（机械电子工程专业论文）基于四自由度机械臂控制系统的设计与研究.pdf

摘要 当今社会是一个高速发展的社会，数控技术关乎国民经济的命脉，一种好的 数控技术的发展能够给社会的发展带来相当大的进步。丌放式运动控制系统现在 几乎已经成为数控技术的发展方向，尽管已经发展数载，但是还没有发展到成熟 的阶段，还有待于学者们、工程师等进行进一步的研究和探讨。 本论文是关于四自由度机械臂控制系统的研究与设计。该控制系统作为运动 控制系统的一种，主要是面向底层，力争丌发出一套稳定性高，可靠性强，定位 准确的工业机械臂。 本论文是在原有的电机驱动器的控制基础上，对控制系统又增加了一个控制 回路，以提高控制系统的控制精度。本论文主要分析了被控制对象一机械臂本体， 研究了有关该控制系统所涉及到的理论，讨论了硬件电路的设计及软件设计思想， 最后对该系统提出了改进思想。 控制系统实验表明，该系统能够大幅度提高控制精度，改进系统的稳定性， 准确性，使机械臂的定位精度有了很大的改善和提高。 关键词：四自由度机械臂测速原理p i d 算法脉冲宽度调制( p w m ) a b s t r a c t t o d a y ss o c i e t yi sar a p i d l yd e v e l o p i n gs o c i e t y , n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi s r e l a t i v et ot h el i f e l i n eo ft h en a t i o n a le c o n o m y ag o o dn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y w a sa b l et ob r i n ga b o u ts o c i a l d e v e l o p m e n t n o w , o p e nm o t i o nc o n t r o ls y s t e mh a s b e c o m ea l m o s tn c t e c h n o l o g y sf u t u r e i th a sd e v e l o p e ds e v e r a ly e a r s ，b u ti th a sn o t y e td e v e l o p e dt oam a t u r es t a g e ，s os c h o l a r sa n de n g i n e e r si ss t i l lr e s e a r c h i n ga n d d i s c u s s i n gi t t h i sp a p e ri st h er e s e a r c ha n dd e s i g na b o u tac o n t r o ls y s t e mb a s e do naf o u rd e g r e e s f r e e d o m sr o b o t a n dt h i sc o n t r o ls y s t e ma sam o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，i sm a i n l yt h e b o t t o m sd e s i g n a n d ，w es t r i v et o d e v e l o pah i g hs t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n da c c u r a t e c o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rb a s e do nt h em o t o rc o n t r o l l e r sc o n t r o lf o u n d a t i o n ，a d d sa b i gc l o s e dl o o p t oi m p r o v et h ec o n t r o ls y s t e m sc o n t r o la c c u r a c y t h i s p a p e rm a i n l ya n a l y z e da n d d i s c u s s e dt h ec o n t r o l l e do b j e c t m e c h a n i c a la r n l sm a i nb o d y , s t u d i e dt h et h e o r ya b o u t t h i sc o n t r o l s y s t e m ，a n a l y z e dt h eh a r d w a r e sd e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n g ， d i s c u s s e dt h ei m p r o v e m e n ta b o u tt h i ss y s t e ma tl a s t c o n