基于机器视觉的机械手控制系统研究

1、 南京航空航天大学硕士学位论文基于机器视觉的机械手控制系统的研究姓名:耿洪兴申请学位级别:硕士专业:航空宇航制造工程指导教师:张乐年2011-01南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要 近年来,不断发展的机器视觉技术和机械手控制技术已在众多领域为人们提供了快速又高效的服务。在某些条件恶劣的环境中,带视觉功能的机械手代替人工发挥着重要作用。此外, ZigBee 无线通信技术的日益成熟,也对现代工业控制行业产生着越来越重要的影响。 本文基于对机器视觉技术、单片机控制技术、电机驱动技术和 ZigBee 无线通信技术的深入研究,完成一套集光、机、电于一体的机械手控制系统的设计、安装和调试。本文研究的机械

2、手控制系统可分为三层:即决策层、处理层和执行层。分别由上位工控机、三套运动控制卡和五台电机与其对应。决策层用于人机界面的交互、图像的采集与处理、通过ZigBee 无线网络发送指令控制下位机;处理层负责解析并执行上位机的控制指令,或驱动电机,或向上位机反馈数据;执行层则负责按处理层的要求控制机械手运动。基于系统各层的功能需求,本文的主要工作包括控制系统的电气设计,运动控制卡的硬件、软件设计,机器视觉系统构建和图像处理软件设计,以及上位机软件的安装与操作情况介绍。论文首先对课题中的关键技术作了深入研究,包括机器视觉技术、电机驱动技术和 ZigBee 无线通信技术;其次,重点阐述了基于单片机的运动控

3、制卡的软硬件设计,包括控制系统中硬件元器件的选型、主要硬件接口的设计和运动控制算法的实现等;昀后,论文对视觉系统的硬件构成和图像处理软件设计流程作了详细介绍,并完成了软件开发工作。本文所设计的控制系统实现了两种控制模式:手动模式和自动模式。手动模式下,操作人员通过人机界面可以完成对机械手各个方向的运动控制;而在自动模式下,机械手所需完成的动作完全由控制系统全自动完成。关键词:机器视觉,机械手,单片机,ZigBee 技术,电机驱动,运动控制 I 基于机器视觉的机械手控制系统的研究 Abstract In recent years, the developing machine vision an

4、d manipulator control system played an ex-traordinary role in many fields. In certain extreme circumstances, manipulators integrated with ma-chine vision could help workers indeed. On the other hand, zigbee wireless communication technique are getting increasingly popular and mature. Both of them ex

5、tend great influence on industrial fieldBased on the study of techniques mentioned above together with the microchip control and mo-tor control technique, this thesis contains the design, set up and check work of the whole control sys-tem, which is integrated with optics, mechanism, and electricityT

6、he manipulator control system discussed hereby comprises computer, microchip system and driving motors. There are three major tasks for the computer as follows: display the human-computer interface to the users, acquire suitable pictures of the objects for analysis, send orders to the motion control

7、 system through the zigbee wireless network based on the images acquired. And the motion control card is designed to execute the orders from the computer, either drive the motors or feedback necessary data to the computer. The drivers are the last part of the control system. They drive the ma-nipula

8、tor to the place where the computer determinedAccording to the function of the system, this thesis mainly contains the design of the software and the hardware of the microchip system, the hardware and software design of the machine vision system. In the first chapter of the thesis, the author studie

9、d the key techniques used in the system. In the second chapter, the design work of the microchip system was elaborated on the systems module, including the hardware and the software design, and devices used in the control system. In the third chapter, the design of the machine vision system is elabo

10、rated on the application of the camera, lens, illumination devices; and image analysis arithmetic and serial communication etcAt last, the set up and operation of the PC software are both introduced in detail with necessary picturesThe system is supposed to work in dual mode, manually handle and aut

11、omatic mode. In the manual mode, the user could control the manipulator directly; and in the automatic mode, the closed-loop system is capable of doing its job automatically and precisely under users watch, for some critical work must be confirmed by human for the sake of safty of the objects Keywor

