[硕士论文精品]嵌入式机器人关节运动控制器的研制

摘要随着机器人应用技术研究的深入，多关节机器人或者机械臂的应用越来越广泛。关节运动控制器作为机器人控制系统的核心，对其控制的精度和实时性提出了越来越高的要求。设计新一代的机器人关节运动控制器，涵盖先进控制理论、智能算法、嵌入式系统和分布式系统等方面的技术。本论文的主要研究目标是针对实验室的多关节机器人的物理结构，研制出一种通用的基于嵌入式DSP的全数字机器人关节运动控制器，实现对机器人关节的实时精确控制。嵌入式系统以其独特的专用性和高实时性在通信、导航、过程控制、飞机、航天等领域获得广泛应用。文中的嵌入式关节运动控制器由两个主要部分组成，控制部分与电机驱动部分。采用嵌入式DSP处理器作为嵌入式处理器，操作系统选用“COSII嵌入式实时操作系统。根据系统的实际要求裁剪了操作系统，最大限度地减少所占DSP的内存，充分利用“C0SII的相关内核机制，建立不同优先级的多任务。系统采用CAN总线通讯技术作为主要的通讯手段，RS232作为辅助的通讯方式。通过CAN总线连接各模块组成计算机控制网络，保证通讯的有效性。电机驱动部分由整流和智能功率模块构成，通过使用嵌入式DSP处理器的事件管理器输出6路PWM控制信号来控制智能功率模块IPM按照一定的关系导通，从而实现交流电机的变频调速控制。本文针对机器人高精度实时控制的要求，提出了一种基于粒子群优化的不完全微分PID算法。运用粒子群优化算法定时寻优PID参数，使其随着系统参数的变化而实时更新，实现最优不完全微分PID控制，较好地满足了机器人控制的要求。研制开发出的嵌入式机器人关节运动控制器实时性好、运行稳定、通用性强，并具有一定的可伸缩性，它不仅适用于机器人关节的运动控制，也适合各种交流电机的运动伺服，具有重要的推广应用价值。关键字机器人，嵌入式系统，ITCOSII，运动控制器，交流伺服控制ABSTRACTALONGWITHTHEDEVELOPMENTOFROBOT，APPLYINGRESEARCHANDTECHNOLOGY,THEAPPLICATIONOFPOLYARTICULARROBOTSORTHEMECHANICALARMSISMOREANDMOREEXTENSIVETHEJOINTMOTIONCONTROLLERISTHECOREOFROBOTSCONTROLLINGSYSTEMTHEREAREMOREANDMOREHIGHREQUESTSINITSCONTROLLINGPRECISIONANDINTERMSOFREALTIMETODESIGNROBOTSJOINTMOTIONCONTROLLEROFNEWGENERATION，ITISREQUIREDTHATTHEADVANCEDCONTROLLINGTHEORY，INTELLIGENCEALGORITHM，EMBEDDEDSYSTEMANDDISTRIBUTIONALSYSTEMTECHNOLOGYANDSOONTHEMAININTENTIONOFTHERESEARCHINTHISPAPERISTHATCONTRAPOSESTHEPHYSICALSTRUCTUREOFLABORATORYPOLYARTICULARROBOTS，ANDDEVELOPSASORTOFUNIVERSALALLDIGITALROBOTSJOINTMOTIONCONTROLLERBASEDONEMBEDDEDDSP，ACTUALIZESREALTIMEACCURACYCONTROLOFROBOTSJOINTEMBEDDEDSYSTEM，BYITSUNIQUESPECIALPURPOSEANDHIGHREALTIMEACCURACY，HASBEENDIFFUSELYAPPLIEDINCOMMUNICATIONS，NAVIGATION，PROCESSCONTROLLING，AIRPLANE，SPACEFLIGHTDOMAINANDSOONINTHISPAPER，THEEMBEDDEDMOTIONCONTROLLERISCOMPOSEDBYTWOMAINPARTS，THECONTROLLINGPARTANDTHEMOTORDRIVINGPARTEMBEDDEDDSPPROCESSORISUSEDINTHECHOICEOFEMBEDDEDPROCESSORWECOULDCHOOSEPCOSIIEMBEDDEDREALTIMEOPERATINGSYSTEMITHASSEVERALADVANTAGESTOCUTOUTTHEOPERATINGSYSTEMACCORDINGTOTHEACTUALREQUESTSOFTHESYSTEM，TOMAXIMUMLIMITREDUCESMEMORYOFDSPTHATISOCCUPIED，TOFULLYUTILIZESTHERELATEDESSENCEMECHANISMOFUC0SII，ANDTOESTABLISHESTHEDIFFERENTPRIORITYMULTITASKCANBUSCOMMUNICATIONTECHNOLOGYISONEOFTHEMAINMEANSOFCOMMUNICATIONINTHESYSTEMRS232ISANAUXILIARYCOMMUNICATIONMODETHECOMPUTERCONTROLLINGNETWORKISMADEUPOFVARIOUSMODULESTHROUGHCANBUS，ENSURINGTHATCORRESPONDENCEISVALIDTHEMOTORDRIVINGPARTISMADEUPOFTHECOMMUTINGMODULEANDTHEINTELLIGENTPOWERMODULE，THEINTELLIGENTPOWERMODULEIPMISLEADEDACCORDINGTOTHECERTAINRELATIONSTHROUGHTHEEVENTMANAGEROFEMBEDDEDDSPPROCESSOROUTPUT6GROUPSPWMCONTROLLINGSIGNAL，THUS，THATTIMINGCONTROLOFALTERNATINGCURRENTMOTORTHROUGHFREQUENCYCHANGEISACTUALIZEDINVIEWOFTHEHIGHACCURACYREALTIMECONTROLLINGREQUESTOFROBOTS，A【IPIDCONTROLWITHINCOMPLETEDERIVATIONBASEDONPARTICLESWARMOPTIMIZATIONALGORITHMISPROPOSEDINTHISPAPERTHEPARAMETERSOFPIDCONTROLAREOPTIMIZEDBYTHEPARTICLESWARMOPTIMIZATIONALGORITHM，KEEPINGITREALTIMEUPDATEWITHTHECHANGESOFSYSTEMSPARAMETERSTHISOPTIMIZINGIMPLEMENTSTHEOPTIMALPIDCONTROLWITHINCOMPLETEDERIVATION，HASPREFERABLYSATISFIEDTHEREQUESTOFROBOTSCONTR01THEEMBEDDEDROBOTSIOINTMOTIONCONTROLLERISEMPOLDERED，OFADVANTAGEOUSREALTIMEACCURACY，MORESTEADYOPERATIONANDBETTERUNIVERSALCAPABILITY，ANDOFSOMEEXPANDABILITYITNOTONLYEQUALTOROBOTSIOINTMOVEMENTCONTROL，BUTALSOADAPTSTOMOTIONSERVOOFMULTIFARIOUSALTERNATINGCURRENTMOTORS，WHICHMAKESITOFGREATERANDMOREIMPORTANTVALUEINTHEEXTENSIVEAPPLICATIONKEYWORDSROBOT，EMBEDDEDSYSTEM，GCOSII，MOTIONCONTROLLERACSERVOCONTROL誓ILILLLLILLJLLIIJ】ILLLLLLIIJLL，LLLLLII原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名缝I盘日期二生年旦月丑日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名坚至拄导师签名日旦玺日期生年卫月聋日硕士学位论文第一章绪论第一章绪论11机器人及其关节运动控制的发展综述11I机器人发展历史机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最具说服力的成就，是20世纪人类科学技术进步的重大成果。我国东汉时期公元25220年，张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形12J。人类历史进入近代之后，出现了第一次、第二次工业革命。随着各种自动机器和动力系统等装置的相继问世，机器人开始由幻想时期转入自动机械时期。1950年，美国作家阿西莫夫提出了著名的“机器人三守则”，给机器人社会赋以新的伦理性，使机器人更容易被人类社会所接受。1960年，美国的CONSOLIDATEDCONTROL公司研制出第一台机器人样机，并成立了UNIMATION公司，定型生产UNIMATION机器人。1962年第一台机器人UNIMATE在美国通用汽车公司GM投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。此后，机器人在人类生活中成为现实。1970年，在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议，此后机器人的研究得到迅速广泛的普及。1974年，CINCINNATIMILACRON公司开发成功多关节机器人；1979年，UNIMATION公司又推出了PUMA系列工业机器人，直到现在，许多机器人仍都以它为基础。机器人是跨领域技术的产物，它的进步取决于相关领域的发展，特别是信息处理、计算机科学、传感技术、微电子技术和通信网络等。到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。随后，工业机器人在日本获得了巨大的发展，日本也因此赢得了“机器人王国”的美誉。在此之后，随着自动控制理论、计算机科学和航空航天技术的迅猛发展，人工智能开始与机器人结合，机器人技术进入了一个崭新的发展阶段。20世纪80年代中期，机器人制造业成为发展最好和最快的经济部门之一。2000年，世界上约有100万台机器人在工作。