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現(xiàn)場可編程陣列的三自由度的數(shù)字控制系統(tǒng)機械手
摘要
這項工作是以展示設(shè)計過程和執(zhí)行三自由度機械手為目的的，被由超高速集成電路硬件描述語言的數(shù)字系統(tǒng)控制，以及被現(xiàn)場可編程陣列執(zhí)行。用于控制的數(shù)字系統(tǒng)是通過互相連接的電路和功能塊設(shè)計的。
現(xiàn)場可編程陣列終端被用來控制三個步進(jìn)電機序列，這種方式實現(xiàn)了三自由度機械手的運動，在控制系統(tǒng)和發(fā)電機中的接口階段是被基于晶體管的電力電子電路所開發(fā)的。這個設(shè)計是一個試圖說明設(shè)計階段以及主要關(guān)于機械手運動的數(shù)字控制系統(tǒng)的理論模型。對于這種情況，機械手設(shè)計并不依賴一個特定的情況，這是一個免費的軌跡，與此同時用戶能通過現(xiàn)場可編程陣列的界面決定機械手的運動。機械手通常沒有能力去移動大部件，既不能升大重力物體，也不能成為一個簡單的結(jié)構(gòu)模型和被每個人訪問除非能用可循環(huán)材料建造它，它被做成這種形式只是處于教育的目的。
1.介紹
對現(xiàn)代人來說，根本不可能去構(gòu)思他們的生活如果沒有數(shù)字電子的存在，因為電子應(yīng)用出現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪械臄?shù)量是巨大的，數(shù)字電子的應(yīng)用是非常多和非常普遍的。
【1】傳感器，微芯片和致動器被普遍用于現(xiàn)在生產(chǎn)中。甚至傳統(tǒng)的機械工程領(lǐng)域的汽車工業(yè)也用微芯片在現(xiàn)代交通工具和機械結(jié)構(gòu)
【2】機電一體化和有關(guān)的各種學(xué)問去接近設(shè)計工程發(fā)展的解決方案，提供一個重要的方向來跟隨教學(xué)和研究。因此,對成功的工程師來說這樣一個多學(xué)科學(xué)位的教學(xué)已經(jīng)成為必要。
【3】世界上的大學(xué)用在機電一體化和機電工程方面介紹新學(xué)位來回報的方式出現(xiàn)。因為在相同的方式,它也通常發(fā)生在數(shù)字電子技術(shù)和電子產(chǎn)品，在很多應(yīng)用里我們能找到電子設(shè)備涉及機械設(shè)備，其中的一個應(yīng)用就是機械結(jié)構(gòu)控制。
【4】在控制和施工條件下，教育和演示目的一個機械手,和大的工業(yè)機械手有相同的結(jié)構(gòu)的，因此，理解用于控制他們的技術(shù)的設(shè)計是非常重要的。每一個數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計開始于一組規(guī)格和完成模式開發(fā)的特性，此外它它用布爾運算功能所表示的邏輯圖結(jié)束，同時它被編程到現(xiàn)場可編程陣。
【5】實際上,邏輯設(shè)計師的任務(wù)是簡化使用描述性語言的電路。雖然多樣化的描述性語言存在，非常高速的集成硬件描述語言是最受歡迎的和使用時間最長的。硬件描述語言的描述性語言的目的是開展在可編程序邏輯方面的電路領(lǐng)悟，這技術(shù)是已知的像設(shè)計合成。
被提出的數(shù)字系統(tǒng)來控制機械臂是由自上而下的分層設(shè)計技術(shù)。使用這種技術(shù),設(shè)計師有從容分開設(shè)計階段,確定幾個抽象水平，能夠治療系統(tǒng)黑盒來開發(fā)他們用并行方式。這個項目被分為三個主要部分來講:機械部分的手臂,電力電子接口電路和FPGA階段。非常重要的說,擬議中的數(shù)字系統(tǒng)的用來控制步進(jìn)電機是不會考慮一個特定的軌跡。在這個項目中,數(shù)字系統(tǒng),如同樣的方式,機械設(shè)計,不依賴任何運動軌跡。這是一個被推薦的FPGA接口所以運動軌跡是由用戶決定。圖1顯示了這個項目是主要部分劃分:
圖1設(shè)計過程階段
2.發(fā)展
2.1機械階段
機械階段重點建設(shè)機械臂結(jié)構(gòu)，為此，各種各樣的元素被實用，如鋁鏈接、齒輪、滑輪、帶輪、步進(jìn)電機、軸、參考線以及一些公共設(shè)施的元素在停止實用的的電子設(shè)備中都有包含。這個階段的項目很有趣,因為在齒輪、帶輪、滑輪中的機械聯(lián)合體，他們自己的生產(chǎn),所有機械設(shè)備被放置在一個精確的方式來獲得想要的運動。圖2顯示了機械作臂是如何建立。
圖2三自由度的機械臂結(jié)構(gòu)
圖2顯示了臂是如何被建立去完成三自由度的運動:在圖像的劣質(zhì)部分，第一馬達(dá)是被鑒別的,允許整體的運動基于手臂的位置;在左邊圖像的優(yōu)越部分的馬達(dá)有助于開展二自由的運動,相當(dāng)于第一個鏈接的運動，以其各自的機械連接,允許想要運動離開;最后,圖2也顯示了步進(jìn)電機,是定位于攜帶出了運動的第三和最后的自由度，適當(dāng)?shù)募尤脒@個運動反映了機制的第二環(huán)節(jié)。機械臂結(jié)構(gòu)是建立在一個自由的方式,對于這個項目沒有必要采取合成過程來確定結(jié)構(gòu)尺寸,比如鏈接的長度，基于一個特定的精密點軌跡。結(jié)構(gòu)尺寸是任意選擇的和機械臂結(jié)構(gòu)不是考慮一個特定的運動軌跡而建立。圖2沒顯示了機械臂的執(zhí)行機構(gòu)由于目前情況下,執(zhí)行機構(gòu)可以是一個螯,伊瑪目,一個支承面,一個電磁鐵,一支鉛筆,它實際上可以是任何東西,機械臂執(zhí)行機構(gòu)是用戶的決定。
2.2電子階段
電子的階段主要是使用的電力電子接口連接FPGA和步進(jìn)電機安裝在機械臂結(jié)構(gòu)。這個FPGA包含一個非常廣泛的邏輯包為了應(yīng)用現(xiàn)狀，但它的終端不能直接與步進(jìn)電機相連接，因為步進(jìn)電機電流的需求比支持現(xiàn)場可編程門陣列的要大得多。為了解決這個問題,有必要實現(xiàn)”接口電路”,它可以解釋FPGA輸出和采取相應(yīng)的行動使發(fā)動機給必要的和足夠的力量,同時FPGA是受保護(hù)的。為此,光學(xué)絕緣體被用來在FPGA輸出和步進(jìn)電機的輸入間消除身體接觸。圖三顯示了電路的應(yīng)用原理圖：電力電子接口電路顯示在圖3是只有一個步進(jìn)電機相,它是必須實現(xiàn)12次同樣的電力電子接口電路，因為每一個步進(jìn)電機有四相和這個項目使用三個步進(jìn)電機相來運動。有時FPGA輸出有一個非常低電壓水平,這就是為什么另一個電子電路選擇界面在FPGA和光絕緣子之間放一個緩沖區(qū),但對于目前的項目它不是必需的。光絕緣子輸出與相應(yīng)的步進(jìn)電機相具有相同的狀態(tài)（激活或禁用），但它是孤立于FPGA和有一個電壓水平稍高于它的輸入。光絕緣體輸出不能提供步進(jìn)電動機所需求的電流，這就是為什么電力階段是適當(dāng)?shù)摹８咻敵鲈鲆娴倪_(dá)林頓晶體管配置,被用在功率階段。最后,接口電路也有相應(yīng)的步進(jìn)電機相線可用的連接器:步進(jìn)電動機常見的終端連接到供給電壓(Vcc)，相應(yīng)的步進(jìn)電機相連接達(dá)林頓晶體管集電極。圖4顯示了完整的接口電子電路的實作界面及其到FPGA的連接:
圖4連接到FPGA電力電子接口電路
有許多不同的方式來實現(xiàn)功率電子接口電路,因為有大量的電力電子設(shè)備可以使用，這只是一個標(biāo)準(zhǔn)的電力電子接口電路和用戶可以決定使用哪些電子設(shè)備來實現(xiàn)它。
2.3現(xiàn)場可編程門陣列階段