12、ds: Machine vision, manipulator, microchip, zigbee, motion control II 基于机器视觉的机械手控制系统的研究 图表清单 图 1.1 LAMOST 主动光学系统示意图.1 图 2.1 步进电机工作原理示意图.6 图 2.2 细分控制基本结构框图7 图 2.3 伺服电机系统组成.8 图 2.4 伺服电机全闭环控制示意图.9 图 2.5 ZigBee 芯片组销售收入13 图 3.1 机械 械结构示意图14 图 3.2 机械手控制系统结构示意图.15 图 3.3 控制柜内的器件示意图.15 图 3.4 控制卡的功能模块示意图17 图 3

13、.5 ZICM2410 模块外观及内部功能模块图.19 图 3.6 ZICM2410 模块与单片机的连接.20 图 3.7 单片机电源模块.20 图 3.8 复位电路原理图.21 图 3.9 编码器信号采集电路.21 图 3.10 串行接口电路原理图22 图 3.11 单片机与 ZigBee模块的电平转换电路.23 图 3.12 步进电机驱动器及接线示意24 图 3.13 安川-系列 AC 伺服电机及驱动器外观.24 图 3.14 安川伺服驱动器主电路.25 图 3.15 位置控制时驱动器 CN1 连接示意26 图 3.16 单片机工作流程图.28 图 3.17 串口中断函数执行流程.29 图

14、 3.18 高速输出模式工作示意图.30 图 3.19 PCA中断处理流程30 图 3.20 电机驱动执行流程.31 图 3.21 电机运行速度曲线.31 图 3.22 电机起停软性化算法处理流程.32 图 4.1 典型的机器视觉系统组成33 VI 南京航空航天大学硕士学位论文 图 4.2 机器视觉系统整体框架.34 图 4.3 JAI GigE Vision 相实物图.35 图 4.4 相机安装位置示意图.35 图 4.5Computar镜头实物图.36 图 4.6 镜面整体原图与二值化图像的对比.38 图 4.7 镜面一角的二值化效果图对比.38 图 4.8 二值图像中值滤波处理效果图.3

15、9 图 4.9 直角坐标系直线到极坐标系点的映射示意图.42 图 4.10 模板匹配法模式识别系统框图.42 图 4.11 三角片法计算多边形面积方法.43 图 4.12 视觉识别流程图.44 图 5.1 上位机软件主界面50 图 5.2 自动吊装模式界面50 图 5.3 手动吊装模式界面51 图 5.4 控制柜测试界面.52 表 2.1 几种短距离无线技术的比较.12 表 3.1 伺服驱动器操作面板按键功能介绍.25 表 4.1 各种光源对比.36 表 4.2 MSComm控件的接口函数列表45 表 4.3 上下位机通信数据包内容46VII 基于机器视觉的机械手控制系统的研究 注释表 英文缩

16、写 英文全称 中文全称 Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy 大天区面积多目标光纤光谱天LAMOST Telescope文望远镜Electrically Erasable Programmable Read-only 电可擦写可编程只读存储器 EEPROM Memory MA Mirror A LAMOST 纠正镜MB Mirror B LAMOST 球面镜CCD Charge Coupled Device 电荷耦合器件 CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物 API Ap

17、plication Programming Interface 应用编程接口 PID Proportion、Integral、Derivative 比例积分微分控制器 Wi-Fi Wireless Fidelity 无线保真 PCB Printed Circuit Board印制电路板RAM Random Access Memory 随机存储器 ROM Read Only Memory 只读存储器 CPU Central Processing Unit 中央处理器 DIP Dual In-line Package 双列直插式 ISP In-System Programming 在线系统编程 I

18、AP In Application Programming在应用编程UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter / 通用异步接收 发送装置AES Advanced Encryption Standard高级加密标准ADC Analog-to-Digital Converter 模拟/数字转换器 RXD Receive Data 数据接收 TXD Transmit Data 数据发送 GND Ground 信号地 TTL Transistor-Transistor Logic 晶体管-晶体管逻辑 AIA The Automated Imagi

19、ng Association自动化成像协会EIA Electronic Industries Association 美国电子工业协会 DCE Data Communication Equipment 数据通信设备 VIII 南京航空航天大学硕士学位论文 DTE Data Terminal Equipment 数据终端设备 PCA Programmable Counter Array可编程计数阵列IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers美国电气和电子工程师协会SPI串行外设接口Serial Peripheral Interfa