跨入2L世纪后，机器人产业维持了较好的发展势头。2004年1月4日和1月25日，全世界瞩目的美国宇航局研制的“勇气”号和“机遇”号火星车经过半年多的飞行分别在火星上安全登陆，他们是目前最先进的空间机器人，成功的着陆和卓有成效的工作，具有划时代的意义。2004年2月，“世界第一届机器人会议”在日本福冈市召开，会议发表了世界机器人宣言。与会代表认为在机器人领域，正经历着从产业用机器人时代向生活用机器人时代的转变，各种用途的智能机器人相继问世。随着机器人在生活领域的不断普及，机器人硕士学位论文第一章绪论的智能化程度会产生质的飞跃。新一代机器人会真正成为人类的伙伴，并为人类的身心健康和构筑安全社会作出新贡献。我国机器人研究与应用起步于二十世纪70年代初期，国家“七五”计划拨款在沈阳建立了我国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与技术的研究。二十多年来，相继研制出示教再现型门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。我国在1986年3月开始的国家“863”高科技计划支持下，在水下机器人、微操作机器人、服务机器人、管道机器人、军用机器人、仿生机器人和智能机械等方面开展研究，取得了一批研究成果，在某些技术方面达到了国际先进水平。但从总体上与世界发达国家相比还有较大差距，没有形成规模产业，自主知识产权的成果较少。112机器人技术的发展趋势机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的前沿发展。先进机器人技术不仅是一个国家工业发展关键装备的重要支撑技术，也是一个国家空间资源探测、国防现代武器与公共社会安全反恐防爆装备发展的核心技术，同时也是未来一个国家发展助老助残、娱乐教育，家庭服务等新经济增长领域的竞争前关键技术。正因为如此，许多国家竞相把机器人技术列入本国的高技术发展计划或国家的关键技术进行研究和开发。如美国的“国家关键技术”和“国防部和能源部关键技术”计划，欧共体的“尤里卡计划”和“信息技术研究发展战略计划”，韩国、巴西、新加坡等发展中国家都有相应的计划内容。如今，机器人研究在以下多个方面异常活跃仿生机器人。仿生机器人是机器人发展的最高阶段131，也是机器人发展的制高点。主要包括仿蛇机器人、双足步行机器人，四足等多足生物行走机器人、仿生机器鱼、昆虫机器人和空中生物飞行机器人等。由北京理工大学等研制的BHR2型仿人机器人身高16米、体重66公斤，自由度32个，采用了多传感器融合技术，能够实现无电缆行走、语音对话等多种功能，并能进行太极、刀术等武术动作的表演，处于国际先进水平。纳米机器人。纳米机器人是可以在细胞内或血液中对纳米空间进行操作的“功能分子器件”，在生物医学中可以充当微型医生，解决传统医学难以解决的问题。纳米机器人可以注入人体血管内，成为血管中运作的分子机器人。纳米机器人可以对人体进行全身的健康检查，疏通脑血管的血栓，吞噬病菌，杀死癌细胞，监视体内病变等【41。水下机器人。水下机器人在海洋开发和军事应用方面有极为广泛的应用背景，已成为西方发达国家发展智能化海军武器的重要方向之一15L。目前，有缆水下机器人ROV实用可靠，完全自主式水下机器人AUV还有一些关键性问题需要解决。我国中科院研制的CROL型无缆自治水下机器人，最大潜水深度达6000米，总体技术水平居世界前列。今后，AUV将向远程化、智能化发展。在控制和硕士学位论文第一章绪论信息处理系统中，采用图像识别、人工智能技术、大容量的知识库系统，以及提高信息处理能力和精密导航定位的随感能力等。机器人技术发展到今天，正朝着自学习，自适应、自主性自治能力、智能性等方向进步。随着各行业对机器人日益迫切的需求以及先进机器人技术的发展，未来机器人技术的发展趋势为1群体机器人协同作业，共同完成更加复杂的任务，是机器人技术发展的趋势。群体机器人系统比单体机器人具有更强的优越性，如并行性、柔性、鲁棒性等。主要研究的内容为群体机器人系统的通信，群体机器人系统的协作与控制【6J，群体机器人系统冲突问题的解决。2临场感遥操作机器人L临场感遥操作机器人属于虚拟机器人研究范畴，已经成为当前机器人领域的一个研究热点，在空间探索、海洋开发以及原子能方面得到广泛应用。今后的研究重点将是临场感遥操作虚拟现实技术；触觉，视觉、力觉及运动觉的多信息融合技术；大时延及变时延条件下，提高临场感遥操作机器人系统稳定性、可操作性和透明性的研究。3可重构模块化机器人可重构模块化机器人是由一套具有各种尺寸和性能特征的可交换的模块组成，能够被装配成各种不同构形的机器人，可以适应不同的工作，满足市场不断变化的要求，因此它的研究已引起了越来越多的科研人员和工业应用的兴趣。目前已经开发的可重构机器人系统主要有两类一类是动态可重构机器人系统，主要适用于非制造行业，如空间机器人，危险作业环境下的特种机器人等另一类是静态可重构机器人系统，主要适用于工业机器人。任何机器人要正常工作必然会涉及到各个关节的运动与协调，关节运动控制系统是机器人的核心部分，直接决定了机器人性能的优劣，是机器人技术发展和研究的重要方向。在关节运动控制器的研究方面，美国、德国和日本在技术上处于领先行列。国内的关节伺服控制研究比较晚，到目前为止，还没有网络化的交流伺服控制器问世。因此，新型关节运动控制器的研究与开发具有非常重要的现实意义。