t r o ls y s t e me x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e p r e c i s i o no fc o n t r o l ，a n di m p r o v es y s t e ms t a b i l i t y , a c c u r a c y ，s ot h a tt h ep o s i t i o n i n g a c c u r a c yo ft h er o b o ta r mh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e da n de n h a n c e d k e y w o r d ：f o u rd e g r e e sf r e e d o mr o b o t m e a s u r es p e e dp r i n c i p l e p i da l g o r i t h mp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：垄咝 日期盈嗥q 一 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 同期坦笙f ：2 同期主翌1 2 ：! ：2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 开放式运动控制技术概述 1 1 1 丌放式数控系统 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是 以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体 化产品，即所谓的数字化装备，如数控机床等。其技术涉及多个领域【3 5 l ： ( 1 ) 机械制造技术； ( 2 ) 信息处理、加工、传输技术； ( 3 ) 自动控制技术； ( 4 ) 伺服驱动技术； ( 5 ) 传感器技术： ( 6 ) 软件技术等。 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业产品的技术和最基本的 装备。世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术， 以提高制造能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能力。工业发达国家还将 数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产 业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。因 此大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发 展、提高综合国力和国家地位的重要途径。但是传统的数控系统却采用专用计算 机系统，软硬件对用户也是封闭的，因此从某种意义上说存在着很多的问题并需 要加以解决： ( 1 ) 由于传统数控系统的封闭性，各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容， 使得用户投资安全性受到威胁，购买成本和产品生命周期内的使用成本高。同时 专用控制器的软硬件的主流技术远远地落后于p c 的技术，系统无法“借用”r 新 月异的p c 技术而升级。 ( 2 ) 由于系统功能固定，不能充分反映机床制造厂的生产经验，不具备某些机 床或工艺特征需要的性能，用户无法对系统进行重新定义和扩展，也很难满足最 终用户的特殊要求。作为机床生产厂希望生产的数控机床有自己的特色以区别于 竞争对手的产品，以利于在激烈的市场竞争中占有一席之地，而传统的数控系统 是做不到的。 2基丁四臼由度机械臂控制系统的设计与研究 ( 3 ) 传统数控系统缺乏统一、有效和高速的通道与其他控制设备和网络设备进 行互连，信息被锁在“黑匣子”中，每一台设备都成为自动化的“孤岛”，对企业 的网络化和信息化发展是一个障碍。 ( 4 ) 传统数控系统人机界面不灵活，系统的培训和维护费用昂贵。许多厂家花 巨资购买高档数控设备，面对几本甚至十几本沉甸甸的技术资料不知从何下手。 由于缺乏使用和维护知识，购买的设备不能充分发挥其作用。一旦出现故障，面 对“黑匣子”无从下手，维修费用十分昂贵。有的设备由于不能证确使用以致于 长期处于瘫痪状念，花巨资购买的设备非但不能发挥其应有的作用反而成了企业 的沉重包袱。 在计算机技术飞速发展的今天，商业和办公自动化的软硬件系统丌放性已经 非常好，如果计算机的任何软硬件出了故障，都可以很快从市场买到它并加以解 决，而这在传统封闭式数控系统中是做不到的。为克服传统数控系统的缺点，数 控系统正朝着丌放式数控系统的方向发展。目前其主要形式是基于p c 的n c ，即 在p c 的总线上插上具有n c 功能的运动控制卡完成实时性要求高的n c 内核功能， 或者利用n c 与p c 通讯改善p c 的界面和其他功能。