（机械电子工程专业论文）基于dsp的农业机器人关节控制器的研究.pdf

摘要 农业机器人不仅可以解决劳动力的不足，还可以提高劳动生产率，改善农业生产环境。 近年来，我国加大了对农业机器人的研究投入。控制系统作为农业机器人的重要组成部分， 不仅要求性能良好，还要求价格低廉。在我国目前研究的农业机器人中，主要采用的是市场 上购买的运动控制系统，价格昂贵，不适合于农业机器人。本课题着重研究农业机器人的控 制系统。主要研究内容和结论如下： l ，在深入分析农业机器人控制系统功能的基础上，设计了基于上、下位机的总体控制方 案，把基于d s p 的运动控制技术引入到农业机器人控制系统。 2 、搭建了四关节机器人运动控制系统的软、硬件平台。自行研制了基于d s p 的控制电 路板和基于i p m 的功率驱动电路板。在p c 机上利用v c + + 开发了上位机软件；在c c s 2 0 开 发环境下采用混合汇编语言编写了下位机软件。 3 、对各关节电机的运动状况进行了试验，结果表明所研制的关节控制器能实现4 个电机 的正、反转和速度调节，运行平稳；借助高精度滚珠丝杠机构，检测了关节控制器的运动精 度，测试结果表明各关节电机运动的平均误差在1 0 m m 范围内。 关键词：农业机器人，运动控制，d s p ，i p m a b s t r a c t a g r i c u l t u r a lr o b o tc a nh e l pt om i t i g a t et h es h o t * a g eo fa g r i c u l t u r a ll a b o u rf o r c e ，i m p r o v e a g r i c u l t u r a lc o n d i t i o n ，a l s ow i t hh i g hp r o d u c t i v i t y l a t e l y , t h ed e v o t i o no nt h er e s e a r c ho f a g r i c u l t u r a lr o b o ti si n c r e a s e dg r e a t l yi no u rc o u n t r y c o n t r o ls y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h e r o b o ts y s t e m , w h i c hn e e dt om e e tt h ec l a i mo fh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t n o w , t h ec o n t r o l s y s t e mi na g r i c u l t u r a l r o b o ti no u rc o u n t r ym o s t l yb u yf r o mm a r k e t ，w h i c hi se x p e n s i v ea n d u n s u i t a b l ef o ra g r i c u l t u r a lr o b o t s ot h ek e y s t o n eo ft h i st h e s i si st or e s e a r c ha g r i c u l t u r a lr o b o t s c o n t r o ls y s t e m , f o l l o w i n g sa r et h em a i nc o n t e n t ： 1 a n a l y z et h ef u n c t i o no fa g r i c u l t u r a lr o b o t sc o n t r o ls y s t e mp r o f o u n d l y , d e s i g ng e n e r a l p r o j e c tb a s e do nu p p e r 、l o w e rc o n t r o lc o m p u t e ra n di m p o r tm o t i o nc o n t r o lt e c h n i q u eb a s eo nd s p t oa g r i c u l t u r a lr o b o t 2 f o u n dac o n t r o lf l a tr o o ff o rf o u rj o i n tr o b o t r e s e a r c hj o i n tc o n t r o lc i r c u i tb o a r db a s eo n d s pa n dp o w e rd r i v i n gc i r c u i tb o a r db a s eo ni p m d e v e l o pu p p e rc o n t r o lc o m p u t e r ss o f t w a r e u s i n gv c + + o np ca n da d o p tm i x e da s s e m b l yl a n g u a g ep r o g r a m m i n gl o w e rc o n t r o lc o m p u t e r s s o f t w a r ei nc c s 2 0d e v e l o pe n v i r o n m e n