（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式机器人关节运动控制器的研制.pdf

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d s p 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d s p 处理 器作为嵌入式处理器，操作系统选用“c o s i i 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d s p 的内 存，充分利用“c 0 s i i 的相关内核机制，建立不同优先级的多任务。 系统采用c a n 总线通讯技术作为主要的通讯手段，r s 2 3 2 作为辅助的 通讯方式。通过c a n 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 d s p 处理器的事件管理器输出6 路p w m 控制信号来控制智能功率模块 ( i p m ) 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p i d 算法。运用粒子群优化算法定时寻优p i d 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p i d 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，i t c o s i i ，运动控制器，交流伺服控制 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fr o b o t ，a p p l y i n gr e s e a r c ha n dt e c h n o - - l o g y , t h ea p p l i c a t i o no fp o l y a r t i c u l a rr o b o t so rt h em e c h a n i c a la r m si sm o r e a n dm o r ee x t e n s i v e t h ej o i n t m o t i o nc o n t r o l l e ri st h ec o r eo fr o b o t s c o n t r o l l i n gs y s t e m t h e r ea r em o r ea n dm o r eh i g hr e q u e s t si ni t sc o n t r o l l i n g p r e c i s i o na n di n t e r m so fr e a lt i m e t o d e s i g nr o b o t s j o i n t - m o t i o n c o n t r o l l e ro fn e wg e n e r a t i o n ，i ti sr e q u i r e dt h a tt h ea d v a n c e dc o n t r o l l i n g t h e o r y ，i n t e l l i g e n c ea l g o r i t h m ，e m b e d d e ds y s t e ma n dd i s t r i b u t i o n a ls y s t e m t e c h n o l o g ya n ds oo n t h em a i ni n t e n t i o no ft h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri s t h a tc o n t r a p o s e st h ep h y s i c a ls t r u c t u r eo fl a b o r a t o r yp o l y a r t i c u l a rr o b o t s ， a n dd e v e l o p sas o r to fu n i v e r s a la l l d i g i t a lr o b o t s j o i n t m o t i o nc o n t r o l l e r b a s e do ne m b e d d e dd s p ，a c t u a l i z e sr e a l t i m ea c c u r a c yc o n t r o lo fr o b o t s j o i n t e m b e d d e ds y s t e m ，b yi t su n i q u es p e c i a lp u r p o s ea n dh i g hr e a l t i m e a c c u r a c y ，h a sb e e nd i f f u s e l ya p p l i e d i n c o m m u n i c a t i o n s ，n a v i g a t i o n ， p r o c e s sc o n t r o l l i n g ，a i r p l a n e ，s p a c e f l i g h td o m a i n a n ds oo n i nt h i sp a p e r ， t h ee m b e d d e dm o t i o nc o n t r o l l e ri s c o m p o s e db yt w om a i np a r t s ，t h e c o n t r o l l i n gp a r ta n dt h em o t o rd r i v i n gp a r t e m b e d d e dd s pp r o c e s s o ri s u s e di nt h ec h o i c e o fe m b e d d e dp r o c e s s o r w ec o u l dc h o o s ep - c o s i i e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m i th a ss e v e r a la d v a n t a g e s ：t oc u to u t t h eo p e r a t i n gs y s t e ma c c o r d i n gt ot h ea c t u a l r e q u e s t so ft h es y s t e m ，t o m a x i m u ml i m i tr e d u c e sm e m o r yo fd s pt h a ti so c c u p i e d ，t of u l l yu t i l i z e s t h er e l a t e de s s e n c em e c h a n i s mo fuc 0 s i i ，a n dt oe s t a b l i s h e st h e d i f f e r e n tp r i o r i t ym u l t i t a s k c a nb u sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi so n eo f t h em a i nm e a n so fc o m m u n i c a t i o ni nt h es y s t e m r s 2 3 2i sa na u x i l i a r y c o m m u n i c a t i o nm o d e t h ec o m p u t e rc o n t r o l l i n gn e t w o r ki sm a d eu po f v a r i o u sm o d u l e st h r o u g hc a n b u s ，e n s u r i n gt h a tc o r r e s p o n d e n c ei sv a l i d t h em o t o rd r i v i n gp a r ti sm a d eu po ft h ec o m m u t i n gm o d u l ea n dt h e i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ，t h ei n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) i sl e a d e d a c c o r d i n gt ot h ec e r t a i nr e l a t i o n st h r o u g ht h ee v e n tm a n a g e ro fe m b e d d e d d s pp r o c e s s o ro u t p u t6g r o u p sp w m c o n t r o l l i n gs i g n a l ，t h u s ，t h a tt i m i n g c o n t r o lo fa l t e r n a t i n gc u r r e n tm o t o rt h r o u g hf r e q u e n c yc h a n g ei sa c t u a l i z e d i nv i e wo ft h eh i g ha c c u r a c yr e a l t i m ec o n t r o l l i n gr e q u e s to fr o b o t s ，a 【i p i dc o