導(dǎo)語：如何才能寫好一篇運(yùn)動(dòng)控制，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，直線電機(jī)，可編程計(jì)算機(jī)控制器，運(yùn)動(dòng)控制

1 引言

信息時(shí)代的高新技術(shù)流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機(jī)械工業(yè)，在這場新技術(shù)革命沖擊下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微電子技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使信息、智能與機(jī)械裝置和動(dòng)力設(shè)備相結(jié)合，促使機(jī)械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子電力技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各先進(jìn)國家的機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮。機(jī)床、汽車、儀表、家用電器、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、冶金機(jī)械、化工機(jī)械以及工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機(jī)電一體化技術(shù)已越來越受到各方面的關(guān)注，它在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強(qiáng)企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。

在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展，國內(nèi)外各個(gè)廠家相繼推出運(yùn)動(dòng)控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。本文主要介紹了全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)（Full Closed AC Servo）、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)（Linear Motor Driving）、可編程序計(jì)算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller，PCC）和運(yùn)動(dòng)控制卡（Motion Controlling Board）等幾項(xiàng)具有代表性的新技術(shù)。

2 全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

在一些定位精度或動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求比較高的機(jī)電一體化產(chǎn)品中，交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，其中數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)更符合數(shù)字化控制模式的潮流，而且調(diào)試、使用十分簡單，因而被受青睞。這種伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器采用了先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor， DSP），可以對(duì)電機(jī)軸后端部的光電編碼器進(jìn)行位置采樣，在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間構(gòu)成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并充分發(fā)揮DSP的高速運(yùn)算能力，自動(dòng)完成整個(gè)伺服系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)，甚至可以跟蹤負(fù)載變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益；有的驅(qū)動(dòng)器還具有快速傅立葉變換（FFT）的功能，測算出設(shè)備的機(jī)械共振點(diǎn)，并通過陷波濾波方式消除機(jī)械共振。

一般情況下，這種數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)大多工作在半閉環(huán)的控制方式，即伺服電機(jī)上的編碼器反饋既作速度環(huán)，也作位置環(huán)。這種控制方式對(duì)于傳動(dòng)鏈上的間隙及誤差不能克服或補(bǔ)償。為了獲得更高的控制精度，應(yīng)在最終的運(yùn)動(dòng)部分安裝高精度的檢測元件（如：光柵尺、光電編碼器等），即實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。比較傳統(tǒng)的全閉環(huán)控制方法是：伺服系統(tǒng)只接受速度指令，完成速度環(huán)的控制，位置環(huán)的控制由上位控制器來完成（大多數(shù)全閉環(huán)的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)就是這樣）。這樣大大增加了上位控制器的難度，也限制了伺服系統(tǒng)的推廣。目前，國外已出現(xiàn)了一種更完善、可以實(shí)現(xiàn)更高精度的全閉環(huán)數(shù)字式伺服系統(tǒng) ， 使得高精度自動(dòng)化設(shè)備的實(shí)現(xiàn)更為容易。其控制原理如圖1所示。

該系統(tǒng)克服了上述半閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺陷，伺服驅(qū)動(dòng)器可以直接采樣裝在最后一級(jí)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉(zhuǎn)編碼器等)，作為位置環(huán)，而電機(jī)上的編碼器反饋此時(shí)僅作為速度環(huán)。這樣伺服系統(tǒng)就可以消除機(jī)械傳動(dòng)上存在的間隙（如齒輪間隙、絲杠間隙等），補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)件的制造誤差（如絲杠螺距誤差等），實(shí)現(xiàn)真正的全閉環(huán)位置控制功能，獲得較高的定位精度。而且這種全閉環(huán)控制均由伺服驅(qū)動(dòng)器來完成，無需增加上位控制器的負(fù)擔(dān)，因而越來越多的行業(yè)在其自動(dòng)化設(shè)備的改造和研制中，開始采用這種伺服系統(tǒng)。

3 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

直線電機(jī)在機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，近幾年來已在世界機(jī)床行業(yè)得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)掀起"直線電機(jī)熱"。

在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)的最大區(qū)別是取消了從電機(jī)到工作臺(tái)（拖板）之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，因而這種傳動(dòng)方式又被稱為"零傳動(dòng)"。正是由于這種"零傳動(dòng)"方式，帶來了原旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。

1. 高速響應(yīng) 由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)件（如絲杠等），使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。

2. 精度 直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了由于絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動(dòng)間隙和誤差，減少了插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機(jī)床的定位精度。

3. 動(dòng)剛度高 由于"直接驅(qū)動(dòng)"，避免了啟動(dòng)、變速和換向時(shí)因中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，同時(shí)也提高了其傳動(dòng)剛度。

4. 速度快、加減速過程短 由于直線電動(dòng)機(jī)最早主要用于磁懸浮列車（時(shí)速可達(dá)500Km/h），所以用在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，要滿足其超高速切削的最大進(jìn)個(gè)速度（要求達(dá)60～100M/min或更高）當(dāng)然是沒有問題的。也由于上述"零傳動(dòng)"的高速響應(yīng)性，使其加減速過程大大縮短。以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)瞬間達(dá)到高速，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間準(zhǔn)停?？色@得較高的加速度，一般可達(dá)2～10g（g=9.8m/s2），而滾珠絲杠傳動(dòng)的最大加速度一般只有0.1～0.5g。

5. 行程長度不受限制 在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電機(jī)，就可以無限延長其行程長度。

6. 運(yùn)動(dòng)動(dòng)安靜、噪音低 由于取消了傳動(dòng)絲杠等部件的機(jī)械摩擦，且導(dǎo)軌又可采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無機(jī)械接觸），其運(yùn)動(dòng)時(shí)噪音將大大降低。

7. 效率高 由于無中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，消除了機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗，傳動(dòng)效率大大提高。

直線傳動(dòng)電機(jī)的發(fā)展也越來越快，在運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)中倍受重視。在國外工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制相對(duì)發(fā)達(dá)的國家已開始推廣使用相應(yīng)的產(chǎn)品，其中美國科爾摩根公司（Kollmorgen）的 PLATINNM DDL系列直線電機(jī)和SERVOSTAR CD系列數(shù)字伺服放大器構(gòu)成一種典型的直線永磁伺服系統(tǒng)，它能提供很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和加速度、極高的剛度、較高的定位精度和平滑的無差運(yùn)動(dòng)；德國西門子公司、日本三井精機(jī)公司、臺(tái)灣上銀科技公司等也開始在其產(chǎn)品中應(yīng)用直線電機(jī)。

4 可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)

自20世紀(jì)60年代末美國第一臺(tái)可編程序控制器（Programming Logical Controller，PLC）問世以來，PLC控制技術(shù)已走過了30年的發(fā)展歷程，尤其是隨著近代計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，它已在軟硬件技術(shù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)走出了當(dāng)初的"順序控制"的雛形階段。可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）就是代表這一發(fā)展趨勢的新一代可編程控制器。

與傳統(tǒng)的PLC相比較，PCC最大的特點(diǎn)在于它類似于大型計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和多樣化的應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的PLC大多采用單任務(wù)的時(shí)鐘掃描或監(jiān)控程序來處理程序本身的邏輯運(yùn)算指令和外部的I/O通道的狀態(tài)采集與刷新。這樣處理方式直接導(dǎo)致了PLC的"控制速度"依賴于應(yīng)用程序的大小，這一結(jié)果無疑是同I/O通道中高實(shí)時(shí)性的控制要求相違背的。PCC的系統(tǒng)軟件完美地解決了這一問題，它采用分時(shí)多任務(wù)機(jī)制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺(tái)，這樣應(yīng)用程序的運(yùn)行周期則與程序長短無關(guān)，而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定。由此，它將應(yīng)用程序的掃描周期同外部的控制周期區(qū)別開來，滿足了實(shí)時(shí)控制的要求。當(dāng)然，這種控制周期可以在CPU運(yùn)算能力允許的前提下，按照用戶的實(shí)際要求，任意修改。

基于這樣的操作系統(tǒng)，PCC的應(yīng)用程序由多任務(wù)模塊構(gòu)成，給工程項(xiàng)目應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來很大的便利。因?yàn)檫@樣可以方便地按照控制項(xiàng)目中各部分不同的功能要求，如運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、PID調(diào)節(jié)運(yùn)算、通信控制等，分別編制出控制程序模塊（任務(wù)），這些模塊既獨(dú)立運(yùn)行，數(shù)據(jù)間又保持一定的相互關(guān)聯(lián)，這些模塊經(jīng)過分步驟的獨(dú)立編制和調(diào)試之后，可一同下載至PCC的CPU中，在多任務(wù)操作系統(tǒng)的調(diào)度管理下并行運(yùn)行，共同實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的控制要求。