FPGA階段包括在被VHDL描述的數(shù)字系統(tǒng),它能夠控制機械手臂的運動。本設(shè)計提供了激活感覺和運動資格的選擇：用戶選擇想激活的電動機，它移動的意義和希望最后它可以激活運動的開始?？梢允褂玫目删幊踢壿嬜鳛橐环N個性化的邏輯設(shè)計,也就是說,設(shè)計思考關(guān)于自己的硬件。第一個器件是編程的通過面具,他們被電腦制造商開發(fā)的,在60年代初可編程序邏輯到達(dá)可融化的程度，從那時，這種技術(shù)對大小用戶的使用都很普遍。用一種更簡單的方法來描述數(shù)字系統(tǒng)為控制機械臂運動多樣化，它們使用的功能塊允許執(zhí)行必要的功能。數(shù)字系統(tǒng)被以下功能模塊建造借助分層設(shè)計基金會:時間坐標(biāo),步進(jìn)電機有限狀態(tài)機和控制有限狀態(tài)機。
圖5數(shù)字系統(tǒng)功能塊
圖5顯示了數(shù)字系統(tǒng)功能塊并給出一個關(guān)于的互聯(lián)互通他們的主意，包括用戶選項用于選擇一些機械臂運動。時間坐標(biāo)功能塊是像一個振蕩器,它確實沒有從用戶收到任何價值或命令，但它發(fā)送一個預(yù)先確定的和持續(xù)期脈沖控制有限狀態(tài)機,對于這種情況,周期是1 ms;在時間坐標(biāo)生成的相對低頻脈沖功能塊用于處理相應(yīng)的步進(jìn)電機相來通過電力電子接口電路，同時,它允許解釋目前步進(jìn)電機階段狀態(tài)，來影響運動序列有變化的時候；具體來說,時間坐標(biāo)功能塊設(shè)計可以像一個常數(shù)模塊計數(shù)器,由用戶決定的計時模塊，這種方式,時基脈沖周期可以有很多價值,但是所給的不改變；這是必要的時間坐標(biāo)脈沖對電力電子接口電路設(shè)備有一個好操作。步進(jìn)電機有限狀態(tài)機接收來自使用步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向感(連續(xù)波或反時針方向)和步驟類型(退或全部步驟)值,同時用戶選擇步進(jìn)電機運動開始的資格信號。顯而易見,用戶激活相應(yīng)的步進(jìn)電機將感覺信號,這一步類型的信號和選擇想要移動的步進(jìn)電機，所以機械臂結(jié)構(gòu)可以采取很多不同的運動軌跡。這是為什么機械手臂運動確實不依賴于一個特定的運動軌跡,因為用戶可以決定,實際上決定了,機械臂運動軌跡。步進(jìn)電動機有限狀態(tài)機發(fā)送來控制有限狀態(tài)機的相應(yīng)的步進(jìn)電機相階段與從用戶選取的運動特征;步進(jìn)電機有限狀態(tài)機包含適當(dāng)?shù)牟竭M(jìn)電動機相序為了生成兩個感覺運動,也包括一半和完整的步驟運動。
圖6步進(jìn)電機有限狀態(tài)機
圖6顯示了步進(jìn)電機有限狀態(tài)機的國家和它的特征。資格信號,轉(zhuǎn)換信號和步進(jìn)式信號是輸入信號和它們的值從用戶直接定義的。步進(jìn)電機的階段可以分化為兩種不同的方式:第一個只有一個極化階段,第二個有兩個極化階段?？傊?步進(jìn)電機有限狀態(tài)機認(rèn)為四個狀態(tài)只有一個極化階段和另外四個個狀態(tài)的兩個極化階段,這樣一般和完整的步驟運動都能生成。沒有任何國家有三個或四極化階段,因為它不是一個為了興趣的步進(jìn)電機運動。圖6也顯示了可能的運動序列:連續(xù)波和完整的步驟,連續(xù)波和半步驟,反時針方向和完整的步驟,最后,反時針方向和半步驟。步進(jìn)電機的有限狀態(tài)機在圖6提供了一個參考狀態(tài),有限狀態(tài)機決定當(dāng)復(fù)位信號(RST)被激活。復(fù)位和fpga時鐘信號是最高層次的信號因為復(fù)位信號重啟所有數(shù)字系統(tǒng)和時鐘信號，使這個設(shè)計成為一個同步數(shù)字系統(tǒng)確定數(shù)字系統(tǒng)操作速度,但另一個高的層次結(jié)構(gòu)信號是資格信號,有資格的信號用戶允許或者阻礙選擇的步進(jìn)電機運動,這樣,當(dāng)資格信號是禁用的步進(jìn)電機不動。