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第5章机器人的控制系统 5 1机器人传感器5 2驱动与运动控制系统5 3控制理论与算法 不要求 2020 1 23 2 5 0概述 工业机器人的控制系统包含对机器人本体工作过程进行控制的控制机 机器人传感器 运动伺服驱动系统等 控制系统主要对机器人工作过程中的位置及姿态 路径轨迹及规划以及末端执行器施加在被作用物上的力和力矩等进行控制 控制系统中涉及传感技术 驱动技术 控制理论和控制算法 2020 1 23 3 概述 续 目前广泛使用的工业机器人中 控制机多为微型计算机 设有专门的控制柜 机器人一般配有简单的内部传感器 用来感知运行速度 位置和姿态等 还可以配备简易的视觉 力传感器感知外部环境 近年来 智能机器人的研究 主要体现在 处理的信息量大 控制算法复杂 同时配备了多种内部 外部传感器 不但能感知内部关节运行速度及力的大小 还能对外部的环境信息进行感知 反馈和处理 2020 1 23 4 5 1机器人传感器 5 1 1机器人传感器的特点和要求5 1 2机器人内部传感器5 1 3机器人外部传感器 2020 1 23 5 5 1 1机器人传感器的特点和要求 一 机器人传感器的种类传感器是以一定精度将被测量 如位移 力 加速度 温度等 转换为与之有确定对应关系 易于处理的某种物理量的部件或装置 完整的传感器应包括敏感元件 转换元件 基本转换电路三部分 以应变片为例 使传感器的信号输出应符合具体工业系统的要求 如4 20mA 5 5V 2020 1 23 6 传感器的种类 机器人传感器除了常见的位置 速度传感器外 还包括以下几类传感器 1 简单 复合触觉 确定工件对象是否存在 以及它的尺寸和形状等 2 简单 复合力觉 单维力或多维力的测量 3 接近觉 工作对象的非接触探测 4 简单 复合视觉 孔 边 拐角等的检测 识别工作对象的形状等 一些特殊领域应用的机器人还可能需要具有温度 湿度 压力 滑动量 化学性质等感觉能力方面的传感器 2020 1 23 7 二 传感器的性能指标 1 基本参数 包括量程 灵敏度 静态精度和动态性能 频率特性及阶跃特性 2 环境参数 包括温度 振动冲击及其他参数 潮湿 腐蚀及抗电磁干扰等 3 使用条件 包括电源 尺寸 安装方式 电信号接口及校准周期等 2020 1 23 8 较重要和常用的一些参数指标 1 灵敏度2 线性度3 精度4 重复性5 分辨率6 响应时间 传感器的动态特性指标7 抗干扰能力 2020 1 23 9 5 1 2机器人内部传感器 操作机器人根据具体用途不同可以选择不同的控制方式 如位置控制 速度控制及力控制等 机器人的位置或速度控制通常是在关节空间进行的 机器人控制系统的基本单元是机器人单关节位置 速度控制 用于检测关节位置或速度的传感器也成为机器人关节组件中的基本单元 所谓的内部传感器 2020 1 23 10 一 位置传感器 常见的有电阻式 电容式 电感式位移传感器及编码式位移传感器 霍尔元件位移传感器 磁栅式位移传感器等 这里介绍几种典型的位移传感器 2020 1 23 11 1 电位器式位移传感器 电位器式位移传感器主要有电位器和滑动触点组成 通过触点的滑动改变电位器的阻值来测量信号的大小 这种位移传感器可以测量直线位移也可以测量角位移测量角位移的电位器式位移传感器的结构原理如图5 1所示 2020 1 23 12 旋转型电位器式位移传感器 图中可变电阻做成圆弧形 滑动触点是一个绕中心回转的电刷 当被测角度发生变化时 电刷转过的角度随之改变 输出与角度成线性关系的电压信号 2020 1 23 13 直线型电位器式位移传感器 将可变电阻做成直线形 当电刷沿电阻的长度方向作直线运动时 可测量出与电刷固连的被测物的直线位移 其测量原理如图5 2所示 2020 1 23 14 电位器式位移传感器特点 电位器式位移传感器结构简单 性能稳定 精度高 只要改变可变电阻两端的基准电压 就可以在一定程度上选择其输出信号范围 且测量过程中掉电或发生故障时 输出信号能得到保持而不会自动丢失 其缺点是滑动触点容易磨损 运动中接触点可能不可靠 2020 1 23 15 2 编码式位移传感器 编码式位移传感器是一种数字式位移传感器 其测量输出的信号为数字脉冲 可以测直线位移也可以测转角 编码式位移传感器测量范围大 检测精度高 在机器人的位置检测及其他工业领域都得到了广泛的应用 编码器按照测出的信号是绝对信号还是增量信号 可分为绝对式编码器和增量式编码器 按照结构及信号转换方式 又可分为光电式 接触式及电磁式等 目前机器人中较为常用的是光电式编码器 2020 1 23 16 1 绝对式光电编码器 绝对式编码器是一种直接编码式的测量元件 它可以直接把被测转角或位移转化成相应的代码 指示的是绝对位置而无绝对误差 在电源切断时不会失去位置信息 但其结构复杂 价格昂贵 且不易做到高精度和高分辨率 现在已不存在此问题 2020 1 23 17 绝对式光电编码器 续 编码盘以一定的编码形式 如二进制编码等 将圆盘分成若干等分 利用光电原理把代表被测位置的各等分上的数码转化成电信号输出以用于检测 图5 3 a 所示为四位二进制编码盘 编码盘由多个同心的码道 track 组成 这些码道沿径向顺序具有各自不同的二进制权值 