PCC在工業(yè)控制中強(qiáng)大的功能優(yōu)勢，體現(xiàn)了可編程控制器與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及DCS（分布式工業(yè)控制系統(tǒng)）技術(shù)互相融合的發(fā)展潮流，雖然這還是一項(xiàng)較為年輕的技術(shù)，但在其越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域中，它正日益顯示出不可低估的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

5 運(yùn)動(dòng)控制卡

運(yùn)動(dòng)控制卡是一種基于工業(yè)PC機(jī) 、 用于各種運(yùn)動(dòng)控制場合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制單元。它的出現(xiàn)主要是因?yàn)椋海?）為了滿足新型數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、柔性、開放性等要求；（2）在各種工業(yè)設(shè)備（如包裝機(jī)械、印刷機(jī)械等）、國防裝備（如跟蹤定位系統(tǒng)等）、智能醫(yī)療裝置等設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)研制和改造中，急需一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制模塊的硬件平臺(tái)；（3）PC機(jī)在各種工業(yè)現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用，也促使配備相應(yīng)的控制卡以充分發(fā)揮PC機(jī)的強(qiáng)大功能。

運(yùn)動(dòng)控制卡通常采用專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片或高速DSP作為運(yùn)動(dòng)控制核心，大多用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。一般地 ， 運(yùn)動(dòng)控制卡與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面的工作 （ 例如鍵盤和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、外部信號(hào)的監(jiān)控等等）；控制卡完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)（包括脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速的處理、原點(diǎn)和限位等信號(hào)的檢測等等）。運(yùn)動(dòng)控制卡都配有開放的函數(shù)庫供用戶在DOS或Windows系統(tǒng)平臺(tái)下自行開發(fā)、構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。因而這種結(jié)構(gòu)開放的運(yùn)動(dòng)控制卡能夠廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)中設(shè)備自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域。

這種運(yùn)動(dòng)控制模式在國外自動(dòng)化設(shè)備的控制系統(tǒng)中比較流行，運(yùn)動(dòng)控制卡也形成了一個(gè)獨(dú)立的專門行業(yè)，具有代表性的產(chǎn)品有美國的PMAC、PARKER等運(yùn)動(dòng)控制卡。在國內(nèi)相應(yīng)的產(chǎn)品也已出現(xiàn)，如成都步進(jìn)機(jī)電有限公司的DMC300系列卡已成功地應(yīng)用于數(shù)控打孔機(jī)、汽車部件性能試驗(yàn)臺(tái)等多種自動(dòng)化設(shè)備上。

篇2

隨著自動(dòng)化設(shè)備對(duì)控制的高精度、高響應(yīng)性需求的不斷增加，自動(dòng)化控制技術(shù)不斷提高，精確的高速定位控制得到廣泛應(yīng)用，PLC這一工業(yè)控制產(chǎn)品也從早期的邏輯控制領(lǐng)域不斷擴(kuò)展到運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了以往PLC無法完成的運(yùn)動(dòng)控制功能。

在運(yùn)動(dòng)控制中大多數(shù)采用我們熟悉的數(shù)控系 統(tǒng)或者是計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)板卡來完成，雖然作為專門的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡控制，但同時(shí)要完成一些邏輯動(dòng)作的控制就不如PLC靈活方便。臺(tái)達(dá)DVP20PM系列PLC高速定位、雙軸線性及圓弧插補(bǔ)多功能可編程控制器，結(jié)合了PLC邏輯動(dòng)作控制和數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的各自優(yōu)點(diǎn)，在功能上滿足雙軸插補(bǔ)的高速定位需求。

2 臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)控制型PLC硬件結(jié)構(gòu)

DVP20PM是臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)控制型PLC。DVP20PM通過前后兩個(gè)擴(kuò)展口既可作為PLC主機(jī)執(zhí)行也可作為EH2型主機(jī)的擴(kuò)展模塊使用，具有X0-X7、Y0-Y7數(shù)字量輸入輸出各八點(diǎn)，并配置了手搖輪、零點(diǎn)信號(hào)、原點(diǎn)信號(hào)、極限信號(hào)、啟動(dòng)、停止等各種信號(hào)接口滿足應(yīng)用需求。

DVP20PM主機(jī)包含64K超大程序容量內(nèi)存（Flash），可支持100段運(yùn)動(dòng)程序，脈沖輸出最高可達(dá)500KHz，并具備電子原點(diǎn)返回模式，支持PLC順序語言及定位語言(G 碼與M碼），下面先由硬件部分簡單介紹20PM 組成。

2.1 電源

DVP20PM電源規(guī)格參見表1。

2.2 I/O點(diǎn)規(guī)格

參見圖1，DVP20PM提供的數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)規(guī)格與臺(tái)達(dá)通用PLC規(guī)格基本相同，輸入點(diǎn)支持SINK（漏極）和SOURCE（源極）兩種方式，輸出點(diǎn)也有繼電器輸出和晶體管輸出可選。

需要提到的是其在運(yùn)動(dòng)控制中的特殊輸入輸出點(diǎn)，簡述如下：

START0、START1：啟動(dòng)輸入

STOP0、STOP1：停止輸入

LSP0/LSN0、LSP1/LSN1：右極限輸入/左極限輸入

A0+、A0-、A1+、A1-：手搖輪A相脈波輸入+，-（差動(dòng)信號(hào)輸入）

B0+、B0-、B1+、B1-：手搖輪B相脈波輸入+，-（差動(dòng)信號(hào)輸入）

PG0+、PG0-、PG1+、PG1-：零點(diǎn)訊號(hào)輸入+，- (差動(dòng)信號(hào)輸入)

DOG0、DOG1：原點(diǎn)回歸的近點(diǎn)信號(hào)輸入或多段運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)信號(hào)

CLR0+、CLR0-、CLR1+、CLR1-：清除信號(hào)（Servo驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部偏差計(jì)數(shù)器清除信號(hào)）

FP0+、FP0-、FP1+、FP1-：脈沖輸出端口

RP0+、RP0-、RP1+、RP1-：脈沖輸出端口

（注：0表示第一軸，1表示第二軸，如START0表示啟動(dòng)第一軸，START1表示啟動(dòng)第二軸，其他信號(hào)依次類推）

從端子分布可以看到，除了常用的極限和啟動(dòng)停止信號(hào)外，配置了過零脈沖PG和手搖能輸入端，手搖輪是機(jī)床應(yīng)用中常用而必備功能，而利用過零信號(hào)在精確控制場合往往會(huì)用到，當(dāng)然更不用說定位控制中都會(huì)用到的DOG原點(diǎn)信號(hào)。

2.3 配線規(guī)格

一般I/O點(diǎn)配線就不再贅言了，可以關(guān)注一下PLC比較少用到的差分輸入輸出方式，在信號(hào)中有一部分是這樣的，一定要注意否則將不能正確完成，參見圖2、圖3。

3 臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)控制型PLC軟件結(jié)構(gòu)

3.1 DVP20PM程序結(jié)構(gòu)

由于20PM主機(jī)結(jié)合了PLC順序邏輯控制及雙軸插補(bǔ)定位控制的功能，因此在程序架構(gòu)上主要分為O100主程序、Ox運(yùn)動(dòng)子程序及Pn子程序等三大類，結(jié)合了基本指令、應(yīng)用指令、運(yùn)動(dòng)指令及G Code指令，使程序設(shè)計(jì)更多元化，結(jié)構(gòu)更清晰；程序采用PMSOFT軟件進(jìn)行編輯，參見圖4。

（1）主程序。主程序以O(shè)100作為起始標(biāo)記，M102作為結(jié)束標(biāo)記，是PLC順序控制程序，主要為控制主機(jī)動(dòng)作執(zhí)行，在O100主程序區(qū)域中，可以使用基本指令及應(yīng)用指令，或在程序中啟動(dòng)Ox0~Ox99運(yùn)動(dòng)子程序及調(diào)用Pn子程序。主要提供主控制程序的建立，以及運(yùn)動(dòng)子程序的設(shè)定及啟動(dòng)控制。