这种形式的丌放式数控系统 在丌放性、功能、购买和使用总成本以及人机界面等方面较传统数控有很大的改 善，但它还包含有专用硬件、扩展不方便等问题。国内外现阶段丌发的丌放式数 控系统大部分都是这种结构形式的。这种p c 化的n c 还有专有化硬件，还不是严 格意义上的丌放式数控系统。 丌放式数控系统是制造技术领域的革命性飞跃。其硬件、软件和总线规范都 是对外丌放的，由于有充足的软、硬件资源可被利用，系统软硬件可随着p c 技术 的发展而升级，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持， 而且针对用户的二次丌发也带来方便，促进了数控系统多档次、多品种的丌发和 广泛应用，既可通过升档或裁剪构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不 同类型数控机床的数控系统，丌发周期大大缩短。 要实现控制系统的丌放，首先得有一个大家遵循的标准。国际上一些工业化 国家都丌展了这一方面的研究，旨在建立一种标准规范，使得控制系统软硬件与 供应商无关，并且实现可移植性、可扩展性、互操作性、统一的人机界面胍格和 可维护性以取得产品的柔性，降低产品成本和使用的隐形成本、缩短产品供应时 间。这些计划包括： ( 1 ) 欧共体的e s p r i t6 3 7 9o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h a u t o m a t i o ns y s t e m s ) 计划，丌始于1 9 9 2 年，历时6 年，有由控制供应商、机床制 造企业和研究机构等组成的3 5 个成员。 ( 2 ) 美国空军丌展了n g c ( 下一代控制器) 项目的研究，美国国家标准技术 协会n i s t 在n g c 的基础上进行了进一步研究工作，提出了增强型机床控制器 第一章绪论 e m c ( e n h a n c e dm a c h i n ec o n t r o l l e r ) ，并建立了l i n u xc n c 实验床验证其基本方案； 美国三大汽车公司联合研究了o m a c ，他们联合欧洲o s a c a 组织和r 本的j o p ( j a p a nf ao p e ns y s t e m sp r o m o t i o ng r o u p ) 建立了一套国际标准的a p i ，是一个比 较实用且影响较广的标准； ( 3 ) 日本联合六大公司成立了o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o r c o n t r o l l e r ) 组织，该组织讨论的重点是n c ( 数字控制) 本身和分布式控制系统。该组织定义 了开放结构和生产系统的界面规范，推进工厂自动化控制设备的国际标准。 2 0 0 0 年，国家经贸委和机械工业局组织进行“新一代开放式数控系统平台” 的研究开发。2 0 0 1 年6 月完成了在o s a c a 的基础上编制“开放式数控系统技术 规范 和建立了开放式数控系统软、硬件平台，并通过了国家级验收。此外还有 一些学校、企业也在进行开放式数控系统的研究开发。 目前，在我国已经开发了具有自主版权的4 个开放式数控系统：中华i 型、华 中i 型、航天i 型、蓝天i 型，并初步形成了各自的系统。但是遗憾的是，虽然进 行了大量的研究，但对所谓开放式结构，目前尚无一致的定义，不过可以指出开 放式数控系统的主要特征： ( 1 ) 一个开放式体系结构应具有分布式控制的原则，采用系统、子系统和模块 分级控制，其结构是透明的、可移植的，各模块相互独立，允许模块独立开发： ( 2 ) 硬件配置不一定局限在单一厂家，用户可以在较大范围内选择和配置硬 件，可以根据需要方便地重构，以便实现一种系统、多种用途； ( 3 ) 具有良好的通信和接口协议，系统能够直接运行其它应用软件，利用现有 软件开发出需要的控制系统； ( 4 ) 提供了相应的开发工具，用户可以在开放环境下扩充系统功能，可以方便 地利用标准数控控制功能开发自己专有的控制功能。 可见，对于一个良好的开放式数控系统，开发者可以在一个统一的开放体系 结构下开发自己的产品，这个统一的结构体系是一个广泛认可的并且是透明的规 范，它具有广泛的兼容性，用户可在较大范围内根据需要配置硬件，直接运行第 三方的软件，方便地扩充系统功能。开放式数控系统不仅能快速、经济地适应新 的加工需求，而且为制造厂提供了将其技术与任何第三方技术和产品进行集成的 可能性。体系越丌放，要解决的技术问题越多。一般来说，系统的开放程度，即 开放系统硬件软件平台中各功能层次开放程度，有应用层的全开放、核心层的兼 容式开放和全开放。这样就可能出现某些被称为开放结构的系统，只允许一组有 限的预先确定的信息，或者信息只能读而难以修改，要真正做到全开放还有待于 制定一系列标准和协议。 一 基丁四自由皮机械臂控制系统的设计与研究 1 1 2 基于p c 机的开放式运动控制器 目前的开放式数控系统多以p c 机为基础，配上各种开放式运动控制器，如图 1 1 所示，这是一个非常典型的开放式数控系统模型。 图1 1 典型的开放式数控系统模型 运动控制器是通过由电机驱动的执行机构对设备进行运动控制，以实现预定 运动轨迹目标的装置，它是数控系统中的重要部件。