t 3 d oe x p e r i m e n tt ot e s tt h el o c o m o t i o ns t a t u so fe a c hm o t o r , a n dt h er e s u ks h o w st h a te a c h m o t o rc a l lr u nc o r r e c t l yi nb o t hc l o c k w i s ea n da n t i c l o c k w i s ed i r e c t i o ni nt h ec o n t r o lo f t h em o t i o n c o n t r o l l e r a l s o ，t e s tt h ec o n t r o l l e r sm o t i o np r e c i s i o nw i t ht h eh e l po ft h eb a l lb e a r i n gs c r e w b a r m a c h i n e r y , a n d t h er e s u l ts h o w s t h a t t h ea v e r a g e f r o r o f e a c h m o t o r i s i n t h er a n g eo f l 0 n m k e y w o r d s ：a g r i c u l t u r a lr o b o t ，m o t i o nc o n t r o l ，d s p , i p m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：戴刻；工 时间： 2 d 哆年占月2 留日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名：戴刻江时间：z 0 0 7 年占月2 9 日 导师签名： 符封 幽 时间：2 0 0 7 年岁n z g 日 中囝农业大学硕十学位论文第一审绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 在日本、美国等发达国家，农业人口较少，随着农业生产的规模化、多样化、精确化， 劳动力不足的现象越来越明显。许多作业项目如蔬菜、水果收获，蔬菜的嫁接等都是劳动力 密集型的工作，再加上时令的要求，劳动力问题很难解决。目前，我国城镇化发展迅速，人 口老龄化趋势加快，农村劳动力减少对农业的影响已经显现出来。使用机器人不仅可以解决 劳动力的不足，还可以提高劳动生产率，改善农业的生产环境，防止农药、化肥等对人体的 伤害。因此，农业机器人应运而生，国内外广泛展开了农业机器人的研究，现在己开发出来 的农业机器人有：耕作机器人、水田管理作业机器人、喷药机器人、收割机器人、蔬菜嫁接 机器人、水果采摘机器人、组培苗分割移植机器人、果实分拣机器人等【l 卜【”。 农业机器人一般包括机械结构、机器视觉、运动控制等部分。关节型机器人结构紧凑， 工作范围大而占用空间小；动作灵活，能绕过基座周围的一些障碍物，特别适合于水果采摘、 组培苗分割移植等机器人e 8 h ，同时，这种带有机械手的机器人对系统的定位精度有很高的 要求。控制系统作为农业机器人的重要组成部分，它的作用是使机械系统的运动满足作业任 务的要求。控制系统的性能直接决定着机器人的整体性能和作业效果。例如，在采摘机器人 中，控制系统对机器人末端手爪的定位是否准确关系到采摘的成功率；控制系统的响应速度 影响采摘效率。 农业机器人的主要用户是广大农民，购买能力有限，而控制系统的成本在机器人系统中 占有很大比重，这就要求用于农业机器人的控制系统价格低廉，以降低机器人的整体成本， 从而促进将来农业机器人的推广和应用。但目前的农业机器人中主要采用的是市场上购买的 运动控制板卡，价格昂贵。 因此，有必要研究适合于农业机器人的控制系统。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 机器人控制技术研究现状 运动控制技术的研究现状 运动控制是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实 现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。运动控制是电机控 制技术、传感器技术、电力电子技术、微电子技术、自动控制技术等多学科的交叉应用技术。 中国农业大学硕。仁学位论文第一章绪论 一个典型的现代运动控制系统的硬件是由微控制器，伺服驱动系统、伺服电机组成。软件部 分则着重加强了控制软件和先进的控制策略，用以控制整个系统的运行以及改善系统的稳态 精度和动态特性，达到高性能的要求。 目前常用的控制方式有开环控制和闭环控制。典型的开环控制系统一般用步进电机作为 执行机构，无反馈检测信号，因此控制精度不会很高。典氆的闭环控制以交流伺服电机为动 力元件，执行机构末端安装有光栅尺或光电编码器等部件作为位置和速度检测元件，可以消 除传动过程中的累积误差，有很高的定位精度。 现阶段，国内运动控制产品市场上引进较多的有松下和施耐德等公司的交流伺服系统。 例如，松下a 4 系列伺服系统适合用于5 0 w 5 k w 的交流伺服电机，具有实时自动调整增益、 高速高响应( 速度响应频率最高达1 k h z ) 和低振动的特点。施耐德最新推出德l e x i u m 0 5 系 列高性能伺服电机系统，驱动器体积紧凑，支持多种电压规范，可直接用3 8 0 v 工业电，并 内置电压滤波器，放电电阻，无需外接其他部件。