（2）運(yùn)動(dòng)子程序。Ox0～Ox99運(yùn)動(dòng)子程序?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制程序，主要為控制20PM系列主機(jī)進(jìn)行X-Y軸雙軸運(yùn)動(dòng)之子程序，于Ox0～Ox99運(yùn)動(dòng)子程序區(qū)段中，有支持基本指令、應(yīng)用指令、運(yùn)動(dòng)指令及G碼指令，并在程序中可規(guī)劃呼叫Pn指針子程序，通過PLC提供的內(nèi)部特D特M進(jìn)行子程序的控制。主要提供運(yùn)動(dòng)子程序的建立，以及運(yùn)動(dòng)子程序的運(yùn)動(dòng)控制，在架構(gòu)上可算是20PM的運(yùn)動(dòng)指令及G碼指令規(guī)劃區(qū)域。

（3） 子程序。這里所說的子程序是指以Pn開頭的一般用子程序，主要是被O100主程序及Ox運(yùn)動(dòng)子程序調(diào)用的子程序。如在O100主程序調(diào)用Pn指針，則Pn指針子程序支持基本指令及應(yīng)用指令；若在Ox0 ~ Ox99運(yùn)動(dòng)子程序中調(diào)用Pn指針時(shí)，則Pn指針子程序區(qū)段可支持基本指令、應(yīng)用指令、運(yùn)動(dòng)指令及G碼指令。

3.2 PMSOFT軟件介紹

與臺(tái)達(dá)PLC的WPLSoft軟件相似，DVP20PM的編程軟件PMSOFT按照IEC61131標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，具有梯形圖和語句表兩種編程方式，且具有G碼匯入、錯(cuò)誤提示、區(qū)段注釋、裝置注釋、標(biāo)尺、完善的監(jiān)控窗口、運(yùn)動(dòng)指令追蹤等便利工具提供給用戶，特別值得一提的是該軟件具有運(yùn)動(dòng)軌跡仿真功能，當(dāng)您編輯好程序后可利用此功能對(duì)加工軌跡進(jìn)行模擬演示，參見圖5。

為方便切換階梯窗口，只要點(diǎn)選系統(tǒng)信息列中的樹枝狀對(duì)應(yīng)的程序編號(hào)，自動(dòng)切換對(duì)應(yīng)的程序編輯窗口，在PMSoft編輯環(huán)境中同時(shí)只能有一個(gè)階梯圖窗口，這是為了在龐大復(fù)雜程序中找尋程序方便，同時(shí)將主程序、運(yùn)動(dòng)子程序、一般子程序這三種程序模塊化處理，O100主程序只有一個(gè)編輯窗口，Oxn運(yùn)動(dòng)程序有100個(gè)編輯窗口，Pm子程序有256個(gè)編輯窗口，總共有357個(gè)窗口，每個(gè)窗口未編輯都有10 network。程序編輯由網(wǎng)絡(luò)區(qū)段組成，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)段是由輸入與輸出編輯區(qū)域所組成，在編輯過程中，自動(dòng)產(chǎn)生邏輯結(jié)構(gòu)正確的階梯圖，使用者無須再做額外補(bǔ)線的動(dòng)作，網(wǎng)絡(luò)區(qū)段編輯并具有錯(cuò)誤提示功能。

4 運(yùn)動(dòng)控制編程

4.1 相關(guān)概念

在談到DVP20PM產(chǎn)品的應(yīng)用之前，我們對(duì)以下概念進(jìn)行一個(gè)簡要介紹。

（1）插補(bǔ)。插補(bǔ)是在組成軌跡的直線段或曲線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，按一定的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作，以確定一些中間點(diǎn)。從而為軌跡控制的每一步提供逼近目標(biāo)。

逐點(diǎn)比較法是以四個(gè)象限區(qū)域判別為特征，每走一步都要將加工點(diǎn)的瞬時(shí)坐標(biāo)與相應(yīng)給定的圖形上的點(diǎn)相比較，判別一下偏差，然后決定下一步的走向。如果加工點(diǎn)走到圖形外面去了，那么下一步就要向圖形里面走；如果加工點(diǎn)已在圖形里面，則下一步就要向圖形外面走，以縮小偏差，這樣就能得到一個(gè)接近給定圖形的軌跡，其最大偏差不超過一個(gè)脈沖當(dāng)量（一個(gè)進(jìn)給脈沖驅(qū)動(dòng)下工作臺(tái)所走過的距離）。

（2）直線插補(bǔ)。這個(gè)概念一般是用在計(jì)算機(jī)圖形顯示，或者數(shù)控加工的近似走刀等情況下，以數(shù)控加工為例子：

一個(gè)零件的輪廓往往是多種多樣的，有直線，有圓弧，也有可能是任意曲線，樣條線等。數(shù)控機(jī)床的刀具往往是不能以曲線的實(shí)際輪廓去走刀的，而是近似地以若干條很小的直線去走刀，走刀的方向一般是x和y方向。

插補(bǔ)方式有:直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)，拋物線插補(bǔ)，樣條線插補(bǔ)等等。

所謂直線插補(bǔ)就是只能用于實(shí)際輪廓是直線的插補(bǔ)方式(如果不是直線，也可以用逼近的方式把曲線用一段段線段去逼近，從而每一段線段就可以用直線插補(bǔ)了).首先假設(shè)在實(shí)際輪廓起始點(diǎn)處沿x方向走一小段(一個(gè)脈沖當(dāng)量)，發(fā)現(xiàn)終點(diǎn)在實(shí)際輪廓的下方，則下一條線段沿y方向走一小段，此時(shí)如果線段終點(diǎn)還在實(shí)際輪廓下方，則繼續(xù)沿y方向走一小段，直到在實(shí)際輪廓上方以后，再向x方向走一小段，依次循環(huán)類推.直到到達(dá)輪廓終點(diǎn)為止.這樣，實(shí)際輪廓就由一段段的折線拼接而成，雖然是折線，但是如果我們每一段走刀線段都非常小(在精度允許范圍內(nèi))，那么此段折線和實(shí)際輪廓還是可以近似地看成相同的曲線的－－這即是直線插補(bǔ)。

（3）聯(lián)動(dòng)與插補(bǔ)。一個(gè)點(diǎn)的空間位置需要三個(gè)坐標(biāo)，決定空間位置需要六個(gè)坐標(biāo)。

一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以控制的坐標(biāo)的個(gè)數(shù)稱做該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軸數(shù)。而可以同時(shí)控制運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)的個(gè)數(shù)稱做該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可聯(lián)動(dòng)的軸數(shù)。聯(lián)動(dòng)各軸的運(yùn)動(dòng)軌跡具有一定的函數(shù)關(guān)系，例如直線，園弧，拋物線，正弦曲線。直接計(jì)算得出運(yùn)動(dòng)軌跡的坐標(biāo)值往往要用到乘除法，高次方，無理函數(shù)，超越函數(shù)，會(huì)占用很多的CPU時(shí)間。為了實(shí)時(shí)快速控制運(yùn)動(dòng)軌跡，往往預(yù)先對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行直線和圓弧擬合，擬合后的運(yùn)動(dòng)軌跡僅由直線段和圓弧段所組成，而計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡跟據(jù)前一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過插補(bǔ)運(yùn)算得到，這樣就把計(jì)算簡化為增量減量移位和加減法。

實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)的直線插補(bǔ)并不困難，圓弧插補(bǔ)一般為兩軸聯(lián)動(dòng)。插補(bǔ)運(yùn)算可以有多種算法，例如 "DDA 算法"，"逐點(diǎn)比較法"，"正負(fù)法"，"最小偏差法（Bresenham 算法）"等，其中最小偏差法具有最小的偏差和較快的運(yùn)行速度。

DVP20PM運(yùn)動(dòng)控制型PLC可實(shí)現(xiàn)2軸聯(lián)動(dòng)，支持直線和圓弧插補(bǔ)，以及相應(yīng)的第三軸處理。

（4）數(shù)控軟件。DVP20DPM支持復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡控制，那是如何實(shí)現(xiàn)的呢？簡單的說，將復(fù)雜軌跡通過AUTOCAD等軟件生成圖形，再經(jīng)過CAM軟件轉(zhuǎn)換為G代碼，而PMSOFT可以直接導(dǎo)入文本格式的G代碼，這樣就可以完成運(yùn)動(dòng)程序下載到20PM中執(zhí)行。那么怎樣完成圖形到G代碼的轉(zhuǎn)換呢，這就需要CAM軟件了，以下簡單介紹一些常用的CAM軟件：

目前CAD/CAM行業(yè)中普遍使用的是 MASTERCAM 、 CIMATRON 、 PRO-E 、 UG 、 CATIA...

