运动控制系统（第2版新形态版）课件 第十章 案例分析

1运动建模与控制系统设计

第十章案例分析Ch.10

CaseAnalysisModelingandControlSystemDesignofMotion4学时2

目录永磁同步伺服电动机的DSP控制电路焊接机器人控制系统集控式足球机器人控制系统湖水环境自主监测船腿式机器人的运动控制建模与仿真智能巡线小车设计爬壁机器人控制系统设计家居安防机器人控制系统设计计量检测领域运动控制案例小结310.1永磁同步伺服电动机的DSP控制电路基于FreescaleDAPMC56F8357的伺服控制系统硬件。图10.1伺服控制系统硬件结构图410.1永磁同步伺服电动机的DSP控制电路10.1.1主回路电路

图10.2PIM的引脚图510.1永磁同步伺服电动机的DSP控制电路PIM模块引脚的信号连接方式及制动回路。图10.3PIM引脚信号连接图610.1永磁同步伺服电动机的DSP控制电路10.1.2检测电路图10.5电动机实际电流检测电路图图10.4电动机电流信号的调理过程710.1永磁同步伺服电动机的DSP控制电路实际电压检测电路如图10.6所示。图10.6直流母线实际电压检测图810.1永磁同步伺服电动机的DSP控制电路选用1024线的增量式光电编码器作为位置传感器。10.7实际转子位置信号检测图910.1永磁同步伺服电动机的DSP控制电路10.1.3保护电路可以通过硬件或软件来实施。软件保护灵活，但依赖于微处理器的正常工作。同时在处理故障时还存在时序、中断优先级的先后等问题，保护的实时性较差。硬件保护实时性高，可靠性好，但不能根据运行状态进行故障诊断，只能通过硬件电路检测系统的异常并采取简单的保护动作，如封锁驱动脉冲并停机等。由于过电流保护要求很高的反应速度，故采用硬件保护。1010.1永磁同步伺服电动机的DSP控制电路图10.8过流检测保护电路1110.1永磁同步伺服电动机的DSP控制电路10.1.4驱动电路是主电路与控制电路之间的接口，驱动电路对控制器的运行效率、可靠性和安全性都有重要的影响。本案例采用该系列的IR2110对PIM（集成6个IGBT）或P-MOSFET(IRFP44N)进行驱动。MC56F8357输出的PWM信号先经过快速光祸TLP559实现隔离和电平转换，再通过IR2110实现驱动，其一相桥臂的驱动电路如图10.9所示。1210.1永磁同步伺服电动机的DSP控制电路图10.9逆变器一相桥臂的驱动电路1310.1永磁同步伺服电动机的DSP控制电路10.1.5LCD显示电路本案例采用LCD显示电动机给定转速和实际转速及给定位置和实际位置信息。本案例设计采用的是74LS245，可将3.3V电平提升为5V。为了节省DSP的I/O口资源，本设计通过采用74F164，串行数据转换为并行数据给LCD，如图10.10所示。1410.1永磁同步伺服电动机的DSP控制电路图10.10液晶显示电路1510.1永磁同步伺服电动机的DSP控制电路10.1.6电源设计本案例涉及到电动机、控制板、EVM板，是一个强电、弱电、数字地、模拟地在一起的高耦合系统，需要提供很多不同电压的电源，需要进行多种电平转换，具体电压转换电路如图10.11所示。1610.1永磁同步伺服电动机的DSP控制电路图10.11电压转换电路1710.2焊接机器人控制系统工业机器人焊接工作站中除了焊接机器人及其控制器外，还有用于装夹被焊接件的变位机、用于焊接的电焊机、用于走丝的送丝机、用于清理焊枪的清理装置以及直接用于焊接的焊枪等，如图10.12-10.14所示。1810.2焊接机器人控制系统图10.12RH06A机器人焊接生产线1910.2焊接机器人控制系统图10.13RH06A焊接机器人工作站组成2010.2焊接机器人控制系统图10.146自由度垂直关节型通用工业人2110.2焊接机器人控制系统高性能机器人控制器采用多CPU计算机结构，分为主计算机、编程示教盒（手控盒）和上位机等。图10.15工业机器人控制系统信号系统2210.2焊接机器人控制系统案例工业机器人控制柜主要包含：