由于它具有极大的灵活性和 良好的运动轨迹控制能力，从而使许多工业生产设备焕发出勃勃生机，它是广义 上的数控装置。数控技术的发展趋势就是采用运动控制器的开放式的数控系统。 随着自动化技术的进一步发展，运动控制器的应用已走出机械加工行业，越来越 多地应用于其它工业自动化设备控制，如机器人控制、电子机械、木工机械、纺 织机械、印刷机械等诸多行业。 计算机技术的发展在工业控制领域导致了技术面貌的迅速改变。工业控制机， 特别是采用p c 技术的工业p c 机的大量涌现，大大的推动和促进了开放式运动控 制系统的发展。基于工业p c 的运动控制器可以利用p c 强大的软件环境和技术支 持，摆脱专用封闭式控制系统的束缚和不便，树立运动控制系统的新概念。 p c 机技术引入运动控制领域，可以从两方面来考虑其对于开放式运动控制技 术发展所带来的作用【z 引： ( 1 ) 软件方面。 利用计算机的高效运算功能、管理与监控能力以及丰富的软件资源，可以实 现高级的控制算法、轨迹插补算法以及补偿算法，改善运动控制软件，提高伺服 扫描速度和系统的分辨率，实现最小的移动单位和最大的进给速度，便于用微小 的程序段连续以高速度、高精度实现轨迹形状复杂曲线和曲面运动，使控制单元 精细化，利用其提供的标准应用程序接 i ，可以方便的实现数控系统的移植性和 互操作性。 尤其是在需要大量轨迹插补运算的运动控制系统中，具有p c 总线的计算机系 统由于其丰富的软件资源而得到越来越，“泛的应用。在这类系统中，坐标变换、 轨迹胤划、拳i 插补运算等由p c 机完成，m j 多轴伺服电机的实时控制由运动控制器 第一章绪论 实现。 ( 2 ) 硬件方面。 利用p c 通用平台，可以建立丌放式的模块化结构的伺服运动控制系统，同时 伺服控制器的模块化为直接利用计算机做伺服控制算法的研究和实时监控提供了 方便，也为多轴联动参数匹配设计提供了方便，在高性能的硬件支持下，为进一 步研制丌发更高性能的智能型伺服模板打下基础，也为运动控制系统的级联运行 及并入网络构成f m c 、f m s 与c i m s 创造了条件。 1 2 开放式运动控制器的分类以及研究现状 1 2 1 运动控制器的分类 目前，运动控制器生产厂商提供的运动控制器主要包括如下3 类： ( 1 ) 基于通用微处理器型。以8 0 3 l 、8 0 8 8 等通用微处理器为核- t l , 器件，外加 存储器、编码器信号处理电路及d a 转换电路等组成控制系统。其位置、速度等 控制由事先编好固化在存储器中的程序实现。此方案成本相对较低，但速度较慢， 精度不高，采用的元器件较多，可靠性低，体积比较大，而且控制参数不易更改， 软硬件设计工作量大，在一些只需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓 运动控制场合应用。 ( 2 ) 以专用芯片( a s i c ) 作为核心处理器的运动控制器。常用的专用电机控 制芯片有l m 6 2 8 、m a x 3 1 4 、h c p l l l 0 0 等，用一个芯片即完成速度曲线规划、p i d 伺服控制算法、编码器信号的处理等多种助能。一些需要用户经常更改的参数如 电机位置、速度、加速度、p i d 参数等均在芯片内部的r a m 区内，可由p c 机用 指令很方便的修改。但由于数据传输速度、运算速度的限制，复杂的控制算法和 功能很难实现。这类控制器对单轴的点位控制场合是基本满足要求，但对于要求 多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备，这类运动控制器不能满足要求。另外， 由于硬件资源的限制，这类控制器的圆弧插补算法通常都采用逐点比较法，插补 的精度也不高，特别是对于如模具雕刻这样的需要大量的小线段连续运动的场合， 不能使用这类控制器。 ( 3 ) 基于p c 总线的以d s p 和c p l d f p g a 作为核心处理器的丌放式运动控制 器。以p c 机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入p c 机，即p c + 运动 控制器的模式。这样将p c 机的信息处理能力和丌放式的特点与运动控制器的运动 轨迹控制能力有机地结合在起。具有信息处理能力强、丌放程度高、运动轨迹 控制准确、通用性好的特点。这类运动控制器通常都能提供多轴协调运动控制与 复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭 6基丁四自由度机械臂控制系统的没计与研究 环控制。由于采用c p l d f p g a 技术来进行硬件设计，方便运动控制器供应商根据 客户的特殊工艺要求和技术要求进行个性化的定制，形成独特的产品。能同时控 制多轴，有的还包含了运动轨迹插补算法及包含有前馈补偿功能的p 1 d 算法，这 为多轴的伺服电机的控制带来极大的方便。 1 2 2 国内外丌放式运动控制器的研究现状 在国内外，已有多种商品化的丌放式运动控制器，比较著名的有美国的 p m a c 、g a l i l 等运动控制器，国内比较成熟的是深圳固高公司的系列控制器。