MASTERCAM 是最常用的一種軟件，大多數(shù)數(shù)控操作員都使用 MASTERCAM ，它集畫圖和編程于一身，繪制線架構(gòu)最快，縮放功能最好。

CIMATRON 是遲一些進(jìn)入中國的軟件，在刀路軌跡上的功能優(yōu)越于 MASTERCAM，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用。

Pro/E 是美國 PTC 開發(fā)的軟件，現(xiàn)已成為全世界最普及的三維 CAD/CAM 系統(tǒng)。集多種功能于一體，用于模具設(shè)計(jì)、產(chǎn)品畫圖、廣告設(shè)計(jì)、圖像處理、燈飾造型設(shè)計(jì)，是最好的畫圖軟件，一般來說用 PRO-E 畫圖，用 MASTERCAM 或 CIMATRON 加工。

當(dāng)然還有其他同類軟件也同樣可以使用，通過這些軟件將我們想要加工的軌跡曲線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PLC或數(shù)控系統(tǒng)可以識(shí)別執(zhí)行的代碼，從而控制我們的設(shè)備運(yùn)動(dòng)。

4.2 運(yùn)動(dòng)控制特點(diǎn)

（1）DVP20PM特色。多段速執(zhí)行及中斷定位，利用此項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的平滑性及準(zhǔn)確定位。64K步程序容量，100段運(yùn)動(dòng)程序，滿足不同加工需求；在20PM中最大可設(shè)置100種運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)利用64K的程序容量，預(yù)先將需要執(zhí)行的各種不同運(yùn)行曲線的G碼存儲(chǔ)在PLC中，當(dāng)需要加工某種規(guī)格時(shí)，可以采用文本顯示器、觸摸屏等來調(diào)用。支持G碼的直接匯入，當(dāng)采用CAM軟件生成文本格式的G碼后，可利用PMSOFT的匯入菜單直接匯入到PLC運(yùn)動(dòng)程序中。脈沖輸入輸出采用差動(dòng)方式，最高達(dá)500KHz，滿足了絕大多數(shù)應(yīng)用中速度的要求。支持手搖輪應(yīng)用，這是運(yùn)動(dòng)控制中的一個(gè)基本功能，可做一些手動(dòng)的調(diào)整。具備電子原點(diǎn)返回模式，在20PM內(nèi)存中加入了原點(diǎn)記憶功能，只要設(shè)定了電子原點(diǎn)，即使設(shè)備斷電，在下次上電后也可以輕松找到原點(diǎn)位置?？蛇B結(jié)EH2主機(jī)與所有擴(kuò)充模塊，20PM可以靈活配置，即可以接在EH2主機(jī)后作為專門定位擴(kuò)展模塊，也可以做為主機(jī)連接其他的模擬量等特殊功能模塊。支持PLC順序語言及定位語言(G 碼與M碼），實(shí)現(xiàn)了通用PLC與數(shù)控技術(shù)的一個(gè)完美結(jié)合。配置運(yùn)動(dòng)軌跡的離線仿真功能，在實(shí)際加工前利用該項(xiàng)功能可以檢查運(yùn)動(dòng)程序是否存在問題，可及時(shí)解決減少錯(cuò)誤發(fā)生，參見圖6。

（2）軸控方式。準(zhǔn)確的說，DVP 20PM是實(shí)現(xiàn)兩軸（X、Y軸）聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)的產(chǎn)品，支持?jǐn)?shù)控程序中的G碼功能指令，同時(shí)可以處理第三軸的動(dòng)作。

20PM支持的G 代碼功能如下：G0 高速定位；G1 雙軸聯(lián)動(dòng)直線插補(bǔ)；G2 順時(shí)針圓弧插補(bǔ)（設(shè)定圓心位置）；G3 逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)（設(shè)定圓心位置）；G2 順時(shí)針圓弧插補(bǔ)（設(shè)定半徑長度）；G3 逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)（設(shè)定半徑長度）；G4 停頓時(shí)間；G90 設(shè)定絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)；G91 設(shè)定相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。

對(duì)于第三軸（Z軸）處理方式如下：20PM目前只規(guī)劃2軸，當(dāng)G0中指定了Z軸時(shí)，此G0指令中Z軸將被拆解獨(dú)立出來。

例: G0XP1YP2ZP3 G0ZP3

G0XP1YP2

G0ZP3執(zhí)行時(shí)20PM將自動(dòng)呼叫P255并以D0傳遞P3，使用者可于P255中處理Z軸動(dòng)作。

4.3 一個(gè)案例

液晶切片機(jī)的硬件案例。在該設(shè)備中配置了DVP32EH2+DVP20PM+DVP01PU*4來控制六軸運(yùn)動(dòng)，其中兩軸采用圓弧插補(bǔ)完成倒角運(yùn)動(dòng)，另外四軸為獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的點(diǎn)動(dòng)、原點(diǎn)回歸、半自動(dòng)及自動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到精確位置控制。

篇3

關(guān)鍵詞:半自動(dòng);小車機(jī)器人;可編程控制器;步進(jìn)電機(jī);電機(jī)控制;運(yùn)動(dòng)控制

中圖分類號(hào):TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2010)03-0043-02

機(jī)器人由小車、升降臺(tái)、機(jī)械手組成。電氣PLC要求控制小車的前后左右運(yùn)轉(zhuǎn),升降臺(tái)帶動(dòng)機(jī)械手上下運(yùn)行,機(jī)械手則要實(shí)現(xiàn)夾緊與松開的運(yùn)行。機(jī)器人小車的動(dòng)作由步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng),四個(gè)軸八個(gè)方向,而步進(jìn)電機(jī)由對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)器的控制由PLC來完成?？刂品桨傅南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)硬件部分由控制面板、PLC控制器、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)等組成。操作面板實(shí)現(xiàn)操作功能;控制器PLC發(fā)出脈沖、方向信號(hào),通過驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

而我們就是負(fù)責(zé)將上述環(huán)節(jié)按要求連接,使得在操作機(jī)器人按鈕時(shí),機(jī)器人能按要求運(yùn)動(dòng)。為了操作方便,操作按鈕安裝在遙控面板,遙控接收器收到信號(hào)傳給PLC的輸入接口。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在,加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變得非常簡單。

可編程控制器(Programmable Logic Controller,通常稱PLC)是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī),具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性價(jià)比等性能,能充分適應(yīng)工業(yè)環(huán)境,簡單易懂,操作方便,可靠性高,是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力,利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動(dòng)控制功能,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。利用PLC控制步進(jìn)電機(jī),其脈沖分配可以由軟件實(shí)現(xiàn),也可由硬件組成。

本文中,我們將對(duì)采用PLC來進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)研究進(jìn)行介紹,討論步進(jìn)電機(jī)的PLC控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。

一、步進(jìn)電機(jī)

(一)步進(jìn)電機(jī)的控制原理及特性

1.步進(jìn)電機(jī)的控制原理。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要有脈沖分配的功率型電子裝置驅(qū)動(dòng),這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。控制系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào),通過驅(qū)動(dòng)器就能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”),它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的;通過改變通電順序,從而達(dá)到改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī),利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

2.步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn):(1)一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3%～5%,且不累積,所以具有良好的跟隨特性。(2)步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁,從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步,因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn),一般來講,步進(jìn)電機(jī)外表溫度在80℃～90℃完全正常。(3)步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢;頻率越高,反向電動(dòng)勢越大。在它的作用下,電機(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導(dǎo)致力矩下降。(4)步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。

步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù):空載啟動(dòng)頻率,即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值,電機(jī)不能正常啟動(dòng),可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下,啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。圖2為步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率的變化規(guī)律圖:

(二)步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率的變化規(guī)律

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們采用的步進(jìn)電機(jī)為0.9°步距角二相步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)和停止時(shí)有一個(gè)加速及減速過程,且加速速度越小則沖擊越小,動(dòng)作越平穩(wěn),所以步進(jìn)電機(jī)工作一般要經(jīng)歷以下的變化過程:加速―恒速(高速)―減速―恒速(低速)―停止。因步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比,所以輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率也要經(jīng)歷一個(gè)類似的變化過程,其變化規(guī)律如圖2所示?？梢娫诓竭M(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)要使脈沖升頻,停車時(shí)使脈沖降頻。

由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在輸入脈沖200Hz時(shí)處于震蕩區(qū)內(nèi),容易損壞內(nèi)部元件,而在200Hz以下運(yùn)轉(zhuǎn)速度較慢,效率較低,故一般采用350Hz作為脈沖的低頻起點(diǎn)。經(jīng)測試,輕載時(shí)高頻脈沖可達(dá)到6.8kHz。