2020 1 23 18 绝对式光电编码器 续 红色处应为白色 顺时针 由外向里读数 2020 1 23 19 绝对式光电编码器 续 每个码道上按其权值划分为遮光段和投射段 分别为图中白色和黑色部分 分别代表二进制数的0和1 与码道个数相同的光电器件分别与各自对应的码道对准 并沿编码盘的半径直线排列 通过这些光电器件的检测可以产生绝对位置的二进制码 绝对式编码器对于转轴的每一个位置均产生惟一的二进制编码 因此可用于确定绝对位置 绝对位置的分辨率取决于二进制编码的位数 亦即码道的个数 图5 3 a 中的4个码道可产生2 4即16个位置 如有10个码道则可产生1024个位置 此时角度的分辨率为360 1024 21 6 目前光电编码器单个编码盘可以做到18个码道 2020 1 23 20 循环码 格雷码 使用二进制编码盘时 当编码盘在其两个相邻位置的边缘交替或来回摆动时 由于制造精度和安装质量误差或光电器件的排列误差将产生编码数据的大幅跳动 导致位置显示和控制失常 例如 从位置0011到0100 若位置失常 就可能得到0000 0001 0010 0101 0110 0111等多个码值 所以 二进制编码盘现在已较少使用 而改为采用图5 3 b 所示的循环码编码盘 循环码又称格雷码 真值与其码值及二进制码值的对照见表5 1所示 2020 1 23 21 循环码 格雷码 续 循环码是非加权码 其特点是相邻两个代码间只有一位数变化 即0变1 或1变0 如果在连续的两个数码中发现数码变化超过一位 就认为是非法的数码 因而格雷码具有一定的纠错 检错非纠错 能力 2020 1 23 22 循环码 格雷码 续 二者之间的转换 2020 1 23 23 2 增量式光电编码器 增量式光电编码器以数字形式测量出转轴相对于某一基准位置的瞬间角位置 另外还能测出转轴的转速和转向 测控电路 细分与辨向 图5 4 a 所示为编码盘的结构图 编码器的编码盘有三个同心光栅 分别称为A相 B相和C相光栅 结构示意 并不都是如此 A相光栅与B相光栅上分别间隔有相等的透明和不透明区域用于透光和遮光 A相和B相在编码盘上互相错开半个区域 相位超前 滞后90 或1 4周期 2020 1 23 24 增量式光电编码器 续 2020 1 23 25 增量式光电编码器 续 增量式光电编码器没有接触磨损 允许高转速 精度及可靠性好 但结构复杂 安装困难 常用的增量式编码器的分辨率一般为2000P r 2500P r 3000P r 20000P r 25000P r及30000P r等 在机器人的关节转轴上装有增量式光电编码器 可测量出转轴的相对位置 但不能确定机器人转轴的绝对位置 所以这种光电编码器一般用于定位精度要求不高的机器人 如喷涂 搬运及码跺机器人等 目前已出现包含绝对式和增量式两种类型的混合式编码器 使用这种编码器时 使用绝对式确定机器人的绝对位置 确定由初始位置开始的变动角的精确位置则使用增量式 2020 1 23 26 增量式光电编码器 续 根据A B相任何一光栅输出脉冲数的多少就可以确定编码盘的相对转角 根据输出脉冲的频率可以确定编码盘的转速 采用适当的逻辑电路 根据A B相输出脉冲的相序就可以确定编码盘的旋转方向 A B两相光栅为工作信号 C相为标志信号 编码盘每旋转一周 标志信号发出一个脉冲 它用来作为同步信号 2020 1 23 27 二 速度传感器 速度传感器是机器人中较重要的内部传感器之一 由于在机器人中主要测量机器人关节的运行速度 故这里仅介绍角速度传感器 目前广泛使用的角速度传感器有测速发电机增量式光电编码器 2020 1 23 28 速度传感器 续 测速发电机是应用广泛 能直接得到代表转速的电压且具有良好实时性的一种速度测量传感器 增量式编码器既可以用来测量增量角位移又可以测量瞬时角速度 速度的输出有模拟式 频率 电压转换 和数字式两种 2020 1 23 29 1 测速发电机 测速发电机是一种模拟式速度传感器 测速发电机实际上是一台小型永磁式直流发电机 其结构原理如图5 5所示 其工作原理基于法拉第电磁感应定律 当通过线圈的磁通量恒定时 位于磁场中的线圈旋转使线圈两端产生的电压 感应电动势 与线圈 转子 的转速成正比 2020 1 23 30 直流测速发电机的结构原理 永久磁铁 转子线圈 电刷 整流子 2020 1 23 31 测速发电机 续 测速发电机的输出电压与转子转速呈线性关系 但带有负载时 电枢的线圈绕组便会产生电流而使输出电压下降 这样便破坏了输出电压与转速的线性度 使输出特性产生误差 为了减少测量误差 应使负载尽可能小且保持负载性质不变 测速发电机线性度好 灵敏度高 输出信号强 目前检测范围一般为20 40r min sec 精度为0 2 0 5 2020 1 23 32 测速发电机 续 测速发电机在机器人速度闭环系统中作为速度反馈元件 机器人速度伺服控制系统的控制原理如图5 6所示 2020 1 23 33 2 增量式光电编码器测速 如前所述 增量式光电编码器在机器人中既可以作为位置传感器测量关节相对位置 又可以作为速度传感器测量关节速度 作为速度传感器时既可以在模拟方式下使用又可以在数字方式下使用 2020 1 23 34 1 模拟方式 在这种方式下 必须有一个频率 电压 F V 变换器 用来把编码器测得的脉冲频率转换成与速度成正比的模拟电压 