这 些运动控制器的特点有： ( 1 ) 均以p c 机为基础，具有i s a 总线、p c i 局部总线通讯功能； ( 2 ) 控制器均可在w i n d o w s 平台下工作，可使用v b 、v c + + 、d e l p h i 等高级 语言进行编程控制： ( 3 ) 通过采用特殊的中断方式，一般都具有很好的实时性，并具有w i n d o w s 系统的多任务性： ( 4 ) 均为多轴联动系统，具有直线和圆弧插补功能； ( 5 ) 均可进行位置及速度控制，在启动和停止阶段具有加速度控制，使系统具 有较好的动态响应特征： ( 6 ) 可对交、直流伺服电机及液压伺服马达进行控制。 美国d e l t at a ud a t as y s t e m 公司推出的p m a c 系列伺服控制器比较有代表 性。p m a c 以m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 1 为微处理器，主频2 0 3 0m h z ，6 0 4 0 微 秒轴的伺服更新率，3 6 位( 6 4 干兆) 位置计数范围，1 6 位d a c 输出分辨率， 1 0 1 5 m h z 编码计数率，每秒可处理多达5 0 0 条程序，可以完成直线或圆弧插补， “s 曲线”加速和减速，三次轨迹计算、样条曲线计算。利用d s p 强大的运算功 能单卡可实现l 3 2 轴多轴实时伺服控制。p m a c 控制器本身就相当于一个完整的 计算机系统。依靠集成在卡上r o m 中的程序，它能独立完成实时、多任务控制， 而无需主机介入。p m a c 控制器配有较强的命令、函数库，用户可用制造商提供 的编程语言( 类似q b a s i c ) 调用这些命令和函数，编程较为方便。另外制造商还 提供p c o m m 、p t a l k 等函数库作为丌发工具，用户可用高级语言调用自己所需 的函数，完成控制软件的丌发。p m a c 系统的丌放性特征允许c n c 系统通过o d b c ( 丌放数掘库连接) 、o l e ( 目标连接和嵌入) 、d d e ( 动念数据交换) 等运行专 门设计的第三方软件程序。对于o e m ( 原始设备制造商) ，d e l t at a ud a t as y s t e m 公司提供p m a c 软件库的c + + 源代码许可证，允许整个系统全部用户化。p m a c 主要利用i s a 、p c i 0 4 、e v m 、p c i 及u s b 等总线方式与上位机交换信息。 目自仃，我国已经也成功丌发了两种数控平台和华中i 型、蓝天i 型、航天i 型、 第一章绪论 中华i 型等4 种基本系统，这些系统采用模块化、嵌入式的软硬件结构，其中以华 中型较具代表性，它采用工业p c 机上插接1 2 1 卡的结构，运行在d o s 平台上，具有 较好的模块化、层次化特征，有一定扩展性和伸缩性，但从整体来说这些系统是 数控系统，不是独立的丌放式运动控制器产品。我国在丌放式运动控制器产品丌 发方面相对落后，1 9 9 9 年固高科技有限公司在深圳成立，是国内专业丌发、生产 丌放式运动控制器产品的公司。其后，国内又有其他几家公司涉足该领域，但实 际上，大多是在国内推广国外生产的运动控制器产品，真萨进行自主丌发的公司 较少。 1 3 论文相关工作 丌放式运动控制系统大体分文两部分，底层的设计与高层的丌发。本论文主 要研究了丌放式运动控制系统的最底层的软硬件设计与丌发工作，并且为高层程 序的丌发提供了接口。 本论文以四自由度机械臂为控制基础，以d s pt m s 3 2 0 f 2 4 0 为主控芯片，设 计了高精度的机械臂控制系统，提高了系统的控制精度，增强了系统的稳定性， 使机械臂的定位更加准确，具体内容包括以下几方面： i 由于本论文主要是面向底层控制系统的设计，所以需要了解对底层的设计 要求。因此研究了机械臂本体的机械结构以及相关的传感器，为控制系统的设计 打下了基础。 2 研究了交流伺服电机的控制理论以及测速原理，研究分析了控制系统所涉 及的主控芯片的应用和设计要求。 3 对控制系统的硬件设计进行了详细的讨论和研究，对具体的电路及芯片的 选型进行了晚明，对控制系统的可靠性展丌了深入分析和讨论。 4 针对四自由度机械臂控制要求，设计了系统的控制软件，对部分重要的软 件设计进行了详尽的讨论，并对系统进行了大量的实验，实验结果表明，所设计 的控制系统能够实现精确控制的要求。 第二幸控制对象机械臂的结构 第二章控制对象机械臂的结构 要实现良好的控制，达到理想的柠制效果必须对控制对象有一个整体的把 狴和全面的了解。本章差要是对控制对银的机械结构、机械特性、传感器以及电 机驱动等一系列嚣进行具体的讨论和分析为控制系统的设计做准备也为能够 较好的理解这一套控制系统打下良好的基础。 2 1 机械臂的自由度和机械结构说明 l 女控制系统的控制对象为机械臂，机械臂作为工业控制的一种特殊的机器人， 也存在若其自由度的问题，本文用到的机械臂为四自“ 度机械臂其自 】_ i 度的定 义和机械结构如图2l 所示： ! 轴 瑚2i 四自由鹰机械臂的机械结构幽 由图21 所示的机械臂机械结掏图可以很清晰的看到陔机械臂图片上标有一 轴、二轴、三轴和四轴四个标签的地方就是该机械臂的四个可以自由活动的手臂 也就是该机械臂的四个自由度。