112关于机器人关节运动控制动力和运动是可以相互转换的，从这种意义上理解，电动机是最常用的运动源。运动控制最有效的方式就是对运动源的控制。因此，一般通过对电机的控制来实现系统的运动控制。运动控制系统作为机器人控制技术的核心内容，直接关系到机器人的整体运动性能，因此在机器人的研制工程中都把对机器人的关节运动控制系统的研究作为首要任务之一。硕士学位论文第一章绪论目前，运动控制系统或电机控制系统主要有以下几种实现方式第一种是以模拟电路组成的运动控制系统。早期的运动控制系统一般采用运算放大器等分立元件，以模拟电路硬接线方式构成，成本比较低廉，没有附加延时，响应速度快，但器件易老化，可靠性不高。现在用在一些功能简单要求不高的场合。第二种是利用专用芯片实现的运动控制。一些公司为简化电机控制电路同时保持系统的快速响应能力而推出了专用的电机控制芯片。具有系统集成度高、速度快、所需元器件少、可靠性好等优点。但受专用控制芯片本身的限制，软件算法固化在芯片内部，降低了系统的灵活性，很难实现复杂的控制算法和功能，难以适应高性能、高精度的应用场合。第三种是基于微控制单元的运动控制系统。随着微控制单元的功能愈来愈强，目前使用微控制单元为核心构成的运动控制系统非常普遍。微控制单元具有大容量的存储器和较强的逻辑功能，运算速度快、精度高，可以实现较复杂的控制运算由于微控制单元的控制方式主要通过软件来实现，因而具有较强的灵活性和适应性。然而，由于微控制单元一般采用冯诺依曼体系结构YONNEUMANNARCHITECTURE71，使处理速度和能力有限，难以实现先进算法和满足运算量较大时的实时信号处理的需求，不适用于高速度、高实时性的场合。第四种是基于可编程逻辑器件的运动控制系统。由于现场可编程门阵列FPGA和复杂可编程逻辑器件CPLD具有用户可编程的特性，用户可以利用系统开发软件或VHDL等开发语言，通过软件编程实现运动控制算法，然后将这些算法下载到相应的可编程逻辑器件中，从而最终以硬件的方式实现运动控制。这种系统的主要优点有系统的主要功能可在单片FPGACPLD器件中实现，减少了元器件个数；由于系统的可编程特性，因而具有良好的扩展性和维护性，通过修改软件即可实现系统的升级；系统以硬件实现，响应速度快，可实现并行处理；容易开发，通用性强。但是由于可编程逻辑器件实现的控制算法越复杂，晶体管内部需要的晶体管门数就越多，成本就越高。因此，一般使用可编程逻辑器件实现较简单的运动控制系统。对于具有高精度、高速度和实时性要求的强耦合非线性多关节机器人，传统的运动控制系统已无法满足其性能需求。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗方面要求严格的专用计算机系统【81。近几年来，嵌入式技术已经成为新的技术热点，广泛应用于各种控制场合。相对于其它的领域，机电控制可以浣是嵌入式系统应用最典型、最广泛的领域之一。机器人技术的发展从来就是与嵌入式系统的发展紧密联系在一起的一J。随着计算机科学，通讯技术，半导体技术和电子技术的发展，机器人关节运动控制系统硕士学位论文第一章绪论将向嵌入式、全数字、网络化方向发展。12课题来源与论文主要研究内容121课题来源“嵌入式机器人关节运动控制器的研制”是中南大学机器人控制实验室建设的项目之一，是四关节教学机器人研究课题的一个子课题。在此之前的研究工作中，机器人控制实验室已自行研制出了四关节教学机器人系统的机械机构、控制板，洽购了相应的机器人关节驱动电机和配套的电机伺服驱动器。但控制效果并不好，伺服驱动器参数不可调，难以满足机器人定位精度高的要求。本课题主要是研究出一套通用的开放式的机器人关节运动控制器，取代原有的电机伺服驱动器，并将控制系统不够合理的三级CPU体系结构改进为两级CPU体系结构，同时研究关节运动控制器参数的实时控制算法，满足构建变结构机器人控制器的要求。122论文的主要内容本课题对基于嵌入式系统的机器人运动控制器的硬件结构、软件及控制策略作了较为深入的研究。该运动控制器采用嵌入式DSP处理器作为嵌入式处理器，实时操作系统选择J3COSII，利用永磁同步电机作为驱动装置，依据先进的控制算法实现机器人关节的精确运动控制。论文的主要内容包括以下几个方面第一章主要是研究背景介绍，包括机器人及其关节运动控制的综述、课题来源与论文主要研究内容等。第二章主要叙述嵌入式机器人运动控制器的总体方案设计。首先介绍了实验室多关节机器人控制系统的总体结构，然后介绍了嵌入式机器人关节运动控制器的总体方案设计。第三章叙述永磁同步电机数学模型的建立与控制算法研究。其中包括坐标系的设立、推导电机数学模型、矢量控制方法的论述以及其基于粒子群优化PID控制算法研究等。第四章介绍嵌入式机器人运动控制器的硬件设计。包括嵌入式系统的一般设计方法，控制器的系统功能划分、嵌入式DSP处理器及相关外围电路的设计。并针对主要的电路进行了详细的电路设计和相关分析。第五章是嵌入式机器人运动控制器的软件设计。主要包括嵌入式实时操作系统的选择，UCOSII在DSP上的移植，系统多任务的划分及建立，CAN总线通信协议，多任务的通信与调度等。第六章是电磁兼容性设计，主要阐述了数字模拟电路设计中应遵循的一般原则，以及应注意的重要问题等。堡主堂垡笙奎翌二皇一一丝第七章介绍嵌入式机器人关节运动控制器的调试与运行。