其原理如图5 7所示 F V变换器必须有良好的零输入 零输出特性和较小的温度漂移才能满足测试要求 2020 1 23 35 2 数字方式 数字方式测速是利用数学方式用计算机软件计算出速度 M法 T法 M T法测速 2020 1 23 36 5 1 3机器人外部传感器 一 力或力矩 力觉 传感器工业机器人在进行装配 搬运 研磨等作业时需要对力或力矩进行控制 例如装配时需进行将轴类零件装入孔里 调准零件的位置 拧动螺钉等一系列步骤 在拧动螺钉过程中需要有确定的拧紧力 搬运时机器人手爪对工件需有合理的握力 握力太小不足以搬动工件 太大则会损坏工件 研磨时需要有合适的砂轮进给力以保证研磨质量 2020 1 23 37 5 2驱动与运动控制系统 5 2 1概述5 2 2基于微处理器和芯片的运动控制器设计5 2 3基于PC或总线技术的运动控制卡 控制器5 2 4机器人的伺服执行机构5 2 5MOTOMANUP6的运动控制 2020 1 23 38 5 2 1概述 早期的工业机器人多用液压 气动方式来进行伺服驱动 随着大功率交流伺服驱动技术的发展 目前大部分被电气驱动方式所代替 只有在少数要求超大的输出功率 防爆 低运动精度的场合才考虑使用液压和气压驱动 电气驱动无环境污染 响应快 精度高 成本低 控制方便 应用场合千变万化 人的知识总有局限 不要先入为主 2020 1 23 39 5 2 1概述 续1 电气驱动按照驱动执行元件的不同又分为步进电动机驱动 直流伺服电动机驱动和交流伺服电动机驱动三种不同形式 按照伺服控制方式分可分为开环 闭环和半闭环伺服控制系统 步进电动机驱动一般用在开环伺服系统中 这种系统没有位置反馈装置 控制精度相对较低 适用于位置精度要求不高的机器人中 交 直流伺服电动机用于闭环和半闭环伺服系统中 这类系统可以精确测量机器人关节和末端执行器的实际位置信息 具有很高的控制精度 2020 1 23 40 5 2 1概述 续2 一般的伺服控制系统包括伺服执行元件 伺服电动机 伺服运动控制器 功率放大器 又称伺服驱动器 位置检测元件等 伺服运动控制器的功能是实现对伺服电动机的运动控制 包括力 位置 速度等的控制 某些机器人系统把各个轴的伺服运动控制器和功率放大器集成组装在控制柜内 如MOTOMAN机器人 这样实际上相当于由一台专用计算机控制 2020 1 23 41 5 2 1概述 续3 随着芯片集成技术和计算机总线技术的发展 专用运动控制芯片和运动控制卡越来越多地作为机器人的运动控制器 前者利用专用运动控制芯片与PC机总线组成简单的电路来实现 后者直接做成专用的运动控制卡 这两种形式的运动控制器内部都集成了机器人运动控制所需的许多功能 有专用的开发指令 所有的控制参数都可由程序设定 使机器人的控制变得简单 易实现 2020 1 23 42 5 2 1概述 续 对于伺服电动机位置闭环系统来说 运动控制器主要完成了位置环的作用 不完全是这样 可称为数字伺服运动控制器 适用于包括机器人和数控机床在内的一切交 直流和步进电动机伺服控制系统 专用运动控制器的使用使得原来由主机做的大部分计算工作由运动控制器内的芯片来完成 使控制系统硬件设计简单 与主机之间的数据通信量减少 解决了通信中的瓶颈问题 提高了系统效率 2020 1 23 43 5 2 2基于计算机 微处理器 和芯片的运动控制器设计 一 专用运动控制芯片LM628概述LM628专用运动控制芯片实际上是一个具有专门用途的单片机 用来控制以增量式编码器为位置反馈元件的各种直流或无刷直流电动机伺服系统或其他伺服系统 具有很强的实时运算能力 该芯片具有丰富的指令集 可以通过上级计算机编程控制 只要用一片LM628和其他一些功能器件就可构成一个伺服系统 2020 1 23 44 LM628引脚 2020 1 23 45 LM628引脚 1 14 LM628芯片为28引脚的双列直插式封装 各引脚功能如下 接引脚顺序 IN 接受从增量式编码器来的零位标记信号 A B 接受从增量式编码器来的两个正交信号 D0 D7 连接主计算机或主处理器的I O端口 利用 CS RD和 WR可向LM628写入指令和数据或从LM628读出状态字节和数据 CS 片选信号 从主机发出 用于选中LM628进行读写操作 RD 由主机发出 使主机读出LM628的状态和数据 GND 电源地信号 2020 1 23 46 LM628引脚 15 28 WR 由主机发出使主机向LM628写入指令和数据 PS 由主机发出 用来选择LM628的指令口或数据口 低电平时 向指令口写入指令 或从指令口读出状态 高电平时 向数据口写数据或从数据口读出数据 HI 高电平有效 通知主计算机中断条件已具备 DAC0 DAC7 DAC输出口 CLK 系统时钟输入端 RST 复位输入端 VDD 电源 电压为4 5 5 5V 电流小于100mA 2020 1 23 47 LM628构成的伺服系统 LM628构成的伺服系统组成非常简单 用一片LM628 一个D A转换器 一个功率放大器 一台伺服电动机 一个增量式编码器就可以构成一个伺服系统 其原理图如图5 14所示 2020 1 23 48 2 LM628的主要功能 在由LM628组成的伺服运动控制器中 LM628能提供下面的一些主要功能 1 接受主机发送来的运动控制指令 