电路用于将脉冲输出模块输出的PWM脉冲信号和ARM处理器输出的
方向控制信号转换形成脉冲和方向的差动信号，所述光耦电路用于将所述
ARM处理器输出的控制信号光耦隔离后形成两路控制信号；
所述的控制信号输入输出模块包括线性光耦电路和驱动电路，其中来
自外部设备的输入信号通过线性光耦电路送入ARM处理器进行外部设备状

\t态读取后，通过人机交互模块发送到上位机进行状态显示和监控，ARM处
理器产生的输出信号通过线性光耦电路实现强弱电隔离，通过驱动电路实
现功率放大后控制继电器，继电器控制外部设备的动作，实现使机器人与
外部设备的配合作业。
2.根据权利要求1所述的运动控制卡，其特征在于，ARM处理器输出
信号经过DA转换电路后，经信号调理电路的放大处理送入伺服电机驱动
器，同理，伺服电机驱动器发出的信号也经过信号调理电路的缩小处理，
经过AD转换电路转换后送入ARM处理器。
3.根据权利要求1所述的运动控制卡，其特征在于，ARM处理器发出
的脉冲信号、方向信号以及控制信号通过光耦和差动驱动器电路控制伺服
电机驱动器，伺服电机驱动器控制电机运动，ARM处理器通过485通信读
取电机当前的状态。
4.根据权利要求1所述的运动控制卡，其特征在于，所述人机交互通
信模块通过RS485通信方式与上位机进行实时通信，通过RS485，上位机
命令送入ARM处理器进行命令解析，通过脉冲输出模块和伺服电机驱动模
块实现伺服电机运动控制，上位机通过查询命令实时查询当前机器人的工

【专利技术属性】
技术研发人员：李恩，谭民，梁自泽，丁磊，景奉水，龙腾，何峰，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，深圳市中科诺博机器人技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11