主要有硬件和软件调试内容，调试的步骤，系统运行效果等。第八章是整个论文的总结，对论文研究工作进行了总结，指出了有待改进之处，提出了今后工作的重点和研究方向。13本章小结本章首先回顾了机器人的发展历史，并分析了机器人技术及其关节运动控制的发展趋势，接着介绍了课题来源及主要研究内容，最后介绍了论文的内容安排。6硕士学位论文第二章控制器的总体方案设计第二章控制器的总体方案设计21实验室四关节机器人控制系统的结构机器人控制系统是机器人系统的核心部分，机器人性能的好坏、功能的强弱、后续的可扩展性与控制系统息息相关1。在分析对比了多种控制系统的体系结构后12,13,14】，我们采用了基于CAN总线通讯技术的分布式机器人控制系统【。5,16,17】。整个控制系统分为三大模块主控规划模块、通讯模块和关节运动控制模块，系统拓扑结构如图2一L所示。每个关节的驱动使用同一系列的电机，每个电机拥有单独的运动控制器，各个关节可以完成同步或异步的运动。基于现场总线控制功能下载的思想，将处理器和现场总线接口嵌入电机运动控制器，进而形成智能型独立的全数字控制执行单元。将带有通讯功能的智能单元直接挂接在现场总线上，就形成了新型的异构分稚式系统IL”。与传统控制系统相比省却了介于主控计算机和伺服驱动单元之间的位置控制板，减少了硬件数量和信号的传送。各节点独立自主，可与外界以及相互间进行信息交流，而且还可以加挂其它控制设备，系统的伸缩性好。图21分布式多关节机器人控制系统拓扑图1主控规划模块使用嵌入式工业计算机，对机器人进行轨迹规划、任务分配、调度和计算运动学正逆解，完成机器人系统的监控，以及实现人机交互等功能。它通过分析系统状态和关节运动控制模块反馈的信息，规划机器人的运动轨迹和完成相应运动数据运算及控制。2通讯模块采用CAN总线通讯技术，CANCONTROLAREANETWORK总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络【L91。通讯模块接收各关节运硕士学位论文第二章控制器的总体方案设计动控制器传来的信息并送到主控规划模块，主控规划模块根据先进的控制算法和任务要求，实时生成各关节的任务规划信息，并通过CAN总线传送到各关节运动控制器以控制系统的运行。3关节运动控制模块系统中每个关节对应一个嵌入式机器人关节运动控制器，所有的关节运动控制器在硬件结构上是完全相同的，只是内部的软件有所不同，这样提高了互换性。关节运动控制器支持CAN总线通讯，通过CAN总线从主控规划模块获得控制指令和运动数据，经过控制算法运算处理后输出控制伺服电机的信号，驱动关节运动。同时采集关节实时信息作为控制算法参数，计算出下一个周期的控制指令。22嵌入式机器人关节运动控制器的总体方案设计221嵌入式处理器的选择从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种数量已经超过1000多种F20】，流行的体系结构已达30几种。嵌入式处理器一般具有以下特点1对实时多任务操作系统具有很强的支持能力【21】；2具有功能很强的存储区保护功能；3处理器结构可扩展；4低功耗。近几年来，嵌入式处理器的主要发展方向是小体积、高性能和低功耗。根据现状，嵌入式处理器一般分成四类，即嵌入式微控制器MICROCONTROLLERUNIT，MCU、嵌入式微处理器MICROPROCESSORUNIT，MPU、嵌入式DSP处理器DIGITALSIGNALPROCESSOR，DSP和嵌入式片上系统SYSTEMONCHIP，SOC。基于机器人运动控制中大量的信息数据处理需要高速运算功能的考虑，我们采用嵌入式DSP处理器作为关节运动控制器的嵌入式处理器。嵌入式DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，采用改进型哈佛结构，指令算法进行了特殊的设计，具有很高的编译效率和指令执行速度，特别适合于需要高速运算处理的场合。比较有代表性的产品是TEXASINSTRUMENT的TMS320系列和MOTOROLA的DSP56000系列。使用了DSP后，就可以应用自适应控制、KALMAN滤波、状态控制等先进的控制算法，使系统的性能大大提高。222控制电机的选型目前在机器人的运动控制系统中比较常用的电机有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。他们的工作原理、特点与控制方式如表21所示12“。随着电子技术、电机技术、材料科学、计算机网络，传感器和微处理器的发展，交流伺服系统已成为高性能伺服系统的主要发展方向之一【2引。在现代交流伺服控制系统中，永磁同步电动机简称PMSM以其优异的性能而广泛应用于数控机床、机器人【241、航空航天等要求高精度、高动态性能的领域。三相交流永磁同步电硕士学位论文第二章控制器的总体方案啦计表2L各种电机工作原理、特点与控制方式比较电机工作原理主要特点控制方式控制简单，D直接实现数字控制。结构简单，无换向开环控制，位移步进将数字式电脉冲信号转换为器和电刷，坚固耐JL。抗干与脉冲数成正比，电机机械位移。扰能力强。缺点是能IJ转按速度与脉冲频率效率低、易失步、过载能力成正比。JL；。由定子、转子、电刷珀换向控制简单；启动转矩大、转速采用电压直流器构成。