该驱动器支持总线操作，标配c a n 总线， m o d b u s ，p e r f i b u s 可选其一。 最近几年，我国相关大学和科研机构加大了对数字式交流伺服系统的研究投入。我国在 控制系统研究方面主要集中在工业领域，如浙江大学的谢万德设计了基于d s p 的三轴步进电 机驱动器并应用于数控雕刻机的多轴控制系统【l o l ；南京航空航天大学的刘洪永采用华邦公司 的高性能单片机w 7 7 e 5 8 和a l t e r a 公司的c p l d 设计完成了基于i s a 总线的四轴伺服运动控 制卡【l ”。沈阳新松机器人自动化股份有限公司自主开发的s i a s u n g r c 机器人控制器采用交 流伺服驱动，绝对码盘检测和大屏幕汉字示教编程盒等多项最新技术，形成了先进的高性能 机器人控制系统。该机器人控制器该系统的整体性能己达到国际先进水平，是国内第一个可 商品化的机器人控制器，具有小批量生产能力。耳前已批量生产，作为r h 6 一a 弧焊机器人的 配套控制器”。广东佛山机器人公司成功开发了基于d s p 的运动控制系统，并应用于关节型 喷涂机器人上【l 。 农业机器人控制技术现状 在国内农业机器人控制系统的研究中应用较多的是开环控制系统。北方工业大学的方建 军副教授设计了基于p c i 0 4 工控机和p m a c 2 1 0 4 多轴运动控制卡硬件平台的6 自由度采摘机 器人控制系统【1 4 1 ，并以腕关节的旋转自由度为例，进行了初步测试，测试结果表明系统具有 良好的瞬态响应特性、定位精度和速度控制性能。浙江大学武传宇博士在农业机器人控制系 统中构建了基于p m a c 运动控制卡的硬件平台和基于r t l i n u x 操作系统的软件平台，取得了良 好的控制性能和实时性i l ”。中国农业大学宋健博士研制的开放式茄子采摘机器人，成功的利 用自行研制的4 自由度关节式机器人、d m c 2 2 8 0 运动控制器、一系列交流伺服电机和与 之相配套的s g d m 系列伺服单元、数字摄像头以及通用p c 机组成了开放式采摘机器人实验系 统【s 】，并进行了整机性能试验，测试结果表明机器人重复定位精度为2 5 m m ；汤修映博士 研制的果蔬收获机器人采用基于p c 、研华公司的p c i l 2 4 0 运动控制卡、步进电机和驱动器组 成了多处理器开放式运动控制系统i l ”，并针对机器人运动定位精度进行了验证，测试结果表 明该机器人的重复定位精度在士2 5 m m ：杨丽博士研制的组培苗分割移植机器人系统自行研制 2 中国农业大学硕卜学位论文第一章绪论 开发了嵌入式控制器，包括基于a r m 嵌入式微处理器的上位机控制器和基于单片机a t 8 9 c 5 2 的关节控制器的全部硬件设计与软件开发，并在上位机控制器硬件电路板上成功地实现了 u c o s i i 实时嵌入式操作系统的移植【9 】。该控制系统达到运动精度范围的准确率为7 5 1 徐丽 明博士研制的草莓收获机器人系统中采用的是上、下位机二级控制方式，上位机采用的是基 于p c m 9 5 7 5 嵌入式主板的研华工控机，下位机是自行设计的基于c 8 0 5 i f 0 6 4 的单片机控制电 路【1 7 1 。 总之，伺服控制技术是农业机器人系统中的一个非常重要环节，影响着机器人的整体效 果。目前我国的农业机器人中采用的多数是市场上购买的运动控制板卡，其性能良好，但价 格昂贵。其中，成本相对低廉的控制设备要数研华公司p c i l 2 4 0 运动控制卡，但其价格也在 6 0 0 0 元以上。昂贵的控制系统无疑增加了农业机器人的整体成本，影响了农业机器人的推广。 1 2 2d s p 在运动控制技术中的应用和研究现状 d s p 技术的发展 数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。数字信号处理 器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是对信号和图像实时处理的一类高性能c p u 。d s p 芯片主要应 用有：信号处理、通信，语音、图形图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等 1 8 】。 1 9 8 2 年美国德州仪器公司推出世界上第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品，标志着 数字信号处理领域的重大突破。t i 公司之后不久相继推出了第二代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 、 t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 和第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 。9 0 年代1 1 公司相继推出第四 代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 和第五代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 ) ( c 5 4 x 、以及目前速度最快的第六 代d s p 芯片1 m s 3 2 0 c 6 2 ) ( c 6 7 x 等l i ”。 