并把运动控制器当前的状态及数据送给主机 2 作为速度曲线发生器 执行速度梯形图的计算和数字滤波 产生速度曲线 不论位置控制还是速度控制都需要有速度曲线发生器产生梯形速度分布图 3 利用增量式编码器进行实际位置的反馈 4 在运行中计算实际位置和理论位置 由速度发生器产生的位置 的差值 并把该差值经PID数字滤波器处理后输出 经外接D A转换器转换和功率放大 最后驱动电动机运动 2020 1 23 49 LM628的主要功能 续 进行位置反馈时 增量式编码器的三个信号A B和 IN接至LM628 A B两个正交信号用来跟踪电动机的绝对位置 增量位置 它们组成四个不同的逻辑状态 状态每改变一次 LM628内部寄存器就增加或减少一个数 使系统的分辨率比该增量式编码器条纹数高4倍 细分与辨向电路 2020 1 23 50 LM628的主要功能 续 速度发生器产生的速度曲线计算出了期望位置与时间的对应关系 在位置控制方式下 主机把伺服系统的加速度 最高速度和最后位置通过LM628的用户指令发送给LM628 LM628则按照规定的曲线控制伺服电动机以规定的加速度运动到最高速度 然后以该速度恒速运动到减速点 接着以负加速度开始减速直到电动机到达目标位置停止 如图5 15 a 所示 在某些运动过程中 最高速度和目标位置是允许改变的 一般设置不变 图5 15 b 所示就是一种典型的改型梯形速度曲线图 2020 1 23 51 LM628的主要功能 续 2020 1 23 52 LM628的主要功能 续 LM628的数字滤波功能是用PID数字滤波器来补偿被控制的闭环系统 对于任何偏离预定位置的扰动 电动机都产生一个响应的转矩来保证预定位置 LM628的DAC输出口可提供锁存8位并行输出或双重12位输出 DAC的输出数据都是移位 二进制码 输出数据可正可负 当8位输出时 输出零值是80H 当12位输出时 输出零值为800H 当输出数据大于零值时 产生正转矩 电动机正转 当输出数据小于零值时 产生负转矩 电动机反转 2020 1 23 53 三 LM628的用户指令集 LM628的用户编程指令按功能分为初始化指令 中断控制指令 滤波器控制指令 数据上报指令等 其中有些指令不带操作数 如STT 启动 指令 有些则需附带操作数 如LEIL 装入滤波器参数 指令则需要加上微分项采样间隔和滤波器参数等几个字节的数据 LM628用户指令集如表5 2所示 2020 1 23 54 LM628用户指令集教材P168 2020 1 23 55 四 LM628芯片的运动控制器电路设计 通过主机和LM628及一些其他器件组成的最小系统如图5 16所示 LM628通过8位数据线与主机进行数据读写传输 由主机的读写控制信号线发读写控制命令进行读写 主机的地址信号线一方面经地址译码后作为LM628的片选信号 CS 另一方面用来作为LM628指令口或数据口操作的选择信号 PS LM628的8位DAC输出口直接外接一片8位D A转换芯片 经D A转换后送LM12线性放大器驱动伺服电动机 2020 1 23 56 LM628芯片的运动控制器电路设计 续 2020 1 23 57 5 2 3基于PC 总线 技术的运动控制 卡 器 目前市售的运动控制卡很多 功能都为对运动轴的开 闭环控制 这里介绍一种用于机器人和数控机床的四轴运动控制器GM 400 一 GM 400四轴运动控制器简介1 概述GM 400四轴运动控制器的核心由两片专用运动控制芯片组成 该运动控制器是一块带有ISA标准总线 以IBM PC或者兼容机作为主机的应用插板 它具有功能强 价格低 使用方便的特点 适用于四轴伺服电动机的闭环控制 采用GM 400运动控制器进行伺服闭环控制时 用户需要一台IBM PC计算机或兼容机 运动控制器 扁平电缆 一块接口端子板 伺服电动机 伺服电动机驱动器和外部接口电源等硬件 这些部件之间的连接示意图如图5 17所示 2020 1 23 58 采用四轴运动控制器组成的控制系统框图 现在多为PCI接口 2020 1 23 59 2 GM 400四轴运动控制器提供的主要功能 1 提供4路模拟电压 10V 控制信号 2 提供4路PWM控制信号 适用于有PWM控制信号接口的伺服电动机驱动器 3 提供4路增量式光电编码器反馈信号接口 4 增量式编码盘计数频率可达1MHz 5 四轴位置 速度 加速度控制 6 可编程数字PI Vff滤波 7 可编程数字PID滤波 2020 1 23 60 GM 400四轴运动控制器提供的主要功能 续 8 单轴最小伺服采样周期为100ms 偏大 9 32位长度的位置寄存器 10 硬件检测INDEX信号 11 硬件检测HOME信号 12 可编程S曲线 梯形曲线 速度跟踪和电子齿轮式运动控制方式 13 点到点位置控制 2020 1 23 61 3 控制器的输入及输出接口 1 8路光电隔离限位开关信号输入接口 2 4路光电隔离原点信号输入接口 3 16路光电隔离输入可作为伺服电动机驱动器故障输入接口 也可作为由用户定义的其他输入信号接口 4 16路光电隔离输出信号可用于伺服电动机驱动器的使能和故障复位控制 也可以由用户定义成其他输出信号接口 2020 1 23 62 4 控制器总线接口 控制器采用标准的ISA和PC104总线接口 2020 1 23 63 5 控制器电源信号 GM 400四轴运动控制器的数字电路 