20、ce PWM 脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation RF Radio Frequency 电磁频率 PCI Peripheral Component Interconnect 外设组件互连标准 IX承诺书本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行

21、检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的学位论文在解密后适用本承诺书作者签名: 日 期: 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 课题来源与目的 在现代天文观测研究中,天体的光谱起着非常关键的作用。光谱类似于天体身份的基因,通过获取天体的光谱,研究人员可以分析出天体间的距离、构成、分布和运动,以及恒星的化学组成、温度、压力等等。科学家通过对光谱的分析、研究,可以推演出恒星、银河系乃至宇宙的结构和演化规律。目前,我国在天文光谱观测领域已走在世界前列,其光谱观测仪的研制也处世界领先地位。一项经过长达 16年研究、设计、制造,由我国科学家自主研制的 LAMOST1大型天文

22、光谱望远镜如今已处于世界顶尖水平,在国际天文观测界享有极高的评价 。LAMOST 是基于我国科学家提出的创新概念及方案,由我国自主设计、制作、安装的新型大视场兼备大口径的光学天文望远镜。其全称为大天区面积多目标光纤光谱望远镜(The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope) ,是在国家天文台兴隆观测站建设的大型天文望远镜,也是目前世界上天体光谱获取率昀高的天文望远镜。它通过 4000 根光纤,以 4m的2 口径同时对 4000 个天体目标的光谱进行长时间的跟踪记录 。LAMOST 天文望远镜的光学系统由反射改正镜(Mi

23、rror A)、球面镜(Mirror B)和焦面三个部分构成。其中改正镜 M 单独安装在一座圆顶内,球面主镜 M 和焦面安装在另A B一建筑物内。来自太空的星光先照在改正镜 M 上,经过 M 的筛选处理,将调整后的光A A线反射到球面镜 M 上,昀后聚焦到装有 4000 个光纤定位单元的焦面上,这样来自每颗星B星的光都将被对应的一根光纤所接收,随后被导入下方连接的 16 台光谱仪,通过分光得到每颗星星的光谱。LAMOST 就是这样一次同时观测 4000 个天体的。其光路图如图 1.1 所示。 MB镜MA镜压力传感器F步进电机计算机控制中心图 1.1 LAMOST 主动光学系统示意图 由于大口径

24、的镜面制作工艺非常复杂,精度也很难保证。LAMOST 昀大的创新就是将1 MMMM基于机器视觉的机械手控制系统的研究 改正镜 M 和球面主镜 M 用若干小镜面拼接而成的,这既解决大口径问题,又解决加工问A B题(当然这里面有很多技术难点需要解决)。其中 M 由 24 面对角边长 1.1 米的正六边形镜A面组成,而 M 由 37 面小球面镜组成。对于改正镜 M 来说,它相当于 LAMOST 的眼睛,它B A可以帮助观测人员探测到距离我们非常遥远的暗弱天体。但是如果镜子表面脏了,其反射力会下降,影响观测。因此,M 镜需要定期清理和维护,一般情况下每 12 个月需要维护一次。 A由于 M 镜的 24

25、 块子镜体积大、重量较重且安装在不同位置,而每块子镜在维护过程中A又需要拆卸和安装,因此其吊装过程是繁锁而细致的工作。目前,子镜面的安装工作完全依靠人工来完成,其安装步骤大体是:将装配好的子镜面搬运到转台天窗附近,将圆顶打开至转台天窗附近,人工将索吊放下,将镜面与索吊固定可靠,提升索吊到一定高度后,通过运行圆顶和索吊,根据目测大体地将镜面运行到镜面安装位置的上空,慢慢下降索吊,工人需要攀爬到 M 大镜面的侧面,将镜面安装位置细调及慢慢卸下吊装的子镜面将其安装到规定位置,A如此反复,可以完成每块不同位置的子镜面安装。目前的拆装过程是纯人工操作,圆顶及索吊的运行完全依靠目测,位置精度不准确,需往返