二、步進(jìn)電機(jī)PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

(一)硬件選型

1.步進(jìn)電機(jī):步進(jìn)電機(jī)有步距角、靜力矩、電流三大要素組成。根據(jù)負(fù)載的控制精度要求選擇步距角大小,根據(jù)負(fù)載的大小確定靜力矩,靜力矩一經(jīng)確定根據(jù)電機(jī)矩頻特性曲線來判斷電機(jī)的電流。一旦三大要素確定,步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。本系統(tǒng)使用的是35BYG系列的步進(jìn)電機(jī),其轉(zhuǎn)矩比較高。

2.驅(qū)動(dòng)器:遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則,電機(jī)的相數(shù)、電流大小是驅(qū)動(dòng)器選擇的決定性因素;在選型中,還要根據(jù)PLC輸出信號(hào)的極性來決定驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)是共陽極或共陰極。為了改善電機(jī)的運(yùn)行性能和提高控制精度,通常通過選擇帶細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn),目前驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分等級(jí)有8倍、16倍、32倍、64倍等,最高可達(dá)256倍細(xì)分。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)控制要求和步進(jìn)電機(jī)的特性選擇合適的細(xì)分倍數(shù),以達(dá)到更高的速度和更大的高速轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度更高,振動(dòng)更小。經(jīng)比較我們選用的是南京步進(jìn)電機(jī)廠的HSM系列的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

3.PLC:在對(duì)PLC選型前,應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量。

根據(jù)脈沖頻率可以確定PLC高速脈沖輸出時(shí)的頻率,根據(jù)脈沖數(shù)量可以確定PLC的位寬。運(yùn)用PLC控制步進(jìn)電機(jī)時(shí),應(yīng)該保證PLC具有高速脈沖輸出功能,通過選擇具有高速脈沖輸出功能或?qū)Ｓ眠\(yùn)動(dòng)控制功能的模塊來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中,根據(jù)選型原則和功能要求,我們采用的步進(jìn)電機(jī)為0.9°步距角的二相步進(jìn)電機(jī);因?yàn)榭紤]到是用在機(jī)器人小車上,所有部件都需要跟車移動(dòng),所以我們整體選用兩塊12V電池,PLC工作電源選用24V直流,用的是信捷XC3-14的PLC兩個(gè)(因有四個(gè)步進(jìn)電機(jī),而每個(gè)XC3-14只有兩個(gè)高速脈沖輸出)。

(二)硬件連接

按照系統(tǒng)控制要求,系統(tǒng)I/O硬件連接如圖3所示(部分):

三、步進(jìn)電機(jī)PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)控制程序可以采用梯形圖語言或者指令表語言等進(jìn)行編制,控制程序在上位機(jī)中編制、調(diào)試和編譯后,即可下載到PLC中。如圖4所示為一個(gè)電機(jī)控制梯形圖(部分)。Y0口輸出脈沖信號(hào),Y1和Y2為方向和脫機(jī)信號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)我先用西門子S7-200系列PLC編程調(diào)試,成功后改用所選PLC。

四、結(jié)語

利用PLC可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的方向和位置進(jìn)行控制,可靠地實(shí)現(xiàn)各種步進(jìn)電機(jī)的操作,完成機(jī)器人的各種復(fù)雜工作。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn),在數(shù)字化制造時(shí)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高,步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]李道霖.電氣控制與PLC原理及應(yīng)用(西門子系列)[M].電子工業(yè)出版社,2004.

[2]楊瑩,邵英,等.可編程控制器案例教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

篇4

關(guān)鍵詞:虛擬人 運(yùn)動(dòng)控制 關(guān)鍵幀 運(yùn)動(dòng)捕捉

虛擬人是人在 計(jì)算 機(jī)生成空間中幾何特性與行為特性的逼真表示。虛擬人的運(yùn)動(dòng)生成及控制主要研究虛擬人在計(jì)算機(jī)生成空間中的動(dòng)態(tài)特性,它應(yīng)符合人體運(yùn)動(dòng)的基本 規(guī)律 ,并能提供簡單直觀的控制方式。

1 虛擬人運(yùn)動(dòng)模型的建立

人體有二百多個(gè)關(guān)節(jié),如果對(duì)人體進(jìn)行關(guān)節(jié)化的建模生成三維人體模型,并提供所有關(guān)節(jié)的位置量和旋轉(zhuǎn)角,產(chǎn)生模型的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。為了有效的應(yīng)用動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行虛擬人仿真,幾何建模時(shí)應(yīng)考慮三維人體的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力學(xué)特性。將人體各部位體抽象為簡單的剛性幾何實(shí)體,即它們具有質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,這樣可以避免人體各部位任意表面形狀的復(fù)雜計(jì)算。描述人體的模型主要涉及人體的頭、軀干、四肢等部位。人體模型各肢體之間存在運(yùn)動(dòng)連帶關(guān)系,將關(guān)節(jié)看成點(diǎn),將關(guān)節(jié)之間的骨骼看成是鏈,就可以按運(yùn)動(dòng)關(guān)系將各肢體連接起來。三維虛擬人體模型是由相應(yīng)的部位體和關(guān)節(jié)組合而成的鏈狀層次結(jié)構(gòu) ,其運(yùn)動(dòng)是由整體的平移、旋轉(zhuǎn)以及各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。用樹結(jié)構(gòu)來表達(dá)人體模型的關(guān)節(jié)層次化結(jié)構(gòu)如圖1:

2 虛擬人運(yùn)動(dòng)控制

2.1 基于關(guān)鍵楨技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制

在應(yīng)用關(guān)鍵幀技術(shù)產(chǎn)生虛擬人的運(yùn)動(dòng)時(shí),應(yīng)注意所插值的參數(shù),否則會(huì)產(chǎn)生不恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)。由于關(guān)鍵幀插值不考慮人體的物理屬性以及參數(shù)之間的相互關(guān)系,因此插值得到的運(yùn)動(dòng)不一定是合理的,通常需要?jiǎng)赢嫀煂?duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)整。盡管如此,由于關(guān)鍵幀技術(shù)的使用簡便,因此仍然是最常用的動(dòng)畫生成方法。

從原理上說關(guān)鍵幀插值問題可歸結(jié)為參數(shù)插值問題,傳統(tǒng)的插值方法都可應(yīng)用到關(guān)鍵幀方法中。但關(guān)鍵幀插值又與純數(shù)學(xué)的插值不同,它有其特殊性。一個(gè)特定的運(yùn)動(dòng)從空間軌跡來看可能是正確的,但從運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)畫設(shè)計(jì)角度來看可能是錯(cuò)誤的或者不合適的。用戶必須能夠控制運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性,即通過調(diào)整插值函數(shù)來控制速度的變動(dòng)。為了很好地解決插值過程中的時(shí)間控制問題,用雙插值的方法來控制運(yùn)動(dòng)參數(shù)。其中之一為位置樣條,它是位置對(duì)關(guān)鍵幀的函數(shù),另一條為運(yùn)動(dòng)樣條,它是關(guān)鍵幀對(duì)時(shí)間的函數(shù)。

關(guān)鍵幀的位置插值可以由樣條驅(qū)動(dòng)插值和速度曲線插值實(shí)現(xiàn)。樣條驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫是指先設(shè)計(jì)好物體的運(yùn)動(dòng)軌跡,然后指定物體沿該軌跡運(yùn)動(dòng)。通常,物體的運(yùn)動(dòng)軌跡為三次樣條曲線,并且由用戶交互給出。在利用速度曲線實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵幀插值中,物體的運(yùn)動(dòng)可由速度曲線來控制。對(duì)于給定的時(shí)間,先由速度曲線得到弧長,然后由弧長計(jì)算出軌跡曲線上的點(diǎn),最終實(shí)現(xiàn)位置插值。

關(guān)鍵幀插值系統(tǒng)中要解決的另一個(gè)問題是物體朝向的插值問題。物體的朝向一般可由euler角來表示,因此朝向的插值問題可簡單地轉(zhuǎn)化為3個(gè)euler角的插值問題。但euler角又有它的局限性,因?yàn)樾D(zhuǎn)矩陣是不可交換的。euler角的旋轉(zhuǎn)一定要按某個(gè)特定的次序進(jìn)行,等量的euler角變化不一定引起等量的旋轉(zhuǎn)變化導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)的不均勻性。shoemake為了解決因采用euler角表示引起的麻煩,最早把四元數(shù)引入了動(dòng)畫中并提出了用單位四元數(shù)空間上的bezier樣條來插值四元數(shù)。