随着c m o s 技术的进步与发展，日本的h i t a c h i 公司在1 9 8 2 年推出第一个基于c m o s 工艺 的浮点d s p 芯片，1 9 8 3 年日本f u j i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 ，其指令周期为1 2 0 n s ，且具有双内 部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。1 9 8 6 年，m o t o r o l a 公司推出了定点处理器 m c 5 6 0 0 1 。1 9 9 0 年，推出了与i e e e 浮点格式兼容的浮点d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 。 自1 9 8 2 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来越广泛，并逐渐 成为电子产品更新换代的决定因素。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间 已经从2 0 世纪8 0 年代初的4 0 0 n s ( 如t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到l o n s 以下( 如t m s 3 2 0 c 5 4 x 、 t m s 3 2 0 c 6 2 刘6 7 x 等) ，处理能力提高了几十倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从1 9 8 0 年 占模片区的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 数量增加一个数量级以上。d s p 芯片的引脚 数量从1 9 8 0 年的最多“个增加到现在的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性 的增加和功能的增强。 目前，国外众多厂商涉足我国d s p 产品市场，我国的d s p 应用已有了相当的基础，有1 0 多家集成电路设计企业从事数字信号处理系统( d s p ) 及相关产品的开发与应用。从应用范围来 中国农业大学硕 学竹论文第一章绪论 说，数字信号处理器市场前景看好。d s p 不仅成为手机、个人数字助理等快速增长产品中的 关键元件。而且它正在向数码相机和电机控制1 2 0 1 等领域进军。 d s p 在控制技术中的应用 d s p 技术的发展为先进的控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有利的支持，为高性 能伺服系统的实现奠定了基础。近几年。随着对控制性能越来越高的要求和控制算法复杂度 的提高，在先进的数控交流伺服系统中已采用高速数字信号处理芯片d s p 。 由于d s p 采用了多总线的哈佛结构、专用的硬件乘法器( 一个周期内完成乘法和加法两 种运算) 、多级流水线操作和专用的d s p 指令等方法使其获得了高速并行处理能力，具有极 高的速度，因此选用d s p 控制器来实现对交流伺服系统的控制，可以大大缩短电流环和速度 环的采样周期，从而提高系统的动态性能；同时d s p 可以进行浮点数的运算，能够实时地完 成复杂的控制算法，大大提高了控制精度。另外，d s p 具有丰富的硬件资源，如专门为电机 控制设计的事件管理器，可以方便地产生高性能的s v p w m 信号，使控制系统的硬件结构得 到简化。 国外很多公司都已推出了基于d s p 的成型的全数字交流伺服产品，美国d e l t at a u 公司 推出的p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i e sc o n t r o l l e r ) 是一种基于d s p 的运动控制器，采用 m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 1 数字信号处理器，可以同时操纵l 8 轴，为用户提供了很强的 功能和很大的灵活性。国内，研华公司的p c i l 2 4 0 运动控制卡就是基于日本n o v a 电子公司 生产的d s p 运动控制芯片m c x 3 1 4 。 国内的很多高校和研究机构也进行了基于d s p 的运动控制器的研究，如华中科技大学进 行了基于d s p 的数控系统运动控制卡的研究口1 1 ，哈尔滨工业大学进行了基于d s p 的机器人运 动控制器的研究f 2 2 】，随着用于电机控制的d s p 专用芯片的出现，基于d s p 的运动控制系统， 已成为当前的一大研究热点。 总之，随着d s p 芯片价格的不断下降，基于d s p 的运动控制技术发展迅速。因此，有 必要把工业上比较成熟的伺服控制技术借鉴到农业机器人上，研究基于d s p 技术的农业机器 人关节控制器。 1 3 研究目标和主要研究内容 1 3 1 研究目标 本课题的研究目标是以实验室已有的有四个关节和一个末端执行器的采摘机器人为控制 对象，研制四关节运动控制平台，实现高精度控制，同时尽量降低控制器的成本，以降低机 器人的整体成本，从而促进将来农业机器人的推广和应用。 本课题将研究一个基于通用p c 机和d s p 技术的机器人关节控制器，通过两种模式进行 操作：( 1 ) 单独控制各个关节伺服电机；( 2 ) 实现位置伺服控制，控制四个电机同时运动。 