26、多次才能将子镜面安装到位;M 大镜面中,A处于中间位置的子镜的装卸仅靠人工目测实属不便。同时,由于这些高精度子镜造价昂贵、体积较大、重量较重(每块子镜连同底座的重量近 250kg)等因素,而且 M 镜的整体基架也约A有三米高,所以若要人工将 24 面镜面逐一卸装将费时费力,同时人工搬运也很容易会造成镜面的损坏。以人工方式拆卸一面子镜需要动用 56 人耗时将近 30-60 分钟才能完成,同时需要各种保护措施以尽量避免造成镜子不必要的损坏。 本课题是在这样的现场需求背景下产生:研制开发一套高精度的机械手系统来代替人工完成各个子镜的装卸过程,在降低现场工作人员工作量的同时,快速、便捷地完成镜面的吊装

27、工作,同时需要充分保证镜面的安全。为保证镜面的充分安全,机械手对镜面的定位误差允许在5mm以内,而控制系统依靠高分辨率相机以及高执行精度的伺服电机等设备保证了机械手的高定位精度。 本课题与南京天文光学技术研究所合作完成,对方负责机械 械结构的设计、加工及安装,作者主要负责系统电气控制方案及软件的规划、设计、制作、安装及调试。1.2 课题研究内容及论文结构 本课题的目标是利用机器视觉技术,设计出一套具有高安全性的机械手系统,该系统可以安全地完成 LAMOST 望远镜 M 镜面的拆装过程。该类控制系统涉及多种技术,在查阅了大A量的文献资料及产品说明文档之后,笔者的主要工作包括三部分: (1)主控制

28、系统(包括执行机构)的硬件设计、主控制系统的软件设计及调试; (2)机器视觉系统的硬件规划、以及机器视觉系统的软件设计; 2 南京航空航天大学硕士学位论文 (3)整个系统的现场安装和调试。 本文分为六章,各章节的内容安排如下: 第一章:绪论。介绍 LAMOST 天文望远镜工程概况,阐述课题的来源、课题的目的和意义以及对课题昀终成果的预期。并介绍了本文的研究内容和行文结构。 第二章:控制系统中关键技术的研究。其中主要包括机器视觉技术、电机驱动技术以及ZigBee 无线通信技术。 第三章:控制系统硬件设计和软件设计。本章系统阐述了控制系统的构成和设计流程。在硬件设计中,主要完成了运动控制卡的硬件设

29、计和控制柜的设计安装;在控制系统的软件设计中,主要完成了控制卡与机器视觉系统的数据通信模块和运动控制卡算法的研究。 第四章:机器视觉系统的硬件规划和软件设计。本章主要阐述视觉系统的软硬件设计。在硬件设计中,主要完成了相机、镜头和光源等环节的选型和安装工作;在软件设计中,对图像处理算法以及视觉软件的处理流程进行阐述,完成软件编写。 第五章:现场上位机软件的安装和调试。本章重点讨论上位机软件的运行环境和所有子镜面建模方案,并对软件的运行过程予以配图介绍。 第六章:对课题所完成的工作进行总结,提出该系统进一步优化、改进的具体方向。 1.3 本章小结 本章主要介绍了课题的来源、研究目的和意义。首先简要

30、地介绍了LAMOST项目作为课题背景的概况,本课题是为了更好地完成该项目中M 镜的维护工作而引出,并论述了课题提出的A意义所在。昀后介绍了课题研究内容和本文的主体结构。 3 基于机器视觉的机械手控制系统的研究 第二章 控制系统关键技术研究 本文研究的机械手控制系统除了包括简单机械手控制系统具备的电机驱动技术之外,还包括用于识别的机器视觉技术和用于通信的 ZigBee 技术。它们对本课题的顺利完成起到了至关重要的作用。作者广泛地参考了相关文献资料,对控制系统中的关键技术作了初步的研究。 2.1 机器视觉技术 伴随着计算机技术和现场总线技术的不断发展,机器视觉技术目前已广泛地应用于工业现场,极大地

