第3章 控制系统硬件
3.1 控制系统模式的选择
构建机器人平台的核心是建立机器人的控制系统。首先需要选择和硬件平台，控制系统硬件平台对于系统的开放性、实现方式和开发工作量有很大的影响。一般常用的控制系统硬件平台应满足：硬件系统基于标准总线机构，具有可伸缩性；硬件结构具有必要的实时计算能力；硬件系统模块化，便于添加或更改各种接口、传感器和特殊计算机等；低成本。到目前为止，一般机器人控制系统的硬件平台可以大致分为两类：基于VME总线（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工业开放标准总线）的系统和基于PC总线的系统。近年来，随着PC机性能的快速发展，可靠性大为提高，价格却大幅度降低，以PC机为核心的控制系统已广泛被机器人控制领域所接受。
基于PC机控制系统一般包括单PC控制模式，PC+PC的控制模式，PC+分布式控制器的控制模式，PC+DSP运动控制卡的控制模式，PC+数据采集卡的控制模式，由于基于采集卡的控制方式灵活，成本低廉，有利于本文设计中的废物利用，在程序和算法上可以自主编制各类算法，适合本课题研究的需要。因此本文选定PC+数据采集卡的控制方式。
3.2 控制系统的搭建
图3.1 控制系统框图
3.2.1工控机
在此选用研华工业控制机,主频233MHz,内存128兆，32位数据总线。底板有9个ISA插槽，4个PCI插槽，带VGA显示器。其性能价格比优越，兼容性好，有利于软硬件维护和升级。与普通个人计算机相比工业控制PC机有以下优点：
·芯片筛选要比一般个人计算机严格；
·芯片驱动能力较强；
·整机内部结构属于工业加强型，具有较强的防震和抗干扰性能；
·对环境（如温度、湿度、灰尘等）的要求要比一般计算机低得多。
3.2.2数据采集卡
在本设计中我们主要用到研华公司的PCL812PG和PCL726，其参数如下。
PCL-812PG
主要特点：
16路单端12位模拟量输入
2路12位模拟量输出
采样速率可编程，最快达30KHz
带DMA或中断的A/D
16路数字量输出
PCL-726
主要特点：
6路独立D/A输出
12位分辨率双缓冲D/A转换器
16路数字量输入及16路数字量输出
多种电压范围：+/-10V，+/-5V，0—+5V，0—+10V和4—20mA电流环。
3.2.3伺服放大器
在驱动系统设计过程中，主要是对伺服电机的驱动，本文中利用报废机器人上的maxon电机驱动关节，因此同样选用maxon伺服电机驱动器（maxon motor control4-Q-DC Servo Control LSC 30/2）进行驱动，如图3.2所示，这是专门针对maxon电机设计的伺服电机放大控制器，具有很强的控制功能和稳定性，电源电压12~30v之间，1、2接线端子接伺服电机，直接给电机供电，3，4接线端与电源相连，7、8接控制电压，通过数据采集卡输出的模拟电压信号进入这两个接线端来控制电机的转速大小和正反转，13、14接测速计（本文中未用），3、4、10之间是一个光耦合器，输入“准备好”信号。在伺服控制器前面，有5个旋钮调节器涌来调节电机的五个参数，下边有10个DIP开关，用来选择控制器工作状态。
图3.2伺服放大器接线及其调节示意
3.2.4端子板
不同的被测信号通过不同的传送路线到采集卡，而采集卡在工控机机箱内，不变直接连接到工业系统中的各种传感器或执行器。
端子板的主要作用有两个：
①．端子板是采集卡与每一个信号调理电路或驱动装置之间的电器连接部件，给每一路输入、输出信号提供单独的信号线和地线，使每一路通道可单独接通或断开，系统检修和排除故障时不必全部停止运行。
②．将每一路信号经过各自的传送路线到达端子板后，可以根据各路信号和传送路线的特点，在端子板上对各路信号进行简单的调理，如经电阻衰减、分流或经过RC低通滤波后进入采集卡。
图3.3所示为端子板电路
图3.3端子板电路
图3.3所示的电路图中，为防止直流电机产生的噪声影响电路的正常运行，使用了光电耦合器4N25。在机电一体化技术中，光电耦合电路是重要的接口电路。
其中PCL-812PG通过五路数字量输出来控制电机电路的通断，PCL-726通过五路模拟量输出来控制电机的正反转和运行速度，另外PCL-812PG还负责采集五个电位器的电压，以此将电机的运行角度反馈给计算机。
3.2.5电位器及其标定
电位器是一种可调电阻，也是电子电路中用途最广泛的元器件之一。它对外有三个引出端，其中两个为固定端，另一个是中心抽头。转动或调节电位器转动轴，其中心抽头与固定端之间的电阻将发生变化。
本文采用的电位器是单圈的，也就是说各关节的运动角度小于360o，对于该机器人已经足够了。电位器安装在机器人的各个关节输出轴上，所以在关节角的运动范围内，电位计的输出电压和关节角是一一对应的，存在着一定的函数关系。
从理论上来讲，电位器应该是线性的测量元件，但由于电位器的滑动噪声以及滑线电阻的工作过程中的磨损，这种函数关系并非理想的线性关系，而是存在一定的偏移。电位器的标定就是根据在各个角度处测量的电压值，拟合出一条直线，
近似替代真实的函数关系。
下面即是对各个关节的进行电位计标定。
电位器1的标定，如图 3.4所示：
图 3.4电位器
关节角1与电位计1的函数关系： a=33.3105v-16.895
电位器2的标定
图 3.5
如图 3.5所示：
关节角2与电位计2的函数关系： a=33.2967v -124.2692
电位器3的标定
图 3.6
如图 3.6所示：
关节角3与电位计3的函数关系： a= 32.9333v-16.2222
电位器4的标定
图 3.7
如图 3.7所示：
关节角4与电位计4的函数关系： a= 32.6333v-75.1389
电位器5的标定
图 3.8
如图 3.8所示：
电机5与电位计5的函数关系： a= 32.9000v -36.3611
注：以上标定工作都是在10.00v的电压下测量的
3.2.6电源
电位器和伺服放大器都需要一定的电压，特别是电位计是在10.0v的条件下工作的，稳定的电压对于保证电位计反馈信号的真实性具有重大的影响；而伺服放大器是在12v~30v范围内工作的，电压只要在此范围内即可。
本文采用DH1715A-3型 双路稳压稳流电源，可以提供0~32v电压输出和0~2A电流输出。
这里设定两路电压输出：14.0v——供给伺服放大器运行，10.0v——保证电位计的正常工作。