轉(zhuǎn)變感覺和步進(jìn)式信號不會有一個高的層次,但他們是很重要的,因為他們決定運動特性。對于目前項目有必要考慮半步驟的運動,因為它是更精確的運動相比完整步驟的運動,這種方式,提出的控制數(shù)字系統(tǒng)提供了兩種精度水平的步進(jìn)電機運動,因此,可能得到更好的機械臂定位?？刂朴邢逘顟B(tài)機接收時間坐標(biāo)脈沖,相應(yīng)的步進(jìn)電機相狀態(tài)依據(jù)從用戶和步進(jìn)電機的選擇信號選定的運動特性;時間坐標(biāo)脈沖步進(jìn)電機相階段來自內(nèi)部功能塊,但步進(jìn)電機選擇信號來自用戶;控制有限狀態(tài)機詮釋步進(jìn)電機相狀態(tài)依賴于從步進(jìn)電機有限狀態(tài)機選擇的步進(jìn)電機運動特性,用戶選擇步進(jìn)電機希望移動和控制有限狀態(tài)機指定相狀態(tài)到對應(yīng)的步進(jìn)電動機。這個過程是按以下方式進(jìn)行:控制有限狀態(tài)機接收步進(jìn)電機相狀態(tài)擁fpga時鐘速度,這就是說,每一個fpga時鐘脈沖控制有限狀態(tài)機更新對應(yīng)的步進(jìn)電動機階段狀態(tài)和運動資格信息,這樣,任何運動序列幾乎立即改變產(chǎn)生的相關(guān)的行動，F(xiàn)PGA輸出狀態(tài)也幾乎立即反映這種變化的影響;時間坐標(biāo)功能塊的工作作為一個常數(shù)模塊計數(shù)器和發(fā)送控制有限狀態(tài)機的一個由設(shè)計師決定的常數(shù)周期脈沖。
控制有限狀態(tài)機發(fā)送給FPGA輸出相應(yīng)的步進(jìn)電動機相階段來選擇步進(jìn)電動機, 但不是在fpga時鐘速度,它發(fā)送那個的價值在時間坐標(biāo)脈沖速度。所有數(shù)字系統(tǒng)提出功能塊是和fpga時鐘完全同步的，但有必要減少它的頻率并用一個適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)行相應(yīng)的步進(jìn)電動機相狀態(tài)。
1. 結(jié)果
結(jié)果的每一個階段在那個設(shè)計里被劃分成以下部分: 機械臂結(jié)構(gòu)被建立在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b電機,在每一個三自由度生成一個自由運動; 一個基于功率晶體管的接口電路設(shè)計, 連接FPGA與步進(jìn)電機; 最后,一個數(shù)字系統(tǒng)被設(shè)計生成必要的和適當(dāng)?shù)男盘杹砜刂茩C械手臂運動。如前所述,無論是機械臂結(jié)構(gòu)和控制步進(jìn)電機運動的數(shù)字系統(tǒng)并不是考慮一個特定的運動軌跡, 但它是提出一個FPGA接口采取關(guān)于轉(zhuǎn)換意義相應(yīng)的價值, 步進(jìn)式和從用戶選擇的步進(jìn)電機。在接下來的四個圖片,可以看到控制數(shù)字系統(tǒng)仿真程序的結(jié)果。這是重要的說,照片顯示所有可能的運動的類型,連續(xù)波和完整步驟,反時針方向和完整步驟,連續(xù)波和半步驟,CCW和半步驟,最后, 一個額外的“堅持”的狀態(tài),但只有一個步進(jìn)電機。仿真結(jié)果,數(shù)字7,8,9和10展示只會是選擇步進(jìn)電機的運動選項。為了獲得一個正確的模擬他們定義一些控制信號。
這些信號是一種標(biāo)志,可以給關(guān)于步進(jìn)電機運動條件的一些信息:信號（RST）有能力重啟完整數(shù)字系統(tǒng), 在模擬的開始它被激活, 過很短的時間,然后它使其余的仿真市區(qū)能力; 時鐘信號(時鐘)正是FPGA時鐘信號,