(1)嵌入式主控计算机图10.16主控计算机结构图2310.2焊接机器人控制系统图10.17主控计算机示例2410.2焊接机器人控制系统(2)脉冲分配及I/O控制板(3)主控逻辑板(4)输入输出模块(5)伺服驱动器（伺服包）(6)示教编程盒2510.2焊接机器人控制系统图10.18RH06A机器人控制器示教系统2610.2焊接机器人控制系统图10.19编程示教盒硬件结构图2710.2焊接机器人控制系统VRTX是工业机器人常用的操作系统，特点为：(A)机器人整个软件采用VRTX实时多任务操作系统实现；(B)VRTX是确定性，抢占式和基于优先级的实时多任务操作系统；(C)VRTX实时多任务操作系统根据功能来分层，每一层都使用下一层提供的功能，如图10.20所示。2810.2焊接机器人控制系统图10.20RH06A机器人控制器任务间数据流程2910.2焊接机器人控制系统工业机器人控制器可配接不同的传感器模块，如力和力矩传感器，视觉传感器，如图10.21所示。图10.21RH06A焊接机器人控制器传感系统3010.2焊接机器人控制系统本案例控制器增加了现场总线的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。图10.22RH06A机器人控制器通讯系统3110.3集控式足球机器人控制系统国际机器人足球协会(FIRA)和机器人世界杯赛会(RoboCup)每年组织各种形式的机器人足球“世界杯”赛。3210.3集控式足球机器人控制系统图10.23小型足球机器人系统示例3310.3集控式足球机器人控制系统图10.24小型足球机器人系统框图3410.3集控式足球机器人控制系统足球机器人小车由电动机驱动。图10.25小型足球机器人系统框图3510.3集控式足球机器人控制系统图10.26小车电动机单片机控制系统原理图3610.4湖水环境自主监测船10.4.1自主监测船结构自主监测船由永磁直流电动机驱动，电气系统模块设计如图10.27所示。图10.27自主船电气系统模块图3710.4湖水环境自主监测船采用太阳能加蓄电池方式。图10.28供电系统原理框图3810.4湖水环境自主监测船10.4.2船体运动控制系统设计建立以湖面左下角为固定原点的全局静态笛卡尔坐标系。以湖面内重点监测区域的几何中心点为坐标原点，建立局部静态坐标系，以自主船几何中心点为极点，船头方向顺时针转为极轴，建立动态极坐标系。则有自主船的运动学模型为(10-2)3910.4湖水环境自主监测船对公式(10-2)求导，整理可得自主船的速度运动学模型为(10-3)为便于运动控制，将电动机安装在自主船的中部左右两侧，则自主船的速度向量为(10-4)4010.4湖水环境自主监测船将电动机建模为二阶非线性模型，在考虑电动机转速受限情况下，设计滑膜切换函数为(10-5)设计滑膜控制律为(10-6)10.4.3自主监测船实验平台自主船总体为3.5m长，2m宽，电动机由L298驱动，实验箱采用覆铜板底面共地，减少干扰。4110.4湖水环境自主监测船图10.29控制箱及自主船4210.4湖水环境自主监测船10.4.4自主监测船的导航定义船体动坐标系：以自主船几何中心点为极点，船头方向顺时针转π/2为极轴。图10.30船体动坐标系4310.4湖水环境自主监测船图10.31导航转向角示意图本案例在WindowsXP操作系统上，利用VC++开发的导航控制界面如图10.32所示。4410.4湖水环境自主监测船图10.32导航界面图4510.5腿式机器人的运动控制建模与仿真10.5.1肢体动力学建模图10.33残疾人装配智能假肢数学模型4610.5腿式机器人的运动控制建模与仿真步态周期根据脚与地面接触情况分为支撑相和摆动相。基于拉格朗日法(Lagrange)，摆动相时，系统动力学方程为支撑相建模可在摆动相模型基础上，加入重力补偿项。通过力学分析，确定补偿项为支撑相假肢膝关节力矩(10-8)(10-9)(10-10)4710.5腿式机器人的运动控制建模与仿真无论脚尖或脚跟着地，上述模型都可用。将模型(10-8)写成状态方程为本案例研究开发的四连杆仿生多轴关节智能下肢假肢模型如图10.34所示。(10-11)4810.5腿式机器人的运动控制建模与仿真图10.34智能下肢假肢原理模型图4910.5腿式机器人的运动控制建模与仿真10.5.2假肢行走控制算法设计一阶闭环D型变增益迭代学习控制律为根据一阶闭环D型迭代学习收敛条件，智能假肢膝关节一阶闭环D型迭代学习控制算法的收敛条件为(10-12)(10-13)5010.5腿式机器人的运动控制建模与仿真图10.35离线和在线集成的迭代学习控制5110.6智能巡线小车设计10.6.1智能车整体布局设计图10.36系统结构框图5210.6智能巡线小车设计图10.37编码器安装实物图5310.6智能巡线小车设计图10.38电源模块框图5410.6智能巡线小车设计具体电路如图10.39所示。图10.395V电源电路图5510.6智能巡线小车设计针对一个电动机的H桥电路如图10.40所示。图10.40BTS7960B驱动电路5610.6智能巡线小车设计10.6.2摄像头黑线提取的过程是一个图像分割的过程。分割图像的基本依据有两个：连续性和相似性。根据这两个依据图像分割的基本方法可以分为两大类：基于边缘检测和基于区域。本案例采用双峰法阈值分割。5710.6智能巡线小车设计10.6.3测速编码器本案例采用脉冲计数器，光电编码器的输出接在定时器PT7接口上。10.6.4开发工具及调试系统的软件工作流程如图10.41所示。5810.6智能巡线小车设计图10.41软件流程图5910.6智能巡线小车设计通过单片机串口和PC机串口可将采集到的图像在串口上显示出来，如图10.42所示。图10.42串口界面6010.7爬壁机器人控制系统设计爬壁机器人按攀爬方式可分为轮式、足式、轮足混合式等。本案例采用双足式机构和真空吸附，用于风电叶片表面损伤的检测。如图10.43所示。机器人采用有缆设计，电缆从固定在机器人上方的收放卷机上垂下，对机器人起到一定的保护作用，如图10.44所示。6110.7爬壁机器人控制系统设计图10.43机器人机构模型图图10.44机器人样机6210.7爬壁机器人控制系统设计10.7.1爬壁机器人控制器结构基于ARM内核的控制器具体结构如图10.45所示。该控制器根据功能可分为6部分：中央处理器、关节舵机驱动和控制电路、气动驱动电路、传感器、红外遥控和电源等。6310.7爬壁机器人控制系统设计图10.45控制器结构6410.7爬壁机器人控制系统设计(1)关节运动控制图10.46舵机控制原理6510.7爬壁机器人控制系统设计图10.47气动单元模型(2)气动回路控制6610.7爬壁机器人控制系统设计(3)超声波传感系统图10.48传感器安装示意图6710.7爬壁机器人控制系统设计超声波传感器和吸盘安装于同一圆周上，彼此相隔60度。当有一个吸盘下压时，另外两个吸盘边紧密贴近壁面才有可能实现吸附，此时吸盘和壁面呈一定的夹角α，则吸盘和吸附面的夹角为θ。(10-14)(10-15)6810.7爬壁机器人控制系统设计10.7.2爬壁机器人步态图10.49旋转步态示意图6910.8家居安防机器人控制系统设计10.8.1家居安防机器人组成结构本案例所设计家居安防机器人在结构方面由移动机构平台以及其下位机软硬件，笔记本及C#编写的上位机系统以及Android智能手机端应用程序等组成，如图10.50所示。7010.8家居安防机器人控制系统设计图10.50家居安防机器人系统结构7110.8家居安防机器人控制系统设计10.8.2家居安防机器人控制系统家居安防机器人下位机结构如图10.51所示，以ARMCortex-M3内核的微处理器为控制器，扩展出多个模块，主要有：(A)环境检测模块；(B)车速控制模块；(C)外界通讯接口；(D)电源控制模块；(E)显示模块。7210.8家居安防机器人控制系统设计图10.51家居安防机器人下位机结构框图7310.8家居安防机器人控制系统设计10.8.3家居机器人的自动巡航系统家居安防机器人自动巡航测控系统主要由单片机最小系统、电机驱动模块、超声波模块、无线模块、人体红外模块、摄像头模块以及电源模块组成，如图10.52所示。7410.8家居安防机器人控制系统设计图10.52家居机器人自动巡航系统模块图7510.8家居安防机器人控制系统设计图10.53家居机器人自动巡航车体底盘7610.8家居安防机器人控制系统设计图10.54电动机驱动电路图本案例的电机驱动电路的驱动芯片选用的是英飞凌的BTN7960半桥驱动芯片。7710.8家居安防机器人控制系统设计图10.55Android控制程序流程图10.8.4家居机器人的远程运动控制7810.8家居安防机器人控制系统设计图10.56视频监控程序流程图7910.8家居安防机器人控制系统设计图10.57Android手机控制端界面8010.9计量检测领域运动控制案例10.9.1三坐标测量机(1)直角坐标测量机