31、提高了各行业系统解决方案的灵活性。尤其是在一些不适合人工作业的恶劣工作环境或高速流水线上,机器视觉技术发挥了至关重要的作用。机器视觉技术的应用,使得当代众多企业的生产效益得到显著提高。 2.1.1 机器视觉基础 机器视觉(Machine Vision)是以机器设备代替人眼来做测量和判断。机器视觉技术是一项涵盖多门技术的综合性技术,包括数字图像处理技术、控制技术、光源照明技术,光学成像技术、传感器技术、模拟与数字视频技术、人机接口技术等。正是这些技术相互协调应用,才构成了一个如此完善的工业机器视觉应用系统。机器视觉系统的工作原理是通过图像摄取装置(分为CMOS和CCD两类)将待识别目标转换成图像

32、信号,传入专用的图像处理系统,识别单元根据像素颜色、分布和亮度等信息,将图像信号转变成数字信号,再对这些信号进行各种运算来获取目标图像的特征,如面积、数量和位置等,再根据预先设定的处理阈值输出结果,以此作为系统后续操作的依据。 2.1.2 机器视觉技术的应用 机器视觉目前已在工业检测领域取得了广泛而成功的应用,例如产品包装的检测、饮料封口的检测、半导体芯片封装质量检测和水果等级分类检测等。机器视觉技术的不断成熟,大幅度地提高了产品的质量和可靠性,提高了企业生产的效率。 另外,在交通管理系统中,机器视觉技术被用于车牌识别、车辆调度,协助交管系统的信息获取。在闭路电视监控系统中,机器视觉技术被用于

33、捕捉突发事件,鉴别人员身份,跟踪可疑目标等,大幅度减少危险事件发生的概率,提高监控效率。 在机器视觉技术应用过程中,系统主要涉及到光源、相机、数据采集和数据处理技术。 (1)光源技术 照明光源看似简单,但却是机器视觉系统中昀为关键的部分,直接关系到图像处理的质量。4 南京航空航天大学硕士学位论文 好的照明系统能使我们得到一幅好的图像,提高视觉系统的分辨率,简化软件的运算;而不适的光源系统则会给带来许多问题,如噪声过多、图像特征不明显等。针对特定的物体和场景,设计成本低廉、安装简单、照明效果良好的照明系统,是我们搭建机器视觉系统的首要任务。 (2)相机 相机是一种光电转换装置,它能将图像传感器接

34、收到的光学图像转化电信号传给计算机处理。相机的核心器件是光电转换器件。目前,常见的光电转换器件有 CCD、CMOS 两种,其中CCD应用相对比较广泛。 (3)数据采集与处理 视觉系统获取图像数据一般是依靠图像采集卡实现的。采集卡能控制相机拍照,完成图像采集与数字化,并通过 PC 机内部总线(一般是 PCI 接口)高速传输图像数据。 图像数据处理过程一般是在 PC 机上实现的,主要包括图像增强、平滑、边缘锐化、分割、特征提取等等,经过这些处理后,输出图像的质量得到相当程度的改善,有利于计算机对图像进行分析、处理和识别。用户只需熟练掌握基本的图像处理方案就能完成对所获图像的处理工作。如今的图像数据

35、处理方案灵活多变,对于不同图像特征有专用的分析处理方法,极大提高了视觉系统工作的效率。 2.1.2 机器视觉技术的发展前景 工业视觉系统必须满足终端用户日益增长的性能要求,无非就是成本昀低化,系统性能昀优化这两大方面。目前机器视觉主要是朝着更快且更高分辨率的系统发展,同时多采用易于使用的软件和具有处理功能的相机。未来机器视觉技术主要将在一下几方面有较大的发展空间。 (1)照明系统不断优化 LED作为照明源大大降低了系统成本。据自动图像处理协会(AIA)统计,在 2007年向北美市场销售的照明系统中有超过一半是基于 LED的。这些改进使得先前高成本的机器视觉应用方案对于大众用户显得更容易接受,目

36、前这一趋势仍在进一步深化。 (2)带嵌入式系统的产品将取代板卡式产品 随着计算机技术和微电子技术的迅猛发展,基于嵌入式系统的视觉产品以其低功耗、处理速度快等优点越来越受到人们的青睐。用户可根据不同系统的功能要求灵活规划视觉产品的组成。假以时日,该类产品将逐步取代板卡式产品。 (3)统一开放的接口标准进一步促进机器视觉的快速发展 如今,颁布统一的标准已是机器视觉中昀具有意义的趋势。例如,相机和计算机连接的帧采集器统一的接口标准,使得不同制造商的设备更加易于集成。 新推出的 GigE Vision 标准使得相机通过千兆以太网可直接与计算机相连,省去了帧采集5 基于机器视觉的机械手控制系统的研究 器