另外，四个轴对应着四个电机，每个电机部由相 基丁四白由度机械臂控制系统的蹬计与研究 应的可转动范围也就是该机械臂的每个手臂可以自出移动的活动范围。其活动 范围由机械臂上装有的十个限位丌关柬限定。另外，具有支撑作用的一轴和二轴 实现机械臂水平面的运动，而三轴可以实现垂直平面的运动，作为蕞后执行装置 的四轴下面可以安装一个电磁手抓以在水平面l 调整手抓的姿态束准确的抓起 和放下载体。这些就构成了该机械臂最基础的运动部件。 2 2 四自由度机械臂位置传感器的使用与说明 由机械臂结构的i 兑明，可以知道四自山度机械臂的四个手臂j ：安装有卜个限 位丌关传感器。该系统使用的传感器屉敢姆龙的e e s p y 4 1 2 ，如图22 所示。 e l2 2 欧姆龙传搏器e e s p y 4 1 2 图22 所示的o m r o ne e - s p y 4 1 2 传感器是一种光敏感器件称为反射型微 型光电，r 关属于e e s p y 3 1 4 1 系列。e e - s p y 3 l 4 l 系列为限定反射型接插件式： 背景物体即使是镜面体只要离丌2 0 r a m ，就能稳定检测：电源电压为d c 5 2 4 v 的大量程电压输出型：能检测直径( 中) 为中0 0 5 m m 铜线类的微小物体；检测距 离波动小：是抗外柬光干扰的光调式：可应用于成品个数检测。浚系统用到的 e e - s p y 4 1 2 就是利用了竣产品能够检测物体的存在与否这。特点柬实现对机械臂 运动状奈的检测。浚系列器件的技术参数如表2l 所示。 在哦系统中。在一轴、二轴和三轴的设定运动范围的两端分别安装两个传媾 器，月j 柬界定机械臂的可穆动范围，而在可移动范围的中间也安装一个传感器作 为可移动范围的零点。左右两侧的两个传感器作为证负极点。四轴比较特殊，只 有一个传感器。每当第四轴转动一周| 寰传感器就会送出个信号，以表示当| j i 四轴的状，奈。在这四个轴中无论是哪一个轴上的传感器只要距离被检测物体 2 - 5 m m 泼反射型微型光电丌关就会打丌，红色显示灯就会发亮，同时也输出一个 低电平的信号( 未检泖4 到物体时输出为高电平) 。另外，在i ：5 控制系统中，使用的 第二章控制对象机械臂的结构 是1 2 v d c 电源，因此当反射型微型光电开关e e s p y 4 1 2 的输出高电平时，其输 出电压值为1 2 v d c 。 表2 1e e s p y 4 1 2 的技术参数 项目型号 e e s p y 3 11 、e e s p y 4 11 、e e s p y 3 1 2 、e e s p y 4 1 2 检测距离2 5 m m ( 反射率9 0 i 刍纸1 5 x 1 5 m m ) 最小检测物体t p 0 0 5 m m 铜线 非检测距离2 0 m m 以上铝蒸镀玻璃 应差距离0 2 m m ( 检测距离3 m m 、横方向) 光源( 最大发光波长)g s a s 红外发光二极管( 9 4 0 n m ) 显示灯入光时灯亮( 红色) 电源电压 d c 5 - 。2 4 v + 1 0 脉动( p - p ) 5 以下 消耗电流平均值1 5 m a 以下、第一值5 0 m a 以下 控制输出n p n 电压输出负载电源电压d c 5 - - - 2 4 v 、负载电流8 0 m a 以下 残留电压1 0 v 以下( 负载电流8 0 m a 时) 残留电压0 4 v 以下( 负载电流1 0 m a 时) 应答频率1 0 0 h z 以上 使用时环境照度受光面照度白炽灯、日光： 各3 , 0 0 0 i x 以下 环境温度动作时： 一1 0 - 一+ 5 5 、保存时：一2 5 + 6 5 环境湿度动作时：5 , - 一8 5 r h 、保存时： 5 - - 一9 5 r h 振动( 耐久)1 0 4 - - 5 0 h z 复振幅1 5 m mx 、y 、z 各方向2 h 冲击( 耐久) 5 0 0 m s 2x 、y 、z 各方向3 次 保护结构i e c 规格i p 5 0 连接方式接插件式( 不可进行软钎焊) 质量 约2 6 9 材质 外壳 聚碳酸酯 夹具部聚对苯二甲酸丁二醇酯( p b t ) 2 3 电机驱动器的使用说明 简单来说，四自由度机械臂的控制就是电机的控制，因为每个轴的运动都是 靠电机来带动并完成相应动作的，所以对机械臂的控制精度的要求在某种程度上 也可以说就是对电机的控制精度的要求。四自由度机械臂得驱动电机是松下a 系 列的交流伺服电机，其型号为m s m a 0 1 2 a 1 g 。松下的每个型号的交流伺服电机都 1 2 基于四自由度机械臂控制系统的设计与研究 对应有该型号的电机驱动器，本系统对应的伺服电机驱动器型号为 m s d a 0 1 3 a i a 。在驱动器与电机配套使用过程中，对电机驱动器的使用正确与否 将直接影响到系统的控制效果，甚至使用不当可能会使电机误动作烧坏电机，因 此电机驱动器的使用在这罩也显得至关重要! 鉴于篇幅原因，这里只对电机驱动 器的关键接口和整体接线等关键部分进行一下说明，其余的可查阅电机驱动器说 明书【1 6 1 。 