电机加直流电源，借助体积小，重量轻转述和转控制方式，两者成伺服于抉向器和电刷的作J；I；|，使电流矩容易控制效率高；需要正比转矩采J；LJ电电机方向随转予的转动角度而变化，定时维护和更换电刷，使用流控制方式，两者实现连续旋转。寿行短，噪声火。也成正比。交流按结构分为同步干异步IB帆。没有机械拯向器和U刷，分为电压控制伺服无删直流电机结构与同步电机蔸维护控制性能好驱动和变频控制两种电机相同，特性与直流电机相同。电路复杂价格高。方式。机与三相异步电机相比虽然存在不能直接启动的问题，但它、需要无功励磁电流，对于同等容量输出，功率因数较高它山永磁体建立主磁通，不存在转子发热的问题效率较高；转矩大、可靠性高；体积小、鲁棒性强等。综合考虑控制要求、定位精度等多方面的因素，在本系统的研制过程中选用三相交流永磁同步电机作为伺服电机，具体为P,MASONIC公司MSMA系列交流伺服电机其主要参数见表221”I。袁22PANASONIC交流伺服电机主要参数关节名称电机关节名称电机型号MSMA5AZALH型号MSMA5AZA】H小惯量、有键槽、制动器小惯昔、有键描、制动器输出功率50W输出功率50W输入电压3相42V输入电压3相42V腕关竹输入电流L0A肘关节输入电流10A额定速度3000RRAIN额定速艘3000RMI,1带增量式编码器带增量式编码器脉冲数2500PR脉冲数2500PR分辨率10000PR分辨率】0000DR型号MSMA012AIH型号MSMA022ALG小惯量、有键槽、制动器小惯母、有键槽、无制动器输IJ功率100W输出功率200W输入电压3相84V输入电压3相92V肩关节输入电流L0A脞关节输入电流I6A额定速度3000RMIN额定速度3000RNIN带增量式编码器带增量式编码器脉冲数2500PR脉冲数2500PR分辨率10000PR分辨率10000PR作为机器人运动的执行部件，我们选州的电机体积小、重量轻、力矩大低惯性，具有良好的控制性能。调速性能好在额定转速以下，为恒力矩调逮方式；在硕士学位沦文第二章控制器的总体方案设计额定转速以上，为恒功率调速，且抗过载和抗过进性能都很好。高速增量式光电编码器与电机一体化垃汁，电机每转圈发出2500个脉冲，大大方便我们进行精确的运动控制。此外，机器人腕、肘和肩的关节执行电机还装有专I。的制动器，防止机器人失电状态下工作台的跌落或意外情况下的紧急制动。键槽能将电机主轴与工件连接得更紧，有利于增加传动装置的刚性。223关节运动控制器的总体方案根据实验室多关节机器人的实际控制要求，嵌入式机器人关节运动控制器主要由嵌入式DSP处理器、外田接几电路主要包括通讯接口、显示接口、键盘接口和IO接口组成的控制部分和交一直一交变频的驱动部分组成。考虑到驱动部分中的强电对控制部分弱电的影响，故弱电与强电不在同一块印制电路板，而是分离采用两块电路板控制板和驱动扳，两者之间的信息交换通过铜电缆相连实现。控制器的总体方案如图22所示。RST一220V控制电源IE型雁I瞧IPM熙L逆变器雹尔传感器信号滤波与转换嵌入式DSP处理器显示接口通讯接口键盘接口110接口PMSM再编码器图22嵌入式机器人关节运动控制器的总体方案其巾控制部分的电源对性能要求很高，我们采用开关电源，它具确体积小重量轻，效率高、发热量低、性能稳定等优点。驱动部分选用集成的整流模块和智能功率模块IPM，以减小装置的体积，提高电路的稳定性。嵌入式DSP处理器的控制信号经过高速光隔后再与1PM逆变器帕连，实现两者的电气隔离。关节运动控制器具体的硬件电路设计将存第凹章详细阐述。23本章小结这一章中，首先介绍了实验室多关节机器人控制系统的结构，采用了基于CAN总线通讯技术的分布式系统，接着对其中重要的组成部分一关节运动控制器，阐述了基于嵌入式系统的设计，并对嵌入式处理器和执行电机进行了比较选型。硕士学位论文第三章永磁同步电机数学建模与控制算法的研究第三章永磁同步电机数学建模与控制算法研究31永磁同步电机的数学建模311坐标系设立在研究三相交流永磁同步电机PMSM数学模型的特性及进行控制时，最终控制对象是定子侧的电流或电压。但是，三相交流电机的各物理量电压、电流、磁链等都是交流量，其空间矢量在空间以同步角频率缈旋转。如果直接在三相坐标系下进行研究，对其进行计算、控制都非常困难。若能将这些空间矢量变换到两相平面坐标系下进行研究，则计算与控制都能得到很大的简化。因此，需要对三相交流电机参考坐标系进行变换，即坐标变换。三相交流电机坐标变换主要用到以下三种坐标系1三相静止定子坐标系爿BC坐标系，如图31所示。BB相C图31三相静止定子坐标系三相交流电机定子绕组的轴线分别为爿、B、C，彼此相差1200，组成三相静止坐标系。假使在三相交流电机的定子三相绕组中通以时间上互差1200的三相平衡正弦电流IA、I。、I。，可以产生以同步角频率GO旋转的三相定子合成磁动势空间矢量F。2两相静止定子坐标系A口坐标系，如图32所示。假定有两相固定绕组，这两相绕组的轴线分别为A，其空间位置相差900电角度，组成A、声两相静止坐标系轴逆时针超前6轴900电角度。当在此两相固定绕组A、中，通以在时间上相差900电角度的两相平衡交流电流F。、F8时，同样也可以产生与前述三相定子合成磁动势空间矢量相同的，以同步角频率CO旋转的合成磁动势空间矢量只。HI，硕士学位论文第三章永磁同步电机数学建模与控制算法的研究PF8F图32两相静止定子坐标系3两相旋转转子坐标系DQ坐标系，如图33所示。