2 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)

運(yùn)動(dòng)捕捉方法是指通過傳感設(shè)備記錄人體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡,并將其轉(zhuǎn)化為抽象運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬人運(yùn)動(dòng)的方法。為了達(dá)到虛擬人運(yùn)動(dòng)與控制的目的,通常還需要對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯與合成。同時(shí),運(yùn)動(dòng)編輯與合成還可以提高運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)的可重用性、建立超乎實(shí)際的運(yùn)動(dòng)、突出次要運(yùn)動(dòng)以及生成新的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)等。運(yùn)動(dòng)捕捉方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于虛擬人的運(yùn)動(dòng)基本上是真實(shí)人運(yùn)動(dòng)的復(fù)制品,因而效果非常逼真。但同時(shí)這種方法也存在運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備昂貴、附加在表演人員身上的傳感設(shè)備限制了人體的自由運(yùn)動(dòng)等缺陷。

從技術(shù)的角度來說,運(yùn)動(dòng)捕捉的實(shí)質(zhì)就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。典型的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備一般由以下幾個(gè)部分組成:

(1)傳感器:被固定在運(yùn)動(dòng)物體特定的部位,向系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)的位置信息。

(2)信號(hào)捕捉設(shè)備:負(fù)責(zé)捕捉和識(shí)別傳感器信號(hào)。

(3)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備:負(fù)責(zé)將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從信號(hào)捕捉設(shè)備快速準(zhǔn)確地傳送到 計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)。

(4)處理設(shè)備:負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)捕捉到的原始信號(hào),計(jì)算傳感器的運(yùn)動(dòng)軌跡,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正、處理,并與三維角色模型相結(jié)合。

基于運(yùn)動(dòng)捕捉的虛擬人控制大致可以分為以下幾類:

(1)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)

運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)就是將運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)或者關(guān)節(jié)角賦給虛擬人模型,讓模型根據(jù)原始數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)。但是由于運(yùn)動(dòng)捕捉錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的存在,再加上表演者和模型的骨干匹配問題等,這種方法往往會(huì)產(chǎn)生很大的誤差,致使人體運(yùn)動(dòng)變形。

(2)與關(guān)鍵楨綜合

利用紋理和綜合的方法,讓動(dòng)畫師先設(shè)置少數(shù)的關(guān)鍵幀,根據(jù)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)來幫助制作動(dòng)畫。這樣做的原因是由于在人和動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)中,關(guān)節(jié)之間有很多關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)在重復(fù)動(dòng)作中更為明顯。

(3)動(dòng)力學(xué)匹配

動(dòng)力學(xué)匹配是用有人性特點(diǎn)的動(dòng)力仿真和跟蹤控制器來跟隨運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),因?yàn)樵诒徊蹲降难輪T和虛擬人之間有很多的動(dòng)力學(xué)匹配。人的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)成連接的角度且被用來作為軌跡控制器的期望值?？刂破饔?jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,是基于系統(tǒng)狀態(tài)和期望得到的連接角度的誤差。得到的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)模型,同時(shí)通過運(yùn)動(dòng)方程,就可以計(jì)算新的系統(tǒng)狀態(tài)。

用動(dòng)力學(xué)控制虛擬人的運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)了人體運(yùn)動(dòng)的真實(shí)性,但運(yùn)動(dòng) 規(guī)律 性太強(qiáng)。在基于動(dòng)力學(xué)的模擬中,也要考慮兩個(gè)問題:正向動(dòng)力學(xué)問題和逆向動(dòng)力學(xué)問題: 正向動(dòng)力學(xué)問題是根據(jù)引起運(yùn)動(dòng)的力和力矩來計(jì)算末端效應(yīng)器的軌跡。逆動(dòng)力學(xué)問題更有用,用戶通過指定末端關(guān)節(jié)的位置,計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算出各中間關(guān)節(jié)的位置,即關(guān)節(jié)角是自動(dòng)確定的,可以確定產(chǎn)生系統(tǒng)中規(guī)定運(yùn)動(dòng)的力和力矩。

3 基于物理的仿真技術(shù)

與關(guān)鍵幀技術(shù)不同,基于物理的仿真技術(shù)是利用動(dòng)力學(xué)、生物力學(xué)等物理定律產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的。我們通常采用有關(guān)節(jié)的基于動(dòng)力學(xué)的模型來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真,即構(gòu)建角色的動(dòng)力學(xué)模型,通過仿真計(jì)算它們的運(yùn)動(dòng)。這就意味著物體的運(yùn)動(dòng)受物理規(guī)律的支配,以便創(chuàng)作 自然 逼真的動(dòng)畫?；谖锢淼姆抡婕夹g(shù)優(yōu)越于其它運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在:首先,利用基于物理的仿真技術(shù)可以生成用關(guān)鍵幀技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的完全符合物理特性的理想的運(yùn)動(dòng),基于物理的仿真技術(shù)在 體育 訓(xùn)練方面的應(yīng)用最為廣泛;其次,在與用戶的交互方面,基于物理的仿真技術(shù)能實(shí)現(xiàn)比關(guān)鍵幀或是運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)更精確的交互。

4 結(jié)語

虛擬人的運(yùn)動(dòng)控制需要解決的主要問題是:各種方法的組合以及現(xiàn)存運(yùn)動(dòng)的參數(shù)化。以上方法在運(yùn)用時(shí)都存在利弊,體現(xiàn)在自動(dòng)生成和手工控制之間。因此,將這幾種技術(shù)融合使用,充分發(fā)揮每種技術(shù)的優(yōu)勢,就成為了目前一個(gè)很好的解決方法。

參考 文獻(xiàn)

[1] 吳家鑄,黨崗,劉華峰,程志全,陽明.視景仿真技術(shù)及應(yīng)用[m].西安:西安 電子 科技大學(xué)出版社,2001.

篇5

關(guān)鍵詞:六自由度；工業(yè)機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)化工業(yè)系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人是一種不可或缺的設(shè)備,為人類社會(huì)進(jìn)步和歷史發(fā)展奠定基礎(chǔ)。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的全面提升,越來越多的勞動(dòng)力被需要,這就使得逐漸凸顯出重復(fù)勞動(dòng)力的問題,為了有效解決上述問題,機(jī)器人是一種良好措施。雖然工業(yè)機(jī)器人研究方面具備一定成績,但是相比國外發(fā)達(dá)國家來說,還是具備一定差距,為此需要進(jìn)一步研究六自由度工業(yè)機(jī)器人,集中闡述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

1設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基本方案

基于六自由度工業(yè)機(jī)器人基本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上來構(gòu)建控制系統(tǒng),六自由度工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：軟件和硬件。軟件主要就是用來完成機(jī)器人軌跡規(guī)劃、譯碼和解析程序、插補(bǔ)運(yùn)算,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解,驅(qū)動(dòng)機(jī)器人末端以及所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作,屬于系統(tǒng)的核心部位。硬件主要就是為構(gòu)建運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供物質(zhì)保障[1]。

2設(shè)計(jì)硬件控制系統(tǒng)

在六自由度工業(yè)機(jī)器人的前提下,利用ARM工控機(jī)來設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案。下位機(jī)模塊是DMC-2163控制卡。通過以太網(wǎng)工控機(jī)能夠?yàn)镈MC-2163提供相應(yīng)的命令,依據(jù)命令DMC-2163執(zhí)行程序,并且能夠發(fā)出控制信號(hào)。利用伺服放大器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行放大以后,驅(qū)動(dòng)設(shè)備的所有電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),保障所有環(huán)節(jié)都能夠進(jìn)行動(dòng)作。工業(yè)機(jī)器人通過DMC-2163輸送電機(jī)編碼器的位置信號(hào),然后利用以太網(wǎng)來進(jìn)行反饋,確保能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和顯示機(jī)器人的實(shí)際情況。第一,DMC-2163控制卡,設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件的時(shí)候,使用Galil生產(chǎn)的DMC控制器,保障能夠切實(shí)滿足設(shè)計(jì)的性能和精度需求,選擇DMC-2163控制器來設(shè)計(jì)六自由度工業(yè)機(jī)器人,依據(jù)系統(tǒng)API來二次開發(fā)工控機(jī)。第二,嵌入式ARM工控機(jī)。實(shí)際操作中為了滿足系統(tǒng)高性能、可靠、穩(wěn)定的需求,使用嵌入式FreescaleIMx6工控機(jī),存在1.2GHz主頻率。Cortex-A9作為CPU，擁有豐富的硬件資源,能夠全面滿足設(shè)計(jì)六自由度機(jī)器人的需求[2]。