它有一個標(biāo)準(zhǔn)的50mhz的頻率；使感覺信號(C)選擇連續(xù)波或反時針方向改變感覺, 如果它是禁用的，默認(rèn)轉(zhuǎn)換感覺是連續(xù)波轉(zhuǎn)換感覺, 如果轉(zhuǎn)換感覺信號被激活然后步進(jìn)電機運動是在反時針方向轉(zhuǎn)換感覺; 步式信號(F)選擇步進(jìn)電機的步進(jìn)式, 它被激活時將選擇一個完整步驟序列，當(dāng)它被禁用了默認(rèn)類型是半步序列; 啟動類型運動信號(STM)只是一個控制信號,表明準(zhǔn)確即時當(dāng)步進(jìn)電機的運動特性改變時; 步信號(S)只是一個控制信號,提示號碼必要的步驟來完成這個步驟類型選擇序列; 信息傳輸信號(S)是一個標(biāo)志信號表明信息在正確的方式轉(zhuǎn)移, 當(dāng)它被禁用時,信息轉(zhuǎn)移是正確的; 準(zhǔn)備好信號是一個旗語，這是激活顯示選定的運動的完成, 而且它也被激活當(dāng)選擇的步進(jìn)電機是在“堅持”狀態(tài); 最后,這個階段信號(φ)是一個信號總線,代表選擇的步進(jìn)電機相狀態(tài)。一個關(guān)于模擬過程的重要解釋已經(jīng)有結(jié)果，可以看到步進(jìn)電機序列是做在一個比FPGA標(biāo)準(zhǔn)頻率較低的頻率的改變。圖7顯示了模擬的第一部分,可以看到它完成半步和連續(xù)波序列, 和一些半連續(xù)波序列。圖8顯示第二部分的仿真。我們可以看到半步和連續(xù)波序列的結(jié)束退的武器序列,和的完整步驟連續(xù)波序列的開始。圖9顯示了模擬的第三部分, 我們可以看到完整步驟和連續(xù)波序列的結(jié)束,和完整步驟反時針方向序列的開始。圖10顯示了最后一部分的仿真, 它可以看到全部步驟和反時針方向序列的結(jié)束,和保持狀態(tài)。
4總結(jié)
機電一體化使用其他工程分支的知識，但是它有它的技術(shù)問題, 應(yīng)用程序和作為獨立的工程的特定的設(shè)計。這個項目需要應(yīng)用先前獲得的知識和技能,如:數(shù)字邏輯設(shè)計(有限狀態(tài)機);硬件描述語言(VHDL);
分層設(shè)計技術(shù)在于實現(xiàn)使用FRGA。 電子電路設(shè)計(接口和驅(qū)動電路); 最后,發(fā)動機和致動器(步進(jìn)電機)。選擇一個FPGA設(shè)計的主要的理由是提供工具來實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的快速原型，這是必不可少的在當(dāng)前的電子行業(yè)，反應(yīng)當(dāng)前的行業(yè)慣例; 和使用VHDL硬件描述語言來描述數(shù)字系統(tǒng)。 合成和實際硬件作為一個替代設(shè)計平臺來實現(xiàn)[3]。這個項目的用戶界面可以是一個電腦鍵盤,計算機或電子電路, 但對于這種情況，選定的用戶界面是FPGA自己的控制, 按鈕和開關(guān)。這個用戶界面不是最好的一個,但它是非常實用和多功能的。最大的并發(fā)癥出現(xiàn)在機械階段,因為機械傳動和聯(lián)合結(jié)構(gòu)是自己生產(chǎn)的, 有必要驗證那個元素的位置是否合適來生成一個自由運動。這個機械手臂提議是用可回收材料建造的。這個項目需要一個非常常見的工業(yè)應(yīng)用:控制機械結(jié)構(gòu)運動, 但在同時,它允許用FPGA做簡單化系統(tǒng)來控制復(fù)雜的機制。三自由度機械臂的被提出不能移動大部件,也不能提重物, 它可以被可回收的材料建立,如在這種情況下, 所以這個項目的主要目的是說明了數(shù)字設(shè)計流程和被專注于FPGA階段。
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