_么八一JEL一EL，士甘蝤妇图33两相旋转转于坐标系前述坐标系都是静止不动的，而如图33所示，假定有两相绕组，其轴线分别为D、Q，空间位置相差900电角度，构成D、Q两相坐标系印坐标轴逆时针超前D坐标轴900电角度。如果在该相互垂直的绕组D、Q中通入直流电流、，将分别产生两个固定磁动势乃、C，如果让D、Q坐标系同时以同步角频率旋转，则乃、C也随之旋转，同样也可以产生与前述三相定子合成磁动势空问矢量等效的、以同步角频率旋转的合成磁动势空间矢量E。因此，通过坐标之问的变换就可以将三相交流电机定子侧的空间矢量变换到所需的两相坐标系下，进行控制及计算。312电机数学模型永磁同步电机转子采用高磁能积的稀土永磁体作磁极，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。转子磁极在气隙中产生正弦磁场，在定子绕组中感应出正弦电动势波形。其定子与同步电机定子基本相同，输入三相F弦交流电流。转子结构简单，按冯，、，硕士学位论文第三章永磁同步电机数学建模与控制算法的研究永磁体安装形式分类有面贴式、插入式和内装式。用于伺服控制的PMSM一般采用面贴式结构，其凸极效应较弱，气隙均匀且有效气隙大。PMSM电机数学模型的建立是基于以下假设的1电机是线性的，参数不随温度等变化；2永磁材料的电导率为零；3不考虑电机的涡流损耗和磁滞损耗4转子上没有阻尼绕组和启动绕组，永磁体没有阻尼作用5相绕组中感应电动势波形是正弦波F261。基于两相旋转坐标系DQ坐标系的永磁同步电机的数学模型可表述为电压方程UQRIQLQ丢IQLDIDNP。BFTLPOUURIALD。ILQ，ZP国定子磁链方程妒D2LAIA妒F2LQIQ电磁转矩方程31323334123KP12ZAIQ一GIA。3NP2GTFIQ一LALGIAIQ】35运动方程瓦JDO，ED，O乙36DRDF式中，IA、IQ为ZQ轴定子电流分量，“D、1,L。为吐Q轴定子电压分量，R为定子电枢绕组电阻，妙D、。为气隙磁链，R为转子磁钢在定子绕组中产生的耦合磁链，厶、L。为电机D，Q轴的主电感，胛。为电机转子的磁极对数，T，为转子与负载的转动惯量、B为摩擦系数、乙为电机负载的转矩，O为角速度、0，为电角速度，且珊。TL。CO，0为转子的机械位置与起始点的夹角。313矢量控制方法1972年，德国的FBLASCHKE等人提出了交流电机磁场定向控制的原理，后来经过多年的发展，逐渐形成了比较完整的矢量控制理论体系”1，到目前已达到成熟阶段。矢量控制技术的应用，使得交流伺服系统逐步具备了调速范围宽、稳速精度高、动态响应快等良好的性能。矢量控制技术利用坐标变换的方法，将三相交流电机定子侧各空间矢量从ABC坐标系变换到DQ坐标系，从而可以将在空间以同步角频率旋转的各空间矢量变换为直流量以便进行控制。在三相系统等效为两相系统时，如果站在DQ坐标系上看，交流电机的各空间矢量都变成了静止矢量，其在DQ坐标系上的各分量都是直流量，故易于确定转矩和被控矢量各分量之间的关硕士学位论文第三章永磁同步电机数学建模与控制算法的研究系，实时计算出被控矢量各分量直流给定量的值。由于这些被控矢量的直流分量在物理上是不存在的，不可能直接控制交流电机，故还需进行坐标反变换，从DQ坐标系回到ABC坐标系，将以上各种直流给定量变换成物理上存在的交流给定量，在4一BC坐标系下对交流电机的交流量进行控制。矢量控制算法有很多种形式，对于永磁同步电机，最常用的是转子磁场定向矢量控制FOC算法。对于A彤两相静止坐标系，其A轴与定子A相绕组轴线重合对于DQ两相旋转坐标系，其D轴和转子磁场方向重合，旋转速度等于电角速度CO。OE为D轴相对于A轴逆时针旋转的角度，且。DODDT，如图34所示。群_仪A定孑爱组电流在A印坐标系的空间矢量定义为ISISIQISB每QSAKISB配ISC、婚一1、式中，LSA、LS口及ISC为三相定子绕组的相电流的瞬时值，K代表B相轴线方向单位矢量，七P。，萨代表C相轴线方向单位矢量，P。Y，和如分别为在口、口两个坐标轴上的投影。由此定义可知，0在各相绕组轴线上的投影等于各相电流的瞬时值。对于三相平衡系统，零序电流分量为零，即硝矿0CO。因此，由上述关系式可推出三相到两相的CLARKE变换方程卜_1”一LKRKISC4338设定子电流在DQ坐标系表达的空间矢量为IS，则可得ISISDKISE_I8E3式中，白和K分别为在D，G两个坐标轴上的投影。坐标到旋转坐标的PARK变换方程1439这样可以得到由两相静止硕士学位论文第三章永磁同步电机数学建模与控制算法的研究ISDIS，COSOEISPSMEE310ISQ一IS口SIN8ESBCOSOE以及由两相旋转坐标到静止坐标的PARK逆变换方程忆，ISDCOSOE一I,QSN8E3一11ISPLJSDSINEELSQCOSOO对于转子是凸极式的永磁同步电机，厶。，则电磁转矩方程式35可以变换为2正2三TLPVFISQ312对于永磁电机，妙，为一常数。因此，通过控制F。的交轴分量就可以实现对转矩的瞬态控制；如果保持直轴分量00，则可以用最小的电流幅值得到最大的输出转矩，就达到了矢量控制的目的，实现三相永磁同步电机转矩的线性化控制。脉宽调制上我们采用适合于数字控制的电压空间矢量脉宽调制SPACEVECTORPWM，TF简称,SVPWM技术28,29】，其原理如图35所示。