n t r o lw i t h i n c o m p l e t e d e r i v a t i o nb a s e do n p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e di n t h i sp a p e r t h ep a r a m e t e r so fp i d c o n t r o la r eo p t i m i z e db yt h ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，k e e p i n g i tr e a l t i m e u p d a t e w i t ht h e c h a n g e s o f s y s t e m sp a r a m e t e r s t h i s o p t i m i z i n gi m p l e m e n t st h eo p t i m a lp i dc o n t r o lw i t hi n c o m p l e t ed e r i v a t i o n ， h a sp r e f e r a b l ys a t i s f i e dt h er e q u e s to fr o b o t sc o n t r 0 1 t h ee m b e d d e dr o b o t s i o i n t m o t i o nc o n t r o l l e r i s e m p o l d e r e d ，o f a d v a n t a g e o u s r e a l t i m e a c c u r a c y ，m o r es t e a d yo p e r a t i o n a n db e t t e r u n i v e r s a lc a p a b i l i t y ，a n do fs o m ee x p a n d a b i l i t y i tn o to n l ye q u a lt or o b o t s i o i n tm o v e m e n tc o n t r o l ，b u ta l s oa d a p t st om o t i o ns e r v oo fm u l t i f a r i o u s a l t e r n a t i n gc u r r e n tm o t o r s ，w h i c hm a k e si t o fg r e a t e ra n dm o r ei m p o r t a n t v a l u ei nt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n k e yw o r d sr o b o t ，e m b e d d e ds y s t e m ，gc o s - i i ，m o t i o nc o n t r o l l e r a cs e r v oc o n t r o l 誓ilill-ll-illj-lliij-】illlll-liijll，-lll-llii 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 1 1 机器人及其关节运动控制的发展综述 1 1 i 机器人发展历史 机器人学的进步和应用是2 0 世纪自动控制最具说服力的成就，是2 0 世纪人类 科学技术进步的重大成果。我国东汉时期( 公元2 5 2 2 0 年) ，张衡发明的指南 车是世界上最早的机器人雏形1 2 j 。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。1 9 5 0 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。 1 9 6 0 年，美国的c o n s o l i d a t e dc o n t r o l 公司研制出第一台机器人样机，并成立 了u n i m a t i o n 公司，定型生产u n i m a t i o n 机器人。1 9 6 2 年第一台机器人u n i m a t e 在 美国通用汽车公司( g m ) 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。 1 9 7 0 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。1 9 7 4 年，c i n c i n n a t im i l a c r o n 公司开发成功多关节机器人； 1 9 7 9 年，u n i m a t i o n 公司又推出了p u m a 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1 9 8 0 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。2 0 世纪8 0 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。2 0 0 0 年，世界上约有1 0 0 万台机器人在工作。跨 入2 l 世纪后，机器人产业维持了较好的发展势头。 2 0 0 4 年1 月4 日和1 月2 5 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。2 0 0 4 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7 0 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1 9 8 6 年3 月开始的国家“8 6 3 ”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。 1 1 2 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1 3 1 ，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b h r - 2 型仿人机器人身高1 6 米、体重 6 6 公斤，自由度3 2 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【4 1 。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一1 5 l 。目前，有缆水 下机器人( r o v ) 实用可靠，完全自主式水下机器人( a u v ) 还有一些关键性问题需 要解决。我国中科院研制的c r o l 型无缆自治水下机器人，最大潜水深度达6 0 0 0 米，总体技术水平居世界前列。今后，a u v 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【6 j ，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。 1 1 2 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( y o nn e u m a n na r c h i t e c t u r e ) 7 1 ，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( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 具有用户可编程的特性，用户可以利用系统开发软 件或v h d l 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f p g a c p l d 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【8 1 。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。 1 2 课题来源与论文主要研究内容 1 2 1 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c p u 体系结构改进为两级c p u 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。 1 2 2 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d s p 处理器作为嵌入式处理器， 实时操作系统选择j 3 c o s i i ，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p i d 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d s p 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，uc o s i i 在d s p 上的移植，系统多任务的划分及建立，c a n 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。 1 3 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 2 1 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 1 2 , 1 3 , 1 4 】，我们采用了基于c a n 总线通讯技术的分布式机器人控制系统【。