2 3 i 电机驱动器系统的组成及其使用 要了解这套电机控制系统，首先要对这套系统的组成有一个清晰的了解和把 握。简单而言，伺服电机控制系统主要是由电机和电机驱动器组成，但是在使用 上还要配以其他的诸如制动器、编码器一类的各种部件。在这套电机控制系统中， 电机型号m s m a 0 1 2 a 1 g 与电机驱动器型号m s d a 0 1 3 a 1 a 相对应，构成一套系统， 并且型号中已经定义了一些如电气特性、器件组成等方面的信息。可参阅电机型 号说明如图2 3 所示和电机驱动器型号说明如图2 4 所示。 3 a ：3 0 w 5 a ：5 0 w 0 l ：l o o w 0 8 ：7 5 0 w 1 0 ：1 o k w 3 0 ：3 o k w ： 5 0 ：5 0 k w 1 ：1 0 0 v 2 ：2 0 0 v z ：1 0 0 2 0 0 v ( 只限3 0 w 、5 0 w ) 油封 制动器轴 直轴键轴 无无a e 有 bf 有 无cg 有dh 图2 3 电机型号说明 甲算瓣p一一一 紫金 第二章控制对象机械臂的结构 3 a ：3 0 w 5 a ：5 0 w 0 1 ：1 0 0 w ： 0 8 ：7 5 0 w 1 0 ：1 0 k w ： 3 0 - 3 0 k w 。： 5 0 5 0 k w 电压： 1 ：单相1 0 0 v 3 ：三相2 0 0 v 图2 4 电机驱动器型号构成说明 图2 5 电机驱动器主网路接线图 由图2 3 和图2 4 可知，该控制系统的电机带有每转能够产生2 5 0 0 个脉冲的 旋转编码器，不带有制动器。电机供电电压2 0 0 v ，由电机驱动器提供。而电机驱 动器则需要外接三相2 0 0 v 的电压。 电机驱动器与电机的连线可参阅图2 5 的主回路接线图。由图2 5 可知，在电 号雠 一 nr一一航门r一一一一 嚣宝 1 4 基于四自由度机械臂控制系统的设计与研究 网电压送入电机驱动器以前，需要在线路上增加n f b 、n f 、m c 和l 几项设备， 其中n f b 是非熔丝断路器，用来保护电源线，当线路电流过大时可以实时的切断 电路；n f 是噪声滤波器，是防止外部杂波进入电源线的，以减轻伺服电机产生的 杂波对外界的干扰；m c 是磁力接触器，应与浪涌吸收器联用，用来接j 匝，断开伺 服电机的主电源；l 是电抗器，用于减少主电源中的谐波。电机为三相四线制的接 法将市电( 要求为三孔插槽) 经过n f b 、n f 、m c 和l 接到电机驱动器的u 、 v 、w 和地线即可。封装在电机中的旋转编码器将输出脉冲经过c ns i g 接口送至 电机驱动器进行处理。c n i f 接口是电机驱动器的展重要接口在设计中所有的 信号都是经过此接口进行数据传输，由于此接口至关重要，将会单列一节做详细 的介绍( 请查阅2 3 2c n i f 连接器的使用) 。至于c nn e t 则是用于电机驱动罂 的串联，也就是当几个电机无论何时何地都同时运转并且运转速率等信息均相 同时，可以采用串联的方式，同时控制几个电机的运作。而c ns e r 则是用于连 接p c 机的，只要在p c 机中安装一个名为p a n a t e r m 的通信软件，就可以通过 电缆的连接在p c 机中看到电机的运行状况，如图26 所示是在运行过程中截取的 一个电机控制的波形图。 弛j * _ 匦面五n 赫= 】口_ 一_ j 地塑坚! _ | 酗2 6 电机控制波形翻 第二章控制对象机械臂的结构 2 3 2c n l f 连接器的使用 在电机控制系统中c n i f 连接器是整个控制系统中的核心接口，所有的电机 状念信息都要由此接口得到，所有的输出控制信息也都要送入此接口进行控制。 c n l f 拥有5 0 个引脚，如图2 7 所示。每个引脚都有其各自的功能，而且驱动器 捌有多种控制方式，在不同的控制方式下，各引脚的使用情况也不尽相同。 院降p 臃。：陆匕譬p 、产：p 卜降降降 臣、艮 1 1 池慝。i 茳、p ：惟p vi 辟p ii - o n：l r c 阻睁卜卜降l 基。降p改降降。 艮# 。l s 2 e ：饥1 5 叭i z 耳l 辑熊盛l 。帆i 眦f p 3 洲 i i 图2 7 c n i f 连接器 表2 2p r 0 2 值与控制方式的对应关系 p r 0 2 参数值控制方式设定 第一方式第二方式木2 o位置 1 速度 2 转矩 3位置速度 4 位置转矩 ? 5速度转矩 6 1 0l 奉l 这些特殊的方式是为“全闭环”运行准备的。 奉2 如果选择了一个混合方式( p r 0 2 = 3 ，4 ，5 ，9 或1 0 ) ，用控制方式切换输入c - m o d e ( c n l f 的第3 2 引脚) 来切换第一和第二方式。 电机驱动器j 爿j 有三种控制模式：位置控制，转矩控制和速度控制。电机运行 于何种控制模取决于电机驱动器的前面板设置系统的设置。在电机驱动器中共有8 大类1 2 8 个参数是用于设置和调整驱动器的特性和运行状念的，所有的这些参数 都是由电机驱动器的前面板设置按钮来设定的，并且将最终的设置值烧写在了电 机驱动器的e e p r o m 中，电机驱动器就是按照e e p r o m 中的设定的各个参数的 值柬运行的。