编码器与伺服电动机控制采用PC机ISA总线插槽提供的 5V电源 电流不大于2A 12V和 12V电源电流不大于60mA 计算机的电源地 GND 作为 5V 12V和 12V的公共地 8路限位开关信号输入 4路原点信号输入 16路光电隔离输出和16路光电隔离输入信号的接口电源VCC2和接口电源地GND2必须由外部电源提供 外界提供另一套电源 2020 1 23 64 二 运动控制器工作原理 图5 18所示为GM 400运动控制器的原理框图 图中所示的增量式编码器的A B相信号作为位置反馈输入信号 运动控制器通过四倍频及加 减计数器得到实际位置 实际位置的信息保存在位置寄存器中 上级计算机可通过控制寄存器读取 运动控制器的目标位置由上级计算机设定 通过内部计算得到位置误差值 经过数字伺服滤波器后 送到数模转换 DAC 或脉宽调制器 PWM 硬件处理电路 经过转换 最后输出伺服电动机的控制信号 即 10V模拟信号或PWM信号 2020 1 23 65 运动控制器的原理框图 2020 1 23 66 运动控制器的控制模式 运动控制器的控制模式和参数由上级计算机设定 GM 400根据主机发送的命令决定采用何种加 减速控制曲线和数字滤波算法 GM 400运动控制器有两种运动控制方式 一种是闭环方式 另一种是开环方式 闭环控制是运动控制器的默认方式 开环控制直接输出控制信号 在开环控制模式下 上级计算机送到GM 400运动控制器的命令不需要经过任何处理 直接输出控制 2020 1 23 67 1 闭环控制下的四种运动控制模式 1 S曲线模式 1 在开始加速的1区 加速度从零开始 以设定的最大加速度为目标 以加加速度 一个伺服周期内加速度的增量 为增量递增 直到达到最大加速度为止 2 在2区 加加速度为零 按已达到的最大加速度加速到3区 3 在3区 按负的加加速度使加速度减为零值 使速度达到最大值 此阶段已完成加速过程 4 第4阶段为匀速运行阶段 加速度和加加速度都为零 5 在第5阶段 第6阶段和第7阶段与第1 2及3阶段相同 不同的是减速运行到速度为零 2020 1 23 68 S曲线模式控制曲线 有些情况下 可能没有这一段 2020 1 23 69 2 梯形曲线模式 图5 21所示的梯形曲线模式通常经历三个阶段 1 在第1阶段 速度按照设定的加速度值从零加速到最大速度 2 第2阶段加速度为零值 速度保持已达到的最大速度运行到第3阶段 3 在第3阶段 按设定的加速度减速到零 图5 21所示为一个典型的梯型速度控制曲线 在有些情况下 可能达不到最大设定速度就要减速 这样就没有第2阶段 在梯形曲线模式控制方式下 任意时刻都可改变速度和位置 其速度曲线如图5 22所示 2020 1 23 70 梯形曲线控制 用在非结构化环境中 摸索 运动 2020 1 23 71 3 速度跟踪模式 在该模式下 由主机设定额定加速度和最大速度两个参数 开始运动时以给定的加速度连续加速直到达到设定的最大速度 速度设定值必须为正值 运动方向由加速度的符号确定 即正加速度产生正向运动 而负加速度则产生负向运动 在运动过程中 速度和加速度两个参数可以随时修改 2020 1 23 72 4 电子齿轮模式 在电子齿轮模式下 主机只需设置一个运动参数 即电子齿轮减速比 这是一个带符号的32位二进制数 范围为 16384至16383 运动时 从动轴作为被驱动轴 其目标运动由主动轴运动乘以电子齿轮减速比来确定 用在多轴协调运动 若减速比为带小数情况 2020 1 23 73 2 运动控制器的速度控制 1 运动停止的控制有些情况下 为了安全起见或为了实现某些特定的运动轨迹 需要在特定位置使运动停止 GM 400提供两种方法实现这一功能 急停和平滑停止 2020 1 23 74 2 运动完成状态 GM 400运动控制器提供两个字节表征运动状态 其中一个字节表征运动是否完成 另一个表征运动时的内部状态 主机和运动控制器可交替控制运动完成状态位 在一个运动完成后 控制器设置运动完成标志位 然后主机查询该标志位以确定运动是否完成 或者通过主机编程使运动控制器在运动完成时 自动向主机发出运动完成中断申请 无论采用哪种方式 一旦主机获悉运动完成 主机应清除运动完成标志位 为指示下一次运动是否结束做准备 2020 1 23 75 3 数字伺服滤波 数字伺服滤波器用于计算电动机控制输出信号 GM 400运动控制器采用PID和速度前馈 PID Vff 滤波器 GM 400通过调节滤波器的各参数 实现精确而稳定的系统控制 2020 1 23 76 3 控制器运动轴的控制 1 与主机的通信GM 400运动控制器提供了命令写 数据写和数据读三种操作实现主机与运动控制器之间的信息交换 1 命令写操作 主机向运动控制器发送命令字 完成对控制器状态 模式的设定或使控制器执行某些处理 如轴参数刷新 轴位置同步以及轴位置清零等 2 数据写操作 主机向运动控制器发送带参数命令 完成控制器轴参数设定或轴状态操作 3 数据读操作 主机向控制器发送读控制器参数命令并读取控制器参数 2020 1 23 77 控制器运动轴的控制 续 主机进行上述操作之前 必须检测控制器准备好信号 查看控制器通信接口是否就绪 控制器的参数命令和一些重要的操作命令均采用双缓冲机制 因此主机可重新发送命令避免因命令出错造成损失 在主机与控制器之间进行通信时 