4 中国农业大学硕卜学位论文第一章绪论 1 3 2 研究内容 本课韪的主体内容包括控制系统方案的选择、硬件设计、软件设计和实验四个部分内容： ( 1 ) 根据控制系统的要求，选择适合于农业机器人的控制方案。采用上位机下位机的 多c p u 控制方式，以通用p c 作为上位机，以d s p 作为下位机的处理器芯片，以永磁同步电 机为执行元件。采用三闭环的位置伺服控制方案。 ( 2 ) 设计基于d s p 的下位机控制电路和基于i p m 的功率驱动电路，并设计p c b 板，加 工制板，进行硬件电路调试。 ( 3 ) 在w i n d o w s 的操作环境下，用v c + + 编写上位机软件；用混合汇编语言编写基于 c c s 2 0 开发环境的下位机程序。 ( 4 ) 综合上位机和下位机的硬件资源，调试程序，设计并进行相关试验，检测运动控制 系统的性能。 1 4 本章小结 本章阐述了控制系统在农业机器人系统中的重要作用，分析了农业机器人控制系统的应 用现状，提出了把基于d s p 的运动控制技术引入农业机器人控制系统中的想法，最后提出了 本课题的研究目标和主要研究内容。 5 中国农业大学硕十学伊论文第_ 章机器人关节拧制器总体方案设计 第二章机器人关节控制器总体方案设计 2 1 控制系统总体方案 根据第一章的分析可知，控制精度高、响应速度快、价格低廉是农业机器人关节控制器 三个最重要的设计指标。 2 1 1 机器人控制系统功能分析 本课题以实验室已有的带末端执行器的四关节机器人作为控制对象，所设计控制系统的 预期功能如下： ( 1 ) 能实现各个关节电机单独调试： ( 2 ) 给定末端执行器的空间坐标，能实现机器人的位置伺服控制； ( 3 ) 要求控制系统具有简单的人机交互功能。 由此可见，机器人控制系统需要完成的任务相当大，对控制系统的硬、软件都提出了较 高的要求。为了使机器人控制系统具有较高的控制精度，需要选取合理的机器人控制方案。 2 1 。2 机器人控制系统总体方案 从控制算法的处理方式来看，机器人的控制可以分为串行结构和并行结构。在串行结构 中，根据处理器的结构，目前大多数机器人基本上都采用以下三种控制方式9 】【2 3 】。 ( 1 ) 单c p u 结构、集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。在早期的机器人中，如h e r o l ，r o b o t - i 等， 就采用这种结构，但这种控制结构速度较慢。 ( 2 ) 二级c p u 结构、主从式控制方式 一级c p u 为主机，实现系统管理、运动学计算、轨迹规划和人机接口等功能，并定时地 把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存，供二级c p u 读取；二级c p u 完成全部关节 位置数字控制。这类系统的两个c p u 总线之间基本没有联系，仅通过公用内存交换数据，对 采用更多的c p u 进一步分散功能是很困难得。日本于7 0 年代生产的5 关节m o t o m a n 机器人 的计算机系统就属于这种主从式结构。 ( 3 ) 多c p u 结构、分布式控制方式 这是上、下位机二级分布式结构，上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划 等；下位机由多c p u 组成，每个c p u 控制一个关节运动，上位机和下位机之间通过总线通 信。这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高，在机器人控制中应用比较普遍，目前 6 中国农业大学硕卜学位论文第章机器人关节挣制器总体方案设计 世界上大多数商品化机器人控制器都是这种结构。 机器人控制器方案的选择是由机器人所执行的任务决定的，根据前面分析的机器人控制 系统的任务要求，综合比较三种控制方式的特点，本课题采用多c p u 结构、分布式控制方案。 设计时采用了如图2 - 1 所示的多c p u 结构、分布式控制方案。整个机器人系统采用上、 下位机二级分布式结构：上位机控制器主要完成整个系统的管理、运动学计算、轨迹规划、 关节插补运算以及通信任务；下位机控制器由4 个独立的关节控制器组成，各关节控制器负 责本关节的运动控制和反馈信号的处理，它们是并行工作的。 。1 0 关节l 1 -区+ 臣咽 _ 控制器i 上 1 位 机!； 控 制 卜 1 关节4 卜 嚣 ll t ：下位机： ： 图2 - 1机器人关节控制器系统的结构图 这样就把机器人4 个关节的运动控制分离出来，分别由各自单独的关节控制器来控制， 分担了上位机控制器大部分的控制任务，使上位机控制器的负荷大大减轻，这种结构使控制 系统能并行地完成多个任务。 2 2 执行电机的选择 交流伺服电机和步进电机性能的比较 在机器人的伺服控制方式中存在两种典型的控制方案：以步进电机为执行元件的开环控 制方式和以交流伺服电机为执行元件的闭环控制方式。 交流伺服电机和步进电机相比具有以下特点： ( 1 ) 控制精度不同。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的编码器保证，以带1 3 位 编码器的电机为例，驱动器每接收8 0 9 6 个脉冲电机转一圈，精度高达3 6 0 0 8 0 9 6 = 0 0 4 4 0 ；而 两相混合式步进电机步距角一般为3 6 0 、1 8 0 。 ( 2 ) 低频特性不同。