在所有的这些控制参数中，名称分别为p r 0 0 - - - p r 0 f 的参数是功能选 择类参数，用于对电机驱动器的功能进行设置，比如控制参数p r 0 2 是一个控制方 式的选择参数，如果将参数设定为0 则电机驱动器将运行于第一方式下的位置控 制模式下，如表2 2 所示。另外，名称分别为p r l 旺l f 的参数是因子及时l 日j 常数 的设定参数；名称分别为p r 2 啦_ 2 f 的参数是用于自动增益调整的参数设定：名称 分别为p r 3 0 _ 一3 f 的参数是第一和第二功能选择的有关参数：名称分别为p r 4 0 - _ 4 f 1 6基丁四自由度机械臂控制系统的殴计与研究 的参数是位置控制的有关参数：名称分别为p r 5 0 - - - 5 f 的参数是速度转矩控制的有 关参数；名称分别为p r 6 0 - - - 6 f 的参数是逻辑顺序的有关参数；名称分别为 p r 7 0 - - 7 f 的参数是全闭环伺服驱动器的有关参数。 在机械臂控制系统中，主要是对机械臂的定位要求较高，因此采用位置控制 模式，确定了机械臂控制系统的运行方式也就基本确定了驱动器的接线方式，因 为驱动器的接线方式基本上取决于控制方式，尽管在不同的控制模式下有较大的 差异。位置控制模式下c n l f 的接线图如图2 8 所示。 l 鱼 i禽i； 热 斗i一艚 葡! ：7 f i ：二： ：芬 t 一t 6 1 幽2 8c n l f 位置控制原理接线图 第二章控制对象机械臂的结构 结合图2 8 所示的位置控制的原理接线图和伺服电机驱动器说明书中关于 c n i f 引脚的使用说明可知，2 9 引脚s e v - o n 与电源地相连，当s r v - o n 的值为 逻辑o 时，驱动器内部的动态制动器将会释放，此时驱动器被允许工作，伺服使 能，因此这是一个十分关键的引脚，每次使用之前必须将此引脚电平拉低，已开 启驱动器，从而使其他的输入输出信号引脚有效。另外还有两类比较重要的控制 类引脚，他们是报警引脚3 6a l m 、3 7a l m + 和报警复位引脚3la c l r 。由接线 图可知，a l m 引脚直接接地，当产生报警时，内部输出晶体管切断，3 7 引脚a l m + 输出低电平。当报警清除以后，可以送出报警复位信号，也就是让3 l 引脚a c l r 的电平拉低，从而也使驱动器再次进入正常工作状态。在具体设计中，控制类的 引脚就涉及到这些。另外，还有比上述控制类引脚还要重要的两类引脚是控制脉 冲的输入引脚3p u l s l 、4p u l s 2 、5s i g n l 和6s i g n 2 以及测速所需的脉冲输出 引脚2 lo a + 、2 2o a 、4 8o b + 、4 9o b 、2 3o z + 平n2 4o z 。这两类引脚都要经 过长线驱动器a m 2 6 l s 3 l 和a m 2 6 l s 3 2 进行信号的传输，其传输状况可查阅后续 章节。由此便得出了这套系统中所应用到的引脚及其相应的接线图，图2 9 所示是 p a n a s o n i cm s d a 系列驱动器位置控制方式接线图。 控制器接线端子3 尽动器接线端子 c 聒、c 踞、c 盯、c 硒c nl 仃 1 、 4 1 ， 2 j、 3 7 3 。 fl 2 9 1 7 f 1 2 1 42 2 i 8 4 8 b 哇9 1 9 2 3 6 i 2 4 73 6 8 1 0 1 5 9 5 2 26 2 3 3 1 1 4 1 2 1 3 1 4 lj 7 1 5 3 1 1 6 、，7 2 0 2 1 、 2 4 2 5 1芎 g n d s i g n l s i g n 2 p u l s l p u l s 2 c o n + a c l r l 鳘i2 9p a n a s o n i cm s d a 系列驱动器何置控制方式接线图 啡腓册泔泔拇睁眇沿舢 盼胎勘沙沪m旷盼舻一胁抄阶眇盼价 ne 一 啪懈一 啪 鐾| 1 8基丁四自由度机械臂控制系统的设计与研究 2 4 本章小结 本章主要是对控制系统的控制对象进行了一下简要的讨论，尽管并不是十分 详细，但是对如何能够理解这套控制系统打下了良好的基础，因为对控制对象的 了解或理解是否透彻将直接影响到控制系统的设计。 本章除了对机械臂本体的机械结构进行了讨论以外，最重要的是讨论分析了 该控制系统面向的最直接的对象电机和电机驱动器，对电机和电机驱动器的 比较重要的部分进行了详细讨论。因为电机是执行机构的驱动元件，需要能够准 确无误的控制。 第三章控制系统的关键技术研究 1 9 第三章控制系统的关键技术研究 在这套机械臂控制系统中，采用t i 公司的c 2 0 0 0 系列d s p 作为主控芯片。 本章主要对d s p 的理论、交流伺服电机的控制理论以及测速原理这三方面进行深 入地研究。 3 1 控制芯片d s p 的理论介绍 在这套控制系统中，由于使用的d s p 芯片是t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，该芯片 是系统控制的核心芯片，因此必须对其有一个充分的了解。 3 1 1d s p 的c p u 结构和存储器配置【1 i t m s 3 2