5 , 1 6 , 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i l ”。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2 1 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c a n 总线通讯技术，c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 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【l9 1 。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c a n 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c a n 总线通讯，通过c a n 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。 2 2 嵌入式机器人关节运动控制器的总体方案设计 2 2 1 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1 0 0 0 多种f 2 0 】，流行的体系结构已达3 0 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【2 1 】；( 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( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t ，m c u ) 、嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o r u n i t ，m p u ) 、嵌入式d s p 处理 器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 和嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。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d s p 处理器作为关节运动控制器的嵌入式处理器。 嵌入式d s p 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t e x a si n s t r u m e n t 的t m s 3 2 0 系列 和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。使用了d s p 后，就可以应用自适应控制、k a l m a n 滤波、状态控制等先进的控制算法，使系统的性能大大提高。 2 2 2 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2 - 1 所示1 2 “。 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p m s m ) 以其优异的性能而广泛应用于数控机 床、机器人【2 4 1 、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2 - l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j = l 。抗干 与脉冲数成正比， 电机机械位移。扰能力强。缺点是能i j ： 转按速度与脉冲频率 效率低、易失步、过载能力 成正比。 j l ；。 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 ；l j 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i b 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 , m a s o n i c 公司m s m a 系列交流伺服电机其主要参数见表2 2 1 ”i 。 袁2 - 2p a n a s o n i c 交流伺服电机主要参数 关节名称电机关节名称电机 型号：m s m a 5 a z a l h型号：m s m a 5 a z a 】h 小惯量、有键槽、制动器小惯昔、有键描、制动器 输出功率：5 0 w输出功率：5 0 w 输入电压：3 相4 2 v输入电压：3 相4 2 v 腕关竹输入电流：l0 a肘关节输入电流：10 a 额定速度：3 0 0 0 r r a i n额定速艘：3 0 0 0 r m i , 1 带增量式编码器带增量式编码器 脉冲数：2 5 0 0p r脉冲数：2 5 0 0p r 分辨率：1 0 0 0 0p r分辨率：】0 0 0 0d r 型号：m s m a 0 1 2 a i h 型号：m s m a 0 2 2 al g 小惯量、有键槽、制动器小惯母、有键槽、无制动器 输 i j 功率：1 0 0 w输出功率：2 0 0 w 输入电压：3 相8 4 v 输入电压：3 相9 2 v 肩关节输入电流：l0 a脞关节 输入电流：i 6 a 额定速度：3 0 0 0 r m i n额定速度：3 0 0 0 r n i n 带增量式编码器带增量式编码器 脉冲数：2 5 0 0 p r脉冲数：2 5 0 0 p r 分辨率：1 0 0 0 0p r 分辨率：1 0 0 0 0p r 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2 5 0 0 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。 2 2 3 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d s p 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i o 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2 - 2 所示。 r s t 一 2 2 0 v 控 制电源 i e 型 雁 i 瞧i p m 熙 l逆变器 雹尔 传感器 信号滤波 与转换 嵌入式d s p 处理器 显示 接口 通讯 接口 键盘 接口 1 1 0 接口 p m s m 再 编码器 图2 - 2 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( i p m ) ，以减小装置的体积，提高电路的稳定性。嵌入式d s p 处理器的 控制信号经过高速光隔后再与1 p m 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。 2 3 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c a n 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 3 1 永磁同步电机的数学建模 3 1 1 坐标系设立 在研究三相交流永磁同步电机( p m s m ) 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b c 坐标系) ，如图3 1 所示。 b b 相 c 图3 1 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1 2 0 0 ，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1 2 0 0 的三相平衡正 弦电流i a 、i 。、i 。，可以产生以同步角频率g o 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3 2 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9 0 0 电角度，组成a 、声两相静止坐标系( 轴逆时针超前6 轴9 0 0 电角度) 。当在此两 相固定绕组a 、中，通以在时间上相差9 0 0 电角度的两相平衡交流电流f 。、f 8 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c o 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 p f 8 f 图3 - 2 两相静止( 定子) 坐标系 ( 3 ) 两相旋转( 转子) 坐标系( d - q 坐标系) ，如图3 - 3 所示。 _ 么八一 j e l 一 el ，士甘蝤妇 图3 - 3 两相旋转( 转于) 坐标系 前述坐标系都是静止不动的，而如图3 3 所示，假定有两相绕组，其轴线分别 为d 、q ，空间位置相差9 0 0 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9 0 0 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。 3 1 2 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p m s m 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。 p m