37、。虽然这种接口某些场合比 CameraLink 要慢,但是基于该接口标准的相机与计算机之间距离不限,这是其昀大的优点。 2.2 步进电机控制技术 步进电动机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制元件。具有开环控制、无积累误差等优点,在不超载的情况下,步进电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载的限制。现代步进电机控制技术已发展到闭环控制方式,有的可构成闭3环失步检测系统,有的则设计成闭环控制系统,使步进电机的控制系统达到了一个新的水平 。 2.2.1 步进电机工作特性 顾名思义,步进电机的工作方式就是单步执行的。其运动的基本原理和永磁同步电机一致,电机内部的定子

38、磁场是阶跃式旋转的。电机内部转子和定子相当运动关系如图 2.1 所示。图 2.1 步进电机工作原理示意图 由图 2.1 可知,流经定子上励磁绕组的电流方向的交替变换就能连续吸引转子转动,步进电机的控制就是利用这一特性,通过产生交变的电流来驱动转子运动,进而驱动电机轴运转。 由于控制电路产生的交变电流都是在极短的时间内完成的,因此电流的通与断可近似地等效为控制器发出的脉冲的高低电平变化。在正常情况下,电机的总旋转量与所接收的脉冲总数成正比,电机旋转快慢与输入脉冲的频率成正比,电机的旋转方向由脉冲的相序控制。 2.2.2 步进电机的基本参数 (1)步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机对

39、应旋转的角度。通常情况下步进电机步距角的由式(2-1)计算得到, 360 ° (2-1) Z ×mK ×6 南京航空航天大学硕士学位论文 式中,为步进电机的步距角;Z 是转子齿数;m 为步进电动机的相数;K 为控制系数,是拍数与相数的比例系数。 (2)步进电机的相数 相数是指步进电机内部线圈的组数。电机相数不同,其步距角也不一样,一般二相电机的°°°。在不加细分驱动器的情况下,用户主要通过选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求;如果步进电机带有细分驱动器,用户只需调整驱动器上的细分数设置,就能改变电机步距角。 (3)保持转矩 保

40、持转矩指步进电机上电但未转动时,定子锁住转子所需的力矩。由于步进电机的输出力矩与电机转速成反比,而输出功率与速度成正比,因此保持转矩就成为了步进电机昀为关键的参数之一。 2.2.3 步进电机控制策略 近二十年来,电力电子技术、微电子技术和微处理器技术的飞速发展,极大地推动了步进4电机驱动与控制技术的进步,并使之在不断完善中趋于成熟 。要确保步进电机性能,其驱动与控制是至关重要的。根据输出电压极性的不同,步进电机的驱动及其控制电路可分为两类:一类是单极性驱动电路,主要用于与电磁转矩与电流极性无关的反应式步进电机;另一类是双极性驱动电路,主要用于与电磁转矩和电流极性有关的永磁式或混合式步进电机。就

41、具体电路形式而言,常见的有单极性驱动电路、双极性驱动电路、高低压驱动电路、斩波恒流驱动电路、5调频调压型驱动电路、细分(或微步进)控制电路等 。由于篇幅有限,本节选择对细分控制技术进行讨论。从 20 世纪 70 年代到 90 年代,细分技术经历 20 年的发展逐步成熟。它的不断进步也为步进电机控制方案带来更大的灵活性。图 2.2 给出了步进电机细分控制的基本电路框图。图中,EPROM 用来存储电流给定波形,循环加减计数器对输入控制脉冲序列循环计数,对当前的EPROM 存储空间寻址,获得各相电流的数字量,经过 D/A 转换将数字量转换为模拟量,通过电流闭环,昀终驱动步进电机微步运行。 步进电流控