主机可根据实际需要确定是否读取刚刚发送到GM 400双缓冲寄存器中的命令或参数 当主机读取了已发送的命令并发现命令不正确时 主机可重新发送命令以避免命令出错 GM 400的大部分命令都具有返回指令与之对应 2020 1 23 78 控制器运动轴的控制 续 GM 400运动控制器的大多数命令一次只修改某个轴的参数或其运动状态 这样主机必须能分别单独控制每个轴的运动 为便于处理 控制器中保持了主机对当前轴号的设置 当主机设置好当前轴后 所有作用到当前轴的后续命令将自动进行 当前轴号将一直保持不变 直至有命令对它做出修改 2020 1 23 79 2 控制器的伺服周期 GM 400运动控制器上的每个控制轴都能独立地进行工作设置 每个工作轴从DSP计算资源中获得一个时间段 不工作的轴可以不占用DSP的计算资源 因此当工作轴少于GM 400所支持的轴数目时 可增加伺服控制的刷新频率 用命令集中的SET SMPL TIME命令函数可设定伺服控制刷新频率 用GET SMPL TIME命令函数可从控制器中读取该值 设定工作轴的数量和GM 400最小伺服控制周期的对应关系如表5 3所示 2020 1 23 80 工作轴的数量和GM 400最小伺服控制周期的对应关系 伺服控制周期越小 越容易达到高的控制精度和稳定性 GM 400设定的伺服控制周期以100ms为单位 范围从1至32767 例如设置有两个工作轴的控制器的最小伺服控制周期值 需用SET SMPL TIME函数把2 即2 100ms 200ms 送入控制器 2020 1 23 81 3 控制器的轴寻址 调用一次GM 400的命令函数通常只修改某个轴的一个参数或其运动状态 这样主机必须能单独控制每个轴的运动 为便于处理 GM 400保持了主机对当前轴号的设置 当主机设置好当前轴后 所有后续命令将自动对当前轴进行设置 设置好的轴号一直保持不变 直到调用下一个命令对它做出修改 2020 1 23 82 4 控制器的状态寄存器 GM 400运动控制器为每一个轴提供一个状态字 以保存各轴内部运动状态 该状态字是一个16位寄存器 用GET STATUS命令可以查询当前轴状态寄存器的内容 状态字各位的定义如表5 4所示 状态字的8 10位和12 13位指示连续状态信息 由运动控制器置位且主机不能对它们进行复位 而0 7位为不同的状态标志 它们能向主机提出中断申请 这些标志位由运动控制器置位 同时必须由主机复位 否则它们将一直保持有效 2020 1 23 83 4 工作参数的设置和刷新 主机必须对GM 400设置不同的运动方式及伺服参数 控制运动轴以期望的方式运动 GM 400采用双缓冲机制接收设置的参数和相关的控制命令 没有接收到主机刷新信号 这些设置的参数和运动命令都不会生效 只有在接收到刷新命令后 控制器才将这些参数和命令复制到相应的寄存器中 使其生效 也就是说 在刷新之前 主机设置到GM 400双缓冲寄存器中的参数和命令都将不影响系统的运行 刷新 使能信号 2020 1 23 84 5 轴运动错误监测和状态恢复 在某些情况下 轴的实际位置可能和期望位置相差很大 这通常意味着存在一些错误 或危险 情况 例如电动机故障 编码器A B信号接反或断线 机械摩擦太大或机械故障造成运动轴堵转等 为了能检测这种情况 增强系统的安全性和延长设备使用寿命 GM 400内部设置了最大位置误差寄存器 用SET POS ERR命令设置最大位置误差值 用GET POS ERR命令读取该值 运动控制器在每一个伺服周期都比较最大位置误差值与实际位置误差值以检测是否出现运动错误 2020 1 23 85 错误状态的恢复 GM 400从运动错误状态恢复到正常运动状态需执行以下步骤 1 确定引起运动错误的原因并加以改正 2 清除状态寄存器中运动出错标识位 3 使用SYNCH POS命令使轴的当前实际位置与当前规划位置同步或使用ZERO POS和UPDATE命令使当前实际位置与当前规划位置清零 4 用AXIS ON命令重新使能控制轴 完成上述步骤后 轴进入正常的伺服状态并等待主机发送下一次运动命令 note 如果硬件出现故障 一般要停机重新调整 2020 1 23 86 6 轴位置高速捕获 1 增量式编码器信号的输入GM 400运动控制器采用增量式编码器作为输入反馈 每轴提供增量式编码器A B和C相三组差动信号输入接口 通常 增量式编码器都有A B相信号 这两个信号彼此相差为90 正向运动时 A相超前B相90 负向运动时 B相超前A相90 GM 400内部通过检测A B相信号产生的4个90 相位差的跃变进行四倍频 使编码器的分辨率提高4倍 细分与辨向电路 编码器每转一圈产生一个C相脉冲 当C相信号变为低电平 且A B相信号也同时变为低电平时 控制器就认为产生了INDEX脉冲 查相关资料 2020 1 23 87 6 轴位置高速捕获 2 输入信号滤波 为增强接收编码器输入信息的可靠性 GM 400运动控制器对四倍频信号 A B相信号 及INDEX HOME信号进行滤波 要求所有这些信号至少维持3个系统时钟周期的高或低电平才有效 每个时钟周期为160ns 因此总的维持时间必须为480ns 例如 如果数据线中有一个简单伪噪声维持了300ns 那么这个信号将被忽略 直到一个有效状态变化持续或超过480ns 具体实现技术 另外 