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象； 而步进电机在低速时易出现低频振动现象。 ( 3 ) 矩频特性不同。交流伺服电机在额定转速以内为恒力矩输出；而步进电机的输出力 矩随转速升高面下降，且在较高转速时会急剧下降。 7 中国农业大学硕十学位论文第1 = 章机器人关节栉制器总体方案设计 ( 4 ) 过载能力不同。交流伺服电机具有较强的过载能力，以安川公司的p m s m 为例， 其瞬时最大扭矩为额定扭矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩；而步进电 机一般不具有过载能力，步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩， 往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力 矩浪费的现象。 ( 5 ) 控制方式不同。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对编码器反馈信号进 行采样，内部构成位置环和速度环，控制性能可靠；而步进电机的控制为开环控制，启动频 率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象。 ( 6 ) 速度响应性能不同，运行性能不同。交流伺服系统的加速性能较好，以安川公司 s g m a h 系列交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3 0 0 0 r r a i n 仅需几毫秒，可用于要 求快速启停的控制场合；而步进电机从静止加速到工作转速( 一般为每分钟几百转) 需要 2 0 0 4 0 0 毫秒。 综上所述，交流伺服电机在许多方面的性能都优于步进电机。本课题要求对机器人进行 精确的位置控制，所以采用伺服电机作为执行元件。 执行电机型号的选择，目前市场上常见的伺服电机可分为两种1 2 4 】： ( 1 ) 鼠笼型异步电动机，构造简单，价格低，维护工作量低，容易实现弱磁调速。缺点 是转子散热困难，转子电阻受温度影响变化大。主要应用于机床的主轴传动，目前交流异步 伺服系统仍主要集中在性能要求不高的、大功率伺服领域。 ( 2 ) 永磁同步伺服电动机，转速与电源频率严格保持同步，只要电源频率保持恒定，同 步电动机转速就保持不变。永磁同步电机又分为两种【2 5 】：矩形波电流驱动的永磁电机，即无 电刷直流电机( b l d c 。b r u s h l e s s d i r e c t i v e c u r r e n t m o t o r s ) 和正弦波电流驱动的永磁电机即 永磁同步电机( p m s m ，p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r s ) 。其中，b l d c - - 般用于低 速、性能要求不高的场合；而p m s m 的转子用永磁钢取代了普通电机的励磁绕组，省去了励磁 线圈，励磁电源和电刷1 2 6 j ，体积小、重量轻、效率高、冷却要求低、功率密度高、低速下可 以满转矩运行、过载能力强、响应速度快，从而在数控机床、机器人驱动等高精度、高性能 要求的中小功率伺服领域获得了广泛的应用。 本课题采用实验室已有的安川公司s g m a h 系列的p m s m 交流伺服电机为执行元件【2 】， 主要技术参数如下： 腰关节选择日本安川公司一系列交流伺服电动机的型号：s g m a h 0 2 a ；额定功率： 2 0 0 w ：额定转矩：0 6 3 7n 所；额定转速：3 0 0 0 r m ；质量：1 6 k g 。 肩关节选择日本安川公司一i i 系列交流伺服电动机的型号：s g m a h 0 2 a ；额定功率： 2 0 0 w ；额定转矩：0 6 3 7n 用；额定转速：3 0 0 0 r m ；质最：1 6 k g 。 肘关节选择日本安川公司一i i 系列交流伺服电动机的型号：s g m a h 0 1 a ；额定功率： 1 0 0 w ；额定转矩：0 3 1 8n m ；额定转速：3 0 0 0 r m ：质鼍：0 5k s 。 腕关节选择日本安川公司一系列交流伺服电动机的型号：s g m a h a 5 a ：额定功率： 5 0 w ；额定转矩：0 1 5 9 n - 研；额定转速：3 0 0 0 r m ；质龟：0 4 k g 。 8 中国农业大学硕t 学位论文第一= 帝机器人关节拧制器总体方案设计 2 3 上、下位机方案设计 2 3 1 上位机控制器的方案选择 1 上位机的主要功能 上位机是机器人控制系统的主控制器，承担了机器人控制系统的大部分工作，其主要功 能为： 整个系统的管理 提供人机界面 运动学计算、轨迹规划和关节插补 和下位机控制器的通信 2 上位机控制器的方案选择 由于上位机需要进行运动学和轨迹规划等运算，这些都是复杂的矩阵运算。因此，上位 机的计算负担比较大，需要较强的运算处理能力、较高的运算速度和足够的内存容量。p c 机符合这些要求，而且具有开放的、可标准化的总线。另外，采用p c 机作为机器人控制系 统上位机还有以下优点： 完备的软件开发环境和丰富的软件资源，如w i n d o w 操作系统 第三方产品丰富，如v c + + 开发环境 良好的通讯功能，可以方便实现与下位机之间的通信 广泛的用户基础 基于以上分析，采用通用p c 机作为机器人控制系统的上位机。