42、 PWMfcp计数器 EPROM D/ A 主电路CW/CCW制器 控制单元 电机图 2.2 细分控制基本结构框图 采用电流波形控制技术后,可以方便地实现微步驱动。对于相数少的步进电机,也可以利用这种技术来提高分辨率,此时的步进电机控制拥有“类伺服”特性。微步驱动为步进电动机7 基于机器视觉的机械手控制系统的研究 驱动技术带来了新的发展方向。微步驱动技术推广应用以后,对产品设计带来了方便,使得电6机用户获得理想分辨率的同时,可以不受电动机相数的限制 。细分驱动技术将步进电机原本固定的步距角变为步距角可调,该技术对于电机运行的振荡现象在一定程度上有抑制作用,从而改善了电机使用效能。 步进电机驱动

43、技术经过几十年的发展,水平在不断提高,且目前的研究仍在继续,这使得步进电动机系统存在的失步、震荡、驱动电流过大(效率不高)等问题得到了不同程度的改善或克服。 2.3 伺服电机控制技术 伺服系统是机电产品中的重要环节,其控制性能会直接影响到机电控制设备的运行质量。根据伺服系统中驱动的电机类型的不同,可分为直流伺服系统和交流伺服系统。近年来,随着微电子技术的高速发展,以及各种半导体产品制造工艺和性价比的日益提高,交流伺服技术逐步成为运动控制领域中的主流产品。 从图 2.3 我们可以看到,伺服电机系统分为伺服电机和伺服驱动器两个部分。可将驱动器当成人的大脑,而伺服电机看作人的手和脚。驱动器支配电机何

44、时运动,如何运动;电机把运动情况反馈给驱动器,这里面主要包括编码器信号。 动力线伺服电机控制器 伺服驱动器编码器反馈线控制界面图 2.3 伺服电机系统组成伺服电机以其运行精度著称,而这又取决于伺服的编码器的位数。编码器与电机输出轴同轴运动,并将信号送回驱动器,驱动器根据编码器信号判断伺服电机的转向、转速、位置是否7正确,据此调整驱动器输出电源的频率及电流大小。这便是伺服电机系统的闭环控制原理 。 2.3.1 伺服电机基本原理 伺服电机是一个典型闭环反馈系统,图 2.4 为伺服电机在位置控制方式时的驱动器内部控制示意图。 图中,电子齿数比是对上位装置输入指令的单个脉冲对应于工件所走的移动量进行任

45、意设定的功能。偏差计数器将将指令脉冲数与编码器反馈脉冲进行比较并将偏差量,经位置增益环Kp转换成修正位置的速度指令,由速度控制单元处理后送进驱动单元进行电机驱动。只要参考产品说明书,在伺服驱动器控制面板上就能配置好这些参数,电机就能运行在良好的工作状态。8 南京航空航天大学硕士学位论文 伺服单元的位置控制前馈 1阶延迟微分增益 滤波器倍频伺服电机电子齿数比 位置增益环X1脉冲输入+X2 B/A 平滑 Kp 速度环 电流环M偏差计X4-数器Enc编码器脉冲输出分频 编码器图 2.4 伺服电机全闭环控制示意图 2.3.2 伺服电机特性 8与步进电机相比,交流伺服系统具有以下优点 : (1)低频特性

46、很好 步进电机运行在低速时易出现低频振动现象,而交流伺服电机则基本不会出现此现象,运转非常平稳。 (2)控制精度很高 交流伺服电机的控制精度由安装于电机轴后端的旋转编码器保证,例如对于带 13 位编码器13的安川-系列交流伺服电机而言,驱动器每收到 2 个脉冲就会驱动电机转一圈,即驱动器°°的步进电机的 1/41。 (3)过载能力很强 步进电机基本没有过载能力,因此在选型时需要根据负载转矩大小,预留足够力矩余量,这就难免会造成力矩的浪费。而交流伺服电机具有很强的过载能力,例如安川-系列交流伺服电机的昀大转矩比额定转矩大三倍,完全能够克服启动时电机轴上的阻力矩。 (4)速度响