3設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)軟件

3.1實(shí)現(xiàn)NURBS插補(bǔ)依據(jù)系統(tǒng)給定的控制頂點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)矢量、權(quán)因子來對(duì)NURBS曲線進(jìn)行確定,插補(bǔ)NURBS曲線的關(guān)鍵實(shí)際上就是利用插補(bǔ)周期范圍內(nèi)存在的步長折線段來對(duì)NURBS曲線進(jìn)行逼近,因此,想要實(shí)現(xiàn)NURBS插補(bǔ)就需要切實(shí)解決密化參數(shù)和軌跡計(jì)算兩方面內(nèi)容。第一,密化參數(shù)。實(shí)際上就是依據(jù)空間軌跡中給定的補(bǔ)償來對(duì)參數(shù)空間進(jìn)行映射,利用給定步長來計(jì)算新點(diǎn)坐標(biāo)和參數(shù)增量。第二,軌跡計(jì)算。實(shí)際上就是在具體體現(xiàn)空間回軌跡的時(shí)候合理應(yīng)用參數(shù)空間坐標(biāo)進(jìn)行反向映射,以便于能夠得到對(duì)應(yīng)的映射點(diǎn),也就是插補(bǔ)軌跡新點(diǎn)坐標(biāo)。為了有效提升插補(bǔ)實(shí)時(shí)性以及速度,需要進(jìn)行預(yù)處理,確?？梢越档陀?jì)算量。通過阿當(dāng)姆斯算法,有機(jī)結(jié)合前、后向差分來進(jìn)行計(jì)算,保障能夠防止計(jì)算隱式、復(fù)雜的方程。為了確?？梢杂行У剡M(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算,設(shè)計(jì)過程中通過Matlab平臺(tái)進(jìn)行仿真處理[3]。3.2實(shí)現(xiàn)ARM工控機(jī)基于ARM工控機(jī)來展現(xiàn)六自由度工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件,實(shí)際操作中開發(fā)軟件環(huán)境是首要問題,把Linux系統(tǒng)安裝在FreescaleIMx6中,構(gòu)成ubuntu版本的控制系統(tǒng),并且系統(tǒng)中移入嵌入式Qt,并且在ubuntu中移入DMC控制器中的Linux庫[4]。利用圖形用戶界面來設(shè)計(jì)軟件,構(gòu)件主體框架的時(shí)候合理應(yīng)用QMainWindows,為了能夠全面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有模塊的基本功能,需要合理應(yīng)用QDialog、QWidget類,通過Qt信號(hào)、配置文件、事件管理、全局變量等來展現(xiàn)模塊的信息交流功能。控制軟件系統(tǒng)包括以下幾方面內(nèi)容：第一,文檔管理模塊。文檔管理模塊能夠保存文件、重新構(gòu)建文件,是一種可以被DMC-2163解析的文檔二字符指令集,以便于能夠簡單控制代碼測試機(jī)器人的軸[5]。第二,與下位機(jī)通訊模塊,這部分實(shí)際上就是通過DMCComandOM()函數(shù)來對(duì)編碼器數(shù)值進(jìn)行關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的獲取,計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡的時(shí)候應(yīng)用正逆運(yùn)動(dòng)學(xué),同時(shí)利用DMCdownloadFile()函數(shù),在控制器中下載運(yùn)動(dòng)指令。第三,人機(jī)界面模塊。這種模塊主要就是用來更新和顯示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的,此外也能夠設(shè)置用戶輸入的數(shù)據(jù),保障能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和控制機(jī)器人的基本情況。第四,運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模塊,在已經(jīng)獲取末端連桿姿態(tài)和位置的基礎(chǔ)上,來對(duì)機(jī)器人轉(zhuǎn)角進(jìn)行計(jì)算的方式就是逆解。在已經(jīng)計(jì)算出關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的基礎(chǔ)上,來對(duì)空間中機(jī)器人姿態(tài)和位置進(jìn)行求解的方式就是運(yùn)動(dòng)學(xué)正解。機(jī)器人想要正確運(yùn)行的前提就是運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模塊,并且對(duì)機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)是否符合實(shí)際情況進(jìn)行分析,保障能夠及時(shí)更改錯(cuò)誤。第五,軌跡規(guī)劃模塊。這種模塊可以為完成基本運(yùn)動(dòng)作業(yè)提供依據(jù),不僅可以完成圓弧運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng),也能夠進(jìn)行NURBS插補(bǔ),保障能夠自由地進(jìn)行曲線運(yùn)動(dòng)。第六,機(jī)器人在完成十分復(fù)雜的再現(xiàn)和示教操作的時(shí)候,利用再現(xiàn)模式界面來對(duì)示教動(dòng)作進(jìn)行自動(dòng)操作。第七,設(shè)置系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)置,如限制運(yùn)動(dòng)權(quán)限、進(jìn)入系統(tǒng)的密碼、機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)等。在設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)候,能夠在六自由度工業(yè)機(jī)器人中來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)軟件的基本作用,以此來保障控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用性。第八,狀態(tài)顯示模塊。這種模塊可以具體顯示完成作業(yè)的進(jìn)度、機(jī)器人安裝的姿態(tài)和位置、控制器I/O。第九,設(shè)置機(jī)器人參數(shù),一般來說主要包括伺服驅(qū)動(dòng)倍頻比/分頻比、運(yùn)動(dòng)學(xué)DH參數(shù),六自由度工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)取決于DH參數(shù);機(jī)器人DMC控制卡輸送單個(gè)脈沖過程中的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度取決于倍頻比/分頻比[6]。3.3運(yùn)行系統(tǒng)軟件軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中成功測試各模塊以后,在程序主框架中進(jìn)行合理應(yīng)用,以便于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)。成功測試系統(tǒng)軟件以后具備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本功能。

4結(jié)語

綜上,在基于目前已經(jīng)存在的六自由度機(jī)器人系統(tǒng)上來設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),嵌入式ARM工控機(jī)和DMC-2163控制卡是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在Ubuntu的基礎(chǔ)上構(gòu)建Qt平臺(tái),此時(shí)合理科學(xué)地設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。此外把NUBRS插補(bǔ)計(jì)算方式融入到控制系統(tǒng)中,保障在軌跡空間中機(jī)器人末端能夠形成自由曲線軌跡。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為機(jī)器人提供圖形界面,能夠?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行提供比較好的擴(kuò)展性、高通用性,并且操作也十分方便,因此這種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用具備廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)

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[2]張鵬程,張鐵.基于包絡(luò)法六自由度工業(yè)機(jī)器人工作空間的分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010(10):164-166.

[3]倪受東,丁德健,張敏，等.視覺功能六自由度工業(yè)機(jī)器人的研制[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,34(24):1-4,9.

[4]吳應(yīng)東.六自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014(2):74-76.

[5]田東升,胡明,鄒平，等.基于ANSYS的六自由度工業(yè)機(jī)器人模態(tài)分析[J].機(jī)械與電子,2012(2):59-62.

篇6

【關(guān)鍵詞】旋切 運(yùn)功控制 飛剪

本文主要針對(duì)紙袋機(jī)剪切控制系統(tǒng)開展研究和設(shè)計(jì)工作，在分析紙袋機(jī)剪切生產(chǎn)工藝和控制要求的基礎(chǔ)上，按照“運(yùn)動(dòng)控制器+伺服系統(tǒng)+觸摸屏”的型式，設(shè)計(jì)了紙袋機(jī)伺服跟蹤切系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了不同袋長必須換輪問題，同時(shí)增加色標(biāo)追蹤功能實(shí)現(xiàn)了偏差的自動(dòng)補(bǔ)償。

1 運(yùn)動(dòng)控制器+伺服驅(qū)動(dòng)+觸摸屏方式+編碼器測速+色標(biāo)補(bǔ)償

（1）運(yùn)動(dòng)控制器：用戶可以根據(jù)自身需要用Trio Basic語言進(jìn)行程序開發(fā)，整個(gè)系統(tǒng)可以脫離任何外界PC系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立的運(yùn)行。MC408本體可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)伺服或步進(jìn)軸，自帶16輸入，8輸出，還有1個(gè)Can擴(kuò)展口通訊口。（2）切斷伺服驅(qū)動(dòng)器：伺服選7.5KW安川伺服1套，配減速比10/1的行星減速機(jī)。伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)，額定扭矩50Nm，減速機(jī)額定輸出最高扭矩500Nm，最高速度1000Nm（2倍過載）。（3）點(diǎn)膠伺服驅(qū)動(dòng)：伺服選1.5KW安川伺服3套，各配減速比10/1的行星減速機(jī)驅(qū)動(dòng)3根點(diǎn)膠軸。（4）測速編碼：5000P/R 長線驅(qū)動(dòng)。（5）色標(biāo)傳感器：選用基恩士顏色傳感，最高響應(yīng)時(shí)間0.2us。