图10.58笛卡尔坐标三坐标测量机示例8110.9计量检测领域运动控制案例机器人自标定方法属于闭环方式，如图10.59所示。图10.59笛卡尔坐标测量机器人的自定位原理图8210.9计量检测领域运动控制案例(a)关节式(b)非直角坐标式图10.60典型非直角坐标测量机示意(2)非直角坐标测量机8310.9计量检测领域运动控制案例典型的关节式三坐标测量机是一种便携式测量手臂。图10.61关节式三坐标测量机示例8410.9计量检测领域运动控制案例图10.62外接型七轴绝对关节臂测量机示例8510.9计量检测领域运动控制案例(3)并联机构坐标测量机图10.63Steward平台8610.9计量检测领域运动控制案例10.9.2储料罐料位自动测量仪本案例采用单片机来控制机械运动测量机构。图10.64料位自动测量系统组成8710.9计量检测领域运动控制案例测量机构由电动机带动钢索及测量锤实施测量。图10.65测量机构示意图8810.9计量检测领域运动控制案例10.9.3科氏力秤粉体物料计量质点在均匀转动参照系中作相对径向运动时，受到的力由三部分组成，即惯性离心力、向心摩擦力和科里奥利力（简称为科氏力，Coriolis）。科氏力是沿切向的，矢量表达式为