本运动控制器还采用了差动线驱动器 接收器来提高系统的可靠性 2020 1 23 88 6 轴位置高速捕获 3 系统机械原点的确定 GM 400内部为每个运动轴提供了一个高速位置捕获寄存器 用来保存外部触发信号动作时运动轴的实际位置 以便确定系统的机械原点 GM 400采用增量式编码器的INDEX信号或原点 HOME 开关信号作为捕获运动轴位置的触发信号 这两种触发信号的区别在于 前者来自增量式编码器C相 或Z相 信号 在编码器的A B和C相信号均为低电平时作为触发信号 不完整 后者HOME信号来自于原点开关触发信号 主机可以用SET CAPT INDEX和SET CAPT HOME命令选择GM 400使用何种输入信号作为机械原点位置触发信号 2020 1 23 89 7 控制器中断 GM 400运动控制器可通过向主机发出中断请求 使主机能及时对轴运动过程中出现的事件做出处理 这种中断方式通常比主机查询 方式 控制器的各种状态更为方便和有效 如果某个轴出现上述中断条件 激活中断请求信号 主机可根据实际情况响应中断 进行适当处理 主机完成中断处理后 发出RST INTRPT 复位中断 指令清除当前轴的中断请求条件 该命令能带一个清除屏蔽标志参数 使下次中断可以发生 主机一次只能响应一个轴的中断 例如 用户正在设置当前1 轴的参数 而3 轴向主机发出中断请求信号 此时 如果需要处理该中断 主机就必须把3 轴设置为当前轴 如果同时有多个轴发出中断申请 最小号的轴具有最高的中断优先级 2020 1 23 90 8 电动机输出 GM 400提供两种电动机驱动器接口 10位24 5kHzPWM输出和16位DAC输出 由主机设置电动机控制接口模式 选定的模式为四个轴的输出模式 不能分别编程设置每个轴的输出模式 命令SET OUTPUT PWM设置电动机控制输出模式为PWM模式 命令SET OUTPUT DAC16设置电动机控制输出模式为16位DAC模拟控制输出方式 2020 1 23 91 电动机输出 续 控制器有闭环和开环两种运行模式 在闭环模式下 电动机控制输出由伺服滤波器的输出决定 而伺服滤波器的输出取决于轨迹规划器的输出和轴的实际位置 闭环运行模式是控制器的标准运行模式 开环运行模式允许主机直接设置电动机输出量 主要用于只需转矩控制 控制电机电流 的一轴或多轴运动控制或者标定伺服驱动器 2020 1 23 92 电动机输出 1 PWM输出 如果选定PWM输出模式 控制器输出给电动机驱动器的信号由幅值和符号位组成 如果驱动电动机向正方向运转 符号位为高电平 如果驱动电动机向负方向运转 符号位为低电平 2020 1 23 93 电动机输出 2 16位DAC输出模式 如果选定16位DAC输出模式 对于每个使能轴 控制器将把16位数字量加载到DAC的指定转换通道中 DAC输出范围为 10V PWM方式或DAC输出模式取决于驱动器的控制类型 二者可相互转换 2020 1 23 94 9 逻辑I O控制 GM 400除了给四个控制轴提供8路光电隔离的限位开关和原点开关的输入接口外 还提供主机能够直接读写的32路光电隔离输入和输出接口 其中16路输入信号用两个字节读 16路输出信号用两个字节写 利用GM 400提供的32路光电隔离输入和输出接口 主机可以完成逻辑I O的控制 2020 1 23 95 10 GM 400运动控制器软件编程 1 编程资源GM 400四轴可编程运动控制器提供给用户一个四轴运动控制器 卡 和用C语言编写的用户软件包 软件包以C语言源程序形式提供给用户 用户可以在自己开发应用系统时 调用该软件包所提供的功能函数 以缩短产品的开发周期 提供实现低层功能的重要功能 2020 1 23 96 用户软件包的主要内容 1 运动控制操作的基本指令集 例如 对运动控制器的初始化及复位 位置 速度及加速度设定 PID参数设定 运动控制参数读取 运动控制状态检测等 该指令集以标准C库函数的方式提供 可用于Dos下的程序编写 也可用于Windows下的程序编写 2020 1 23 97 用户软件包的主要内容 续 2 软件包提供给用户一个用于调试GM 400四轴运动控制器的软件 该软件用C语言编写 其目的有两个 第一可以使用户运用该调试软件调试运动控制器 第二是让用户通过调试 了解如何使用软件包中提供的基本运动控制功能函数 并将其加入到自己开发的系统软件中 2020 1 23 98 用户软件包的主要内容 续 3 软件包还提供给用户一个Windows下的动态链接库以及Windows下调试GM 400运动控制器的软件 4 根据用户的要求 以选件的方式提供CNC系统软件 例如 三坐标联动铣床控制系统及车床控制系统等 对于那些需要CNC系统的用户 使用该四轴运动控制器和CNC软件可以方便地组成自己的数控系统 5 以选件方式还可提供空间直线插补及XOY XOZ YOZ三个坐标面圆弧插补程序以及空间螺旋线插补和样条插补程序等 2020 1 23 99 2 编程格式 1 命令 数据格式 对GM 400运动控制器操作的命令采用单字节指令编码 2 8 256 读 写命令格式为 命令加读数据或写数据 数据按十六进制补码方式传送 读 写数据的顺序从高到低 对16位数据先读 写高8位 后读 写低8位 对32位数据先读 写高16位 后读 写低16位 2020 1 23 100 