选用的p c 机具体是c p u 为奔腾2 4 g 、内存为5 1 2 m 、硬盘8 0 g 、显卡显存“m 。 由于选择了p c 作为上位机，相应地上位机软件是在w i n d o w s 操作系统下，利用v c + + 工具进行开发的。 2 3 2 下位机控制器的方案选择 1 下位机的主要功能 机器人控制系统的下位机完成机器人底层运动控制，解决一般性的运动控制问题，规划 运动过程中的位置、速度、加速度等参数。下位机关节控制器的主要功能为： 与上位机控制器通信 单关节控制算法，实现位置闭环控制 模拟量、开关量的输入输出 2 下位机关节控制嚣的方案选择 9 中国农业大学硕卜学衍论文第章机器人关节栉制器总体方案设计 由于永磁同步电机是多变量、强耦合的非线性系统，转矩控制要困难得多，控制系统计 算芯片要求具有较快的计算速度。目前下位机关节控制器的的处理器主要两种： ( 1 )以单片机作为处理器的关节控制器。 目前国内的永磁交流伺服系统主要采用单片机来实现，如8 9 c 1 9 6 。由于单片机的速度和 功能有限，使得伺服系统的性能受到一定的限制，主要表现为：精度比较低；电流环和速度 环的采样周期时间较长，系统的动态性能下降；难以实现s v p w m 等复杂控制算法。 ( 2 ) 以d s p 作为微处理器的关节控制器。 一方面，d s p 芯片采用哈佛结构，有专用的硬件乘法器，采用流水线的指令操作系统， 并有特殊的d s p 指令，如乘加指令，大大提高了数据处理的能力和速度，具有适合矩阵运算 的指令，可实时产生平滑的参考信号，适应不同的控制要求，完成系统速度环、电流环以及 位置环的精密快速调解和复杂的矢量控制算法，并产生高分辨率的p w m 输出。另一方面， d s p 集成的电机控制所需要的外设，如a d 、i o 、定时器、p w m 发生器、串口通讯等，使 得应用d s p 的控制系统所需器件很少，简化了硬件结构，增强了系统可靠性，有利于控制系 统的小型化。 这些特征保证了用于电机控制的算法，如p i d 控制、矢量控制、模糊控制及复合型控制 等可以高速、高精度的完成。采用高性能d s p 的全数字交流永磁伺服系统是控制系统的重要 发展方向之一。 目前，多家公司都推出了专门用于电机控制的d s p 。t i 公司推出的2 0 0 0 系列的d s p 芯 片，它是专为数字电机控制而设计的。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是t i 公司推出的t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列 d s p 中功能最全的控制器，是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平台下的一款定点d s p 芯片，专为基于控制的应 用而设计，其将高性能的d s p 内核和丰富的微处理器外设功能集于单片之中，从而成为传统 的多微处理器( m c u ) 和昂贵的多片外设的理想替代。 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内部资源如图2 2 所示，其主要特点如下”】： 4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ，从而提高了控制器的实时控制能力； 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括： 两个1 6 位通用定时器，可以为系统的采样周期，正交编码器脉冲电路和比较单元等提 供独立的时间基准； 3 个比较单元和脉宽调制( p w m ) 电路，能够产生6 路带可编程死区和输出极性的p w m 输出，用于电机控制时，可以大大减少产p w m 波形的c p u 的工作负担，特别是空间矢量 p w m 输出，大大降低了三相交流电动机绕组中产生的谐波，并且与正弦调制相比，能更加 有效地使用供电电压； 两个正交编码脉冲( q e p ) 电路，可以直接和光电编码器相连获得电机转子位置信息，通过 计算获得电动机的转动方向和速率； 芯片上集成了1 6 通道1 0 位a d c ，省去了a d c 的扩展，简化了硬件结构； 拥有丰富的通用i o 口资源，拥有电动机驱动保护、复位引脚； 拥有s p i 、s c i 、c a n 通讯接口，可方便地与外设和其他处理器进行通讯； 因此，本课题选取t i 公司的2 0 0 0 系列的d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 芯片作为下位机的控制 1 0 中国农业大学硕卜学位论文第_ 章机器人关节拧制器总体方案设计 器。相应地，下位机程序在d s p 的c c s 2 0 编译环境下用c 语言和汇编语言混合编写。 2 4 本章小结 图2 - 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内部资源示意图 本章在分析农业机器人控制系统功能的基础上，根据关节控制器的设计要求，选择多 c p u 结构、分布式控制方案作为本课题关节控制器的整体方案；通过比较，选择了交流伺服 电机作为执行元件；分析并设计了机器人关节控制器的硬件方案，选择了合适的上位机和下 位机处理器。在后续章节将详细介绍系统的软硬件设计。 