六轴工业机械手电机控制系统设计
倪植，张兴华，刘卓霖，黄玥，庄国锐
【摘 要】摘要：控制电路由6个STC12C5A60S2单片机及其他外围电路组成，每个单片机通过编码器反馈控制电机的转角，通过PID算法可以准确的控制关节的转动速度及位置。该设计能有效地降低工业机械手的成本，取代人力进行物料搬运与放置。
【期刊名称】中国设备工程 【年(卷),期】2016(000)016 【总页数】2
【关键词】六轴；机械手；电机；控制
0 引言
在需要做重复搬运或者给机床做上下料的场合，可以用工业机械手来取代人工劳动。但是工业机械手的成本普遍比较高。本设计采用无刷直流电机驱动。可以抓取800mm范围内的2kg物体，取代人工进行物料搬运,是一种工业机械手低成本的解决方案。
1 六轴机械手机械设计图与实物图（图1、2） 2 单片机选择与控制架构
本设计采用STC12C5A60S2型号贴片封装的单片机作为控制芯片。
STC12C5A60S2是一款具有A/D转换功能的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。具有8路高速10位输入型A/D转换（250k/s），可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。用户可将任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使
用。
为了减轻单片机的工作负担，每个单片机控制一个关节上的电机，并由一个主单片机控制，即一个单片机主机控制各关节的单片机从机，各单片机从机再控制各关节电机。
单片机从机产生PWM信号给直流电机伺服器，直流电机伺服器驱动直流无刷电机，电机上面的增量式编码器反馈信号给单片机从机，从机再把位置信号经过处理反馈给主机。
3 单片机最小系统设计
STC12C5A60S2最小系统主要有上电复位电路，晶振时钟电路组成。晶振时钟电路是单片机的心脏，单片机各功能模块的运行都是以时钟频率为基准，按照时钟周期一步一步的工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
4 5V稳压电源电路设计
本设计中5V稳压电源电路采用LM7805三端稳压电源模块，LM7805额定输出电流1.5A，最大输入电压35V，适合本设计的要求。而且LM7805的外围电路相对简单，可靠性高。
5 电机驱动电路
本设计为了提高PWM信号的负载能力，采用了74HC244三态数据缓冲器作为直流伺服驱动器的驱动芯片，提高单片机工作的稳定性（图3）。
6 D/A转换电路
由于本设计所使用的直流无刷伺服驱动器的输入信号是模拟信号，所以单片机输入的PWM需要转换成模拟信号。D/A转换电路是通过二阶RC低通滤波电
路将PWM信号转换成模拟信号。如图4。
7 六轴机械手控制系统电路PCB设计
本设计中首先应考虑的是与机械尺寸有关、体积大的元器件和核心IC的布局，然后考虑的才是外围元器件的布局与调整。PCB元器件布局结束后，就对电路板进行布线工作。PCB的布线方式有两种：自动布线和手工布线。
对于不同的电路，布线要求一般是不同的，就算是同一块电路板，不同的网络其布线大小和方向也不同。
比如，电源线和电源接地线通过的电流较大，要求布线的线宽要大点、回路要短；耦合或逻辑电路只用于传输信号，因此布线相对可以细些。 所以为了减少PCB过孔的数量，在对电路影响不大的情况下整体线宽设置相对较小。 在本设计中，优先对电源线和电源接地线进行手工布线，线宽设置为15mil；然后锁定已经手工布线的走线，再进行自动布线，线宽设置为8mil。对制作好的PCB进行元器件焊接、测试。上电后对电源电路、单片机串口烧录和D/A转换电路的测试，各模块电路工作正常。
8 机械手控制程序编程算法
光电编码器是高精度控制系统常用的位移检测传感器。当控制对象发生位置变化时，光电编码器便会发出A、B两路相位差90b的数字脉冲信号。正转的时候A超前B为90°，反转的时候B超前A为90°。
脉冲的个数与位移量成比例关系，因此，通过对脉冲计数就能计算出相应的位移。编码器的A相输出端接到单片机的外部中断INT0，B相输出端接到I/O端口P0.7。
当系统工作时，首先要把中断0初始化成下降沿触发，并开相应中断。当有效
六轴工业机械手电机控制系统设计