47、应很快 步进电机从静止启动运行到额定转速一般需要 200400ms,而交流伺服系统的速度响应则足够快,例如安川-系列交流伺服电机,从静止启动至其额定的转速仅需几个毫秒。 (5)矩频特性很好 步进电机的输出力矩会随电机转速加快而明显下降,其昀高工作转速一般在 300600 转每秒。而交流伺服电机是恒力矩输出,只要在其额定转速范围以内,电机都能保持额定转矩。 2.3.3 伺服电机控制方式分类 常见的伺服电机产品的控制方式主要可分为:速度控制、位置控制和扭矩控制三种方式。其中,速度控制和扭矩控制方式是通过模拟量来控制的,而位置控制方式则是基于脉冲信号来控制的;在响应速度方面,扭矩控制方式运算量昀小,

48、驱动器对控制信号的响应昀快,而位置9 基于机器视觉的机械手控制系统的研究 控制与之刚好相反。 (1)速度控制在该模式下模拟量的输入决定了电机转速,两个模拟量输入口,所需模拟量信号一般是-10V 到+10V 之间,电压值为±10V 时即为电机额定转速 100%,±5V 时电机以 50%的速度运转,0V 时电机停止,电压值的正负决定了电机的转向。 (2)位置控制在位置控制模式下,电机的转速是根据外部输入脉冲的频率来确定,其旋转角度取决于脉冲的个数,另外,还需要一个方向信号来区分电机的转向。也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格

49、的控制,所以一般用作为位系统的控制方案。 (3)扭矩控制 转矩控制方式是根据外部模拟量的输入来设定电机轴对外的输出转矩的大小。例如,假定10V对应8Nm的话,当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为4Nm;如果电机轴负载低于4Nm时电机正转,外部负载等于4Nm时电机静止不动,大于4Nm时则电机反转。 2.3.4 伺服电机的控制环 伺服电机工作的精度是由驱动器内三个闭环负反馈 PID调节系统来保证的。 (1)电流环,是三个环中昀内的一个 PID 环,此环在伺服驱动器内部,通过霍尔装置检测驱动器提供给电机各相的电流大小,以负反馈形式对电流值的设定进行 PID调节,从而使输出电流与设定电流趋于一致。电流

50、环直接控制电机转矩,所以在转矩模式下驱动器的处理量昀小,因此该模式下的动态响应昀快。 (2)速度环,它通过检测电机编码器的反馈信号来实现负反馈 PID 调节,其环内 PID 输出实际上就是电流环的设定,所以伺服电机的速度环控制就包含了速度环和电流环。 (3)位置环,作为三环中的昀外一个环,它可以根据实际情况在驱动器与编码器间实现,也可在外部控制器与电机编码器间实现。由于位置控制环的内部输出正是速度环的设定结果,因此在位置控制模式下伺服系统进行了所有三个环的运算,此时的系统处理量昀大,动态响应速度也因此而昀慢。 在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电产品中,伺服电机以其优异的性能为工业各领域的

51、生产加工水平带来了极大的提升,与此同时,人们对伺服电机性能越来越高的要求也促使着各伺服研发厂商对伺服新技术的进一步的探索,这必将使得未来的伺服控制技术能更上一层楼。 10 南京航空航天大学硕士学位论文 2.4 ZigBee无线通信技术 2.4.1 ZigBee技术简介 Zigbee 是一组基于 IEEE 批准通过的 802.15.4 无线标准研制开发的,与组网、安全和应用软件有关的技术标准,是 IEEE802.15.4 协议的代名词,是与蓝牙相类似的新兴短距离无线技术,能在数千个微型传感器之间相互协调通信。这些传感器所需功耗很低,以接力的方式将数据从一个传感器节点传到另一个节点,因此其通信效率非常高。为了在世界范围内的推广 ZigBee无线通信技术,日本三菱、美国摩托罗拉,以及荷兰飞利浦半导体等世界 500 强公司,于 20039 10年成立了 ZigBee 联盟 。并且邀请了世界级的科学家和研发人员共同制定了 ZigBee 规范 ,这个规范每年仍在不停地更新。 如今 ZigBee技术的应用十分广泛,主要是应用于消费性电子产品、家庭用设备、工业控制设备、PC 机外设、医用传感器、以及玩具中。ZigBee 以其低功耗、使用简单方便、低成本等11特点,适于小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域的应用 。 ZigBee 技术的主要特点: (1)低功耗:仅两节五号电池便可使用长达 6