中国农业大学硕十学位论文第i 帝机器人关节拧制器硬件系统设计 第三章机器人关节控制器硬件系统设计 机器人关节控制器的下位机在硬件上分为两部分：基于d s p 处理器的控制电路和伺服电 机驱动电路。 3 1 关节控制器硬件总体结构 由于本课题采用矢量控制方法来控制伺服电机，每个电机需要6 个p w m 信号来控制智 能功率模块i p m 中i g b t 的通断，而每片d s p 芯片只含有两个事件管理器，最多只能控制两 个伺服电机。因此，要控制四个交流伺服电机需要两片d s p 芯片，图3 1 为关节控制器硬件 结构示意图。d s p i 和d s p 2 各用来控制两个电机，d s p l 与上位机之间，d s p 2 和上位机之 间通过r s 2 3 2 串口通讯。d s p l 与d s p 2 的每个事件管理器所产生的6 路p w m 信号分别控制 电机1 ，电机2 、电机3 ，电机4 。 上 叫二e ：三羔 _ i - 竺h 皇墨! 压丑+ 叵 位 压丑厄 机 一三羔 压丑匝 囝3 - 1 关节控制器硬件结构示意图 3 2 控制电路硬件设计 本研究中开发的关节控制器控制电路的结构示意图如图3 2 所示，包括三大部分： t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 最小系统部分，系统扩展部分和接口电路部分。其中t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 最 小系统部分包括电源电路、时钟电路、复位电路；系统扩展部分包括存储器扩展电路、总线 扩展、显示电路；接口电路部分包括r s 2 3 2 接口电路、j t a g 仿真接口。各部分的功能介绍 如下： 1 2 中圄农业大学硕+ 。学位论文第i 帝机器人关节拧制器硬件系统设计 囤3 - 2 机器人关节控制器主控电路结构示意图 电源电路，实现从d c5 v 到d c3 3 v 的转换，用来为d s p 提供3 3 v 的工作电压； 时钟电路，1 5 m h z 晶振为系统提供工作时钟，通过d s p 内部的p l l 电路倍频为3 0 m h z 作为d s p 的工作时钟； 复位电路设计，完成系统上电复位和用户按键复位； 存储器扩展电路，扩展了6 4 k x l 6 位的程序存储器，用于存放已经调试好的用户程 序；扩展了6 4 k x l 6 位的数据存储器，用作系统运行时的主要区域，存放系统及用户数据、 堆栈； j t a g 仿真接口用于与仿真器连接，便于进行仿真和在线调试，该接口可以对芯片 内部的所有资源进行访问； r s 2 3 2 接口用于与上位机通讯，接收上位机发送的信号： 扩展电路、显示电路的设计等，其中扩展电路把d s p 的数据总线、地址总线和主要 控制引脚引到标准接口，便于系统的升级；显示电路主要用于指示系统的工作状态，如电源 指示灯。 3 2 1 最小系统部分 1 主控芯片引脚的处理”卅 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 共有1 4 4 个引脚，分别与芯片上各个资源模块相连，主要的资源有： ( 1 ) 主要有事件管理器e v a 、e v b ，共2 6 个引脚，其中有6 个捕获输入引脚，1 2 个比 较p w m 输出引脚，4 个定时输出引脚，2 个定时器方向输入引脚和2 个定时器外部时钟输入 引脚。设计时用到的个捕获输入引脚需要进行电平转换，见电平转换电路部分。 ( 2 ) 模数转换器( a d c ) ，共2 0 个引脚，其中有1 6 个a d c 模拟通道输入引脚，另 外有四个引脚在设计时需要特别注意： a d c 模拟输入参考电压高电平输入端v m ，a d c 模拟输入参考电压低电平输入 端v f l 0 ，在这里选择3 3 v 作为v r e f h i 引脚的输入电压源，选择o v 作为v r e f l o 引脚 的输入电压源。 1 3 1。j 1。 中国农业大学硕十学位论文第i 章机器人关节拧制器硬件系统设计 a d c 模拟供电电压v 品a 和模拟地v s s 在设计时需要与数字电源输入端和数字地分 开。 ( 3 ) c a n 模块、串口通信( s c i ) 、串行外设接口( s p i ) ，共8 个引脚，这里使用 到了串口通信( s c i ) 接口，具体的接口电路在后面介绍。 ( 4 ) 外部中断、时钟，共6 个引脚： r s 是控制器复位引脚，当r s 为低电平时，系统复位，d s p 终止执行，程序从程序存 储器的0 位置开始执行。复位时所需要的低电平由复位电路提供，在系统正常运行时需要给 该引脚提供高电平。因此，需要把该引脚上拉。 p d p i n t a ，p d p i n t b 是功率驱动中断保护输入引脚，当电动机驱动电源逆变器 不正常时，如出现过电流、过电压等情况，该中断有效，禁止p w m 引脚的输出。因此，当 电机正常工作时，应该将该引脚上拉。 x i n t l i o p a 2 、x i n t 2 a d c s o c i o p d o 引脚是外部用户中断1 ，本课题中未使用到 该引脚，故应该将其上拉。图3 3 是关节控制器主控芯片引脚上拉电路图。 c l k o u t i o p e 0 作为d s p 2 的时钟输入信号，接到d s p 2 的x a l t i 引脚。 37 3 r 3 3 r 3 5 r 4 0 r 4 l r j 5 r 4 3 o k - _ 一 o k - 。一 o k ：圣苎 o k _ _ 一 o k _ _ 一 o k r 4 2