2 控制實(shí)現(xiàn)

2.1 運(yùn)動(dòng)控制指令

（1）MOVELINK指令在基本軸產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，通過軟件電子齒輪與連結(jié)軸的測量位置建立連接。連結(jié)軸可以向任意方向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輸出運(yùn)動(dòng)。參數(shù)表明基本軸的距離會(huì)使連結(jié)軸移動(dòng)相應(yīng)的距離（link_distance）。連結(jié)軸的距離分成3個(gè)階段應(yīng)用于基本軸的運(yùn)動(dòng)。這些部分是加速部分，常速部分和加速部分。連結(jié)加速度和加速度由link_acceleration和link_deceleration參數(shù)設(shè)置。常速連結(jié)距離源于總的連接距離和這兩個(gè)參數(shù)。三個(gè)階段可以分為獨(dú)立的MOVELINK指令或疊加在一起。

（2）ADDAX指令將疊加軸的目標(biāo)位置加到運(yùn)動(dòng)軸的軌跡上。ADDAX允許執(zhí)行兩軸疊加運(yùn)動(dòng)。連接兩軸以上，同樣可以使用ADDAX。

（3）FLEXLINK 指令實(shí)現(xiàn)跟隨主軸按定義的軌跡做運(yùn)動(dòng)。軌跡分2部分，基本部分（恒速段）和調(diào)整部分（變速段）。調(diào)整部分按正弦曲線疊加在恒速部分。

2.2 曲線定義

通過3段曲線實(shí)現(xiàn)旋切功能，即每一設(shè)定袋長，切刀旋轉(zhuǎn)一圈，切一次。三段曲線如下：

（1）加速階段曲線：distance1 = 0.5；link_acc1 = （0.5-VR（startsynpos）/10/360） * （VR（fsydistance）/10） *2；link_dec1 = 0；link_dist1 =（VR（startsynpos）/10/360）*（VR（fsydistance）/10） + link_acc1

MOVELINK （0.5，link_dist1，link_acc1，link_dec1，VR（move_axis））AXIS（VR（cut_axis））

（2）恒速階段：base_dist= INT（（VR（cutlength）/VR（fsydistance））*1000+0.5）/1000；

excite_dist=1 - base_dist；link_dist2= VR（cutlength）/10；

base_out=100*（VR（startsynpos）/10/360）*（VR（fsydistance）/10） / （VR（cutlength）/10）；base_in=100*（VR（endsynpos）/10/360）*（VR（fsydistance）/10） / （VR（cutlength）/10）；stop_length =（（360-（VR（startsynpos）+VR（endsynpos））/10）*2+（VR（startsynpos）+VR（endsynpos））/10）*VR（fsydistance）/360/10；

IF VR（cutlength）/10

excite_acc=50

excite_dec=50

ELSE

excite_acc= 100*（ 1-（VR（cutlength）/10 - stop_length）*10 /VR（cutlength） ）/2

excite_dec= 100*（ 1-（VR（cutlength）/10 - stop_length）*10 /VR（cutlength） ）/2

ENDIFFLEXLINK（base_dist，excite_dist，link_dist2，base_in，base_out，excite_acc，excite_dec，VR（modify_axis））AXIS（VR（cut_axis））

（3）減速階段distance3 =0.5；link_acc3 =0；link_dec3 =（0.5-VR（endsynpos）/10/360） * （VR（fsydistance）/10） *2；link_dist3 =VR（endsynpos）/10/360）*（VR（fsydistance）/10） + link_dec3；MOVELINK （distance3，link_dist3，0，link_dec3，VR（modify_axis））AXIS（VR（cut_axis））

注明：VR（startsynpos）：開始同步角；VR（fsydistance）：切刀周長；VR（endsynpos）：結(jié)束同步角；VR（cutlength）：袋長。

2.3 偏差補(bǔ)償

切刀每次切斷時(shí)當(dāng)前長度清零，從頭開始計(jì)長，當(dāng)檢測到色標(biāo)時(shí)，當(dāng)前值與理論值做比較生成偏差量，該偏差量通過Addax在補(bǔ)償段疊加到切斷軸上實(shí)現(xiàn)偏差補(bǔ)償。

3 安裝調(diào)試

裝配必須嚴(yán)格按照使用說明書、原理圖及技術(shù)規(guī)范執(zhí)行。減少干擾和擾，電機(jī)線選用95%屏蔽線并將屏蔽層牢固接地，編碼器線選用多芯屏蔽雙絞線，驅(qū)動(dòng)器妥善接地。

本次控制是采取模擬輸出作為定伺服速度，驅(qū)動(dòng)器分頻反饋?zhàn)鲩]環(huán)控制。因此在調(diào)試控制前，先將驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)整定，動(dòng)態(tài)優(yōu)化，把伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)盡量調(diào)高，直到不產(chǎn)生振蕩為止；然后調(diào)整運(yùn)動(dòng)控制的P增益，直到該軸跟隨誤差盡量小，而系統(tǒng)又不產(chǎn)生振蕩為止。

4 \行效果

連續(xù)工作了一段時(shí)間，實(shí)切袋長與設(shè)定袋長最大誤差1mm以內(nèi)。不同袋長切換簡單，只需要從屏上設(shè)定袋長即可。當(dāng)需要色標(biāo)補(bǔ)償時(shí)，只需要選通色標(biāo)追蹤就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，非常方便，完全達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)語

該控制系統(tǒng)具有較高的位置控制精度和良好的速度跟隨特性，滿足紙袋機(jī)高性能要求， 使用的靈活、高速、精確等主要特點(diǎn)，從而提高人們的工作效率與質(zhì)量，對(duì)其它高性能剪切整套設(shè)備的研發(fā)具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張建飛.基于Trio運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的三棱形內(nèi)外圓磨削系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].重慶大學(xué)，2007年.

篇7

中圖分類號(hào)TP20 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2012）80-0204-02

0 引言

運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用在國內(nèi)已有十幾年的歷史，技術(shù)也相當(dāng)成熟。相對(duì)于PLC、變頻器等廣為人知的產(chǎn)品而言，單片機(jī)更具有巨大的潛力市場。新舊技術(shù)的交替也形成了市場的另外一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力，在加工制造領(lǐng)域，單片機(jī)控制仍舊是運(yùn)動(dòng)控制市場最主要的趨勢，單片機(jī)控制市場仍將繼續(xù)緩慢增長。 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)裝置將預(yù)定指令變成期望的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，一般功率較小，并有定位要求和頻繁啟制動(dòng)的特點(diǎn)，目前在導(dǎo)航系統(tǒng)，雷達(dá)天線，精密數(shù)控機(jī)床，加工中心，機(jī)器人，打印機(jī)，復(fù)印機(jī)，磁紀(jì)錄儀，磁盤驅(qū)動(dòng)器，自動(dòng)洗衣機(jī)，電梯等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)分為三大模塊：單片機(jī)系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和步進(jìn)電機(jī)如圖1。驅(qū)動(dòng)模塊采用AT89C2051通過對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，并有四種步距角可供選擇，實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。

硬件設(shè)計(jì)的基本思路是可靠、實(shí)用以及小型化[1]。采用AT89C55微控制器，ATMEL公司的單片微處理器AT89C55WD，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器20K，晶振12M，為AT89C5X系列之一，外圍電路與AT89xx系列相同，含P0、P1、P2、P3四個(gè)接口。 4*4獨(dú)立式鍵盤和液晶顯示器直接與單片機(jī)相連接。鍵盤設(shè)定為功能鍵，設(shè)定運(yùn)行、停止、復(fù)位、參數(shù)輸入等功能。液晶顯示相應(yīng)的設(shè)定功能，在運(yùn)動(dòng)進(jìn)行中顯示設(shè)定坐標(biāo)和動(dòng)態(tài)坐標(biāo)。以懸掛運(yùn)動(dòng)控制為設(shè)計(jì)目標(biāo)，總系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2。

2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)