2 GM 400运动控制器的三种数据内部格式 32位二进制数 最小单位为脉冲数 通常为位置值 数据内部表示成16位整数和16位小数两部分 小数部分的实际数值为0 FFFFH乘以系数1 10000H 例如速度和加速度值 32位二进制数的小数 数值范围为0 FFFFFFFFH 表示的实际数值等于0 FFFFFFFFH乘以系数1 100000000H 例如加加速度值 2020 1 23 101 2 GM 400运动控制器的三种数据内部格式 续 由于运动控制器的内部数据有三种表示 所以必须对应有三种处理数据的办法 读 写位置信息时 数据本身表示为脉冲数 不需要做进一步处理 注 有时也存在转换问题 长度 角度脉冲数 对运动控制器写入速度 加速度值时 实际的数据应乘以65536 2 16 后 再取整写入运动控制器 读出速度 加速度数值时 读出的数据应乘以1 65536 得到的结果才是实际的速度或加速度值 写加加速度值时 实际数据应乘以4294967296 2 32 后 再写入运动控制器 读出加加速度值时 读出的数据应乘以1 4294967296 得到的结果才是实际的加加速度值 实际是比例系数处理问题 注意 区分其整数和小数部分 2020 1 23 102 5 2 4机器人的伺服执行机构 一 步进电动机步进电动机一般作为开环伺服系统的执行机构 有时也用于闭环伺服系统 它是一种将脉冲电信号转换为角位移或直线位移的一种D A转换装置 按照输出位移的不同 步进电动机可分为回转式步进电动机和直线式步进电动机 机器人中一般采用回转式步进电动机 如果把步进电动机装在机器人回转关节轴上 则接收一个电脉冲 步进电动机就带动机器人的关节轴转过一个相应的角度 步进电动机连续不断地接收脉冲 则关节轴连续不断地转动 步进电动机转过的角度与接收的脉冲数成正比 2020 1 23 103 步进电动机具有下列优点 1 输出角度精度高 无积累误差 惯性小 步进电动机的输出精度主要由步距角来反映 所谓步距角是指步进电动机接收一个脉冲电信号其输出轴转过的角度 目前步距角一般可以做到0 002 0 005 甚至更小 360 200 1 8 2 0 9deg 单拍 双拍 单 双拍 2020 1 23 104 步进电动机具有下列优点 续 2 输入和输出呈严格线性关系 输出角度不受电压 电流及波形等因素的影响 仅取决于输入脉冲数的多少 不完全是这样 注意失步现象 3 容易实现位置 速度控制 起 停及正 反转控制方便 步进电动机的位置 输出角度 由输入脉冲数确定 其转速由输入脉冲的频率决定 正 反转 转向 由脉冲输入的顺序决定 而脉冲数 脉冲频率 脉冲顺序都可方便地由计算机输出控制 2020 1 23 105 步进电动机具有下列优点 续 4 输出信号为数字信号 可以与计算机直接接口 表达不完全准确 一般需功率驱动 5 结构简单 使用方便 可靠性好 寿命长 2020 1 23 106 步进电机的分类 步进电动机按照励磁方式分有反应式 永磁式和混合式 这里以反应式步进电动机为例说明其工作原理 略去 2020 1 23 107 步进电机结构原理图 2020 1 23 108 步进电机工作方式 三相单三拍通电方式 转子转过3 A B C A 顺时针转动A C B A 逆时针转动三相双三拍通电方式 转子转过3 AB BC CA AB 顺时针转动AC CB BA AC 逆时针转动用三相六拍通电方式 转子转过1 5 A AB B BC C CA A 顺时针转动A AC C CB B BA A 逆时针转动 2020 1 23 109 步进电动机运动系统的组成 步进电动机运动系统主要由步进电动机控制器 功率放大器及步进电动机组成 硬件步进电动机控制器由脉冲发生器 环形分配器 控制逻辑等组成 它的作用是把代表转速的脉冲数分配到电动机的各个绕组上 使电动机按既定的方向和转速转到相应的位置 随着计算机和软件技术的发展 硬件步进电动机控制器的功能逐步由软件来代替 不完全是这样 硬件环分 软件环分L297 L298控制与功率驱动 2020 1 23 110 二 直流伺服电动机 20世纪80年代以前 机器人广泛采用直流伺服电动机作为执行机构 直流伺服电动机具有启动转矩大 体积小 重量轻 转速易控制 效率高等优点 但是 直流伺服电动机结构上具有电刷和换向器 需要定期更换电刷和进行维修 电动机使用寿命短 噪声大 尤其是直流电动机的容量小 电枢电压低 很多特性参数随速度而变化 限制了直流电动机向高速 大容量方向发展 在一些具有可燃气体的场合 由于电刷换向过程中可能引起打火 也不适合使用直流电动机 如井下作业等 2020 1 23 111 直流伺服电机 续 近年来 随着交流技术的发展 直流伺服电动机正越来越多地被交流伺服电动机所取代 直流无刷电机 然而 在一些中 小功率的场合 还常使用永磁式直流伺服电动机 特别是电池驱动的场合 2020 1 23 112 直流伺服电动机的工作原理 略 2020 1 23 113 1 小惯量直流电动机 小惯量直流电动机与一般直流电动机相比 其转子为光滑无槽的铁心 用绝缘粘合剂直接把线圈粘合在贴心表面上 且转子长而直径小 气隙尺寸比一般直流电动机大10倍以上 输出功率一般在几十瓦到10kW以内 主要用于要求快速动作 功率较大的系统 小惯量直流电动机具有以下特点 1 转动惯量小 为一般直流电动机的1