SVPWM是以三相正弦波LP屹010II0爪1。勰VT000厉Y，。V固一蚝001LK101图35电压空间矢量脉宽调制原理图电压供电时交流电机的理想磁通轨迹为基准，用逆变器的八种开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，使电机获得幅值恒定的圆形磁场即正弦磁通，从而达到较高的控制性能。合成电压矢量的计算公式为肾等_孚。等式中，为参考电压矢量，匕、为相邻的分矢量，为零矢量31371为PWM周期，疋、L为分矢量的作用时间，RO为零矢量的作用时间。与传统的正弦脉宽调制SPWM相比，SVPWM的开关次数可以减少13，直流电压的利用率可提高15，能获得较好的谐波抑制效果，且易于实现全数字化控制。硕士学位论文第三章永磁同步电机数学建模与控制算法的研究在面贴式永磁同步电机中，电机的参数三。和LD相等，而在矢量控制中ID0，代入式3一1、式32可得DIUQLQI确QVFNP伪314蚴2厶IDIDLQNP315若以Q轴定子电压分量“。和负载转矩乙为输入量，以转子位罨P为输出量，由式312、式314和式36可得出永磁同步电机的动态结构图，如图36所示。图36永磁同步电机动态结构图永磁同步电机伺服系统可采用典型的三环控制结构内环为电流环口01，中环为速度环，外环为位置环。我们采用的矢量控制的结构如图37所示。图37三相水磁同步电机矢量控制结构简图在永磁同步电机伺服系统中，电流环必须保证定子电流对矢量控制指令的准确跟踪，我们采用PI调节器，以使系统快速响应，消除静态误差。速度环的实现目标是在系统稳定的前提下，尽量扩展调速范围，加快动态响应，保证速度控制的快速准确，同时还要抑制参数变化和负载变化引起的扰动。采用积分分离PID算法，即当速度偏差较大时，为加快动态响应，防止积分饱和，取消积分作用，只采用PD控制；当速度偏差减小到设定闽值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。由于伺服系统的负载变化范围大且变化频繁，如果速16硕士学位论文第三章永磁同步电机数学建模与控制算法的研究度调节器采用固定的控制参数，当输入给定或系统参数变化时，很难得到令人满意的动态响应特性。需要使PID参数随着速度和负载变化实时在线寻优，以提高系统的速度控制性能。系统的位置控制要求响应迅速，无超调或超调非常小，稳态误差为1个脉冲，采用参数定时更新的最优不完全微分PID控制。电流环调节周期是1009S，速度环调节周期是LMS，位置环的调节时间为3MS。系统的控制过程为给定位置信号与反馈回来的转子位置信号相比较，经过位置调节器的调整，输出速度指令信号。速度指令信号与反馈回来的转子速度信号相比较，经过速度调节器的调整，输出作为转矩控制的电流Q轴参考分量氏。同时，定予反馈的三相电流经过计算处理与坐标变换，得到旋转坐标系中的直流分量K、氏。FSQ。、氏。值为零与电流反馈量良。、氏的偏差经过电流调节器调整，分别输出ODQ旋转坐标系中的相电压分量蚝。和蚝D。蚝。和K。通过PARK逆变换转换成OAP直角坐标系中的定子相电压矢量的分量和以。，通过SVPWM调制技术输出六路PWM驱动智能功率模块IPM，产生可变频率和幅值的三相正弦电流输入电机定子。32基于粒子群优化PID控制算法研究比例一积分一微分PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制策略，具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，目前有超过90的工业控制器中仍然采用PIDIJ“。PID控制的效果取决于其参数的整定，如何实现、兀和乃三个参数的优化是影响系统控制性能的关键所在。由于一般的PID调节器其控制参数都是一经确定就固定不变的，对于带分布参数的强耦合、多变量、非线性的机器人控制系统，控制效果不理想。故需要运用先进的优化算法，实时在线寻优PID参数，使控制参数随外界条件的变化而变化，实现机器人关节的最优控制。321粒子群优化算法PSO1粒子群优化算法原理粒子群优化算法是由EBERHAR与KENNEDY在研究鸟类和鱼类的群体行为基础上于1995年提出的一种全新的基于群体智慧的模拟进化算法32,33J，它以个体的协作与竞争来完成对复杂搜索空间内最优解的搜索。与遗传算法相比，PSO算法没有选择、交叉和变异等操作，而是通过调整粒子的飞行速度与位置信息来完成的，具有概念简单、容易实现、智能背景深刻等特点。迄今为止，PSO成功地解决了许多实际问题，例如任务分配问题【34】、旅行推销商问题TRAVELINGSALESMANPROBLEM，TSP以及多目标优化问题【36】。此外，PSO用于电力系统371、通信系统O81、化学工程【391、生物工型401等领域，都取得了很好的效果。硕士学位论文第三章永磁同步电机数学建模与控制算法的研究在PSO算法中，每个优化问题的潜在解都表示为目标搜索空间上的一只鸟，抽象为“粒子”，所有的粒子都有一个由目标函数确定的适应度值，每个粒子具有一个决定其移动方向和位移大小的速度，所有粒子追随当前最优粒子在解空间内进行搜索。PSO初始化为群随机粒子，通过迭代找到最优解，在每次迭代中，粒子通过跟踪两个极值来更新自己，其一就是粒子本身所找到的最优解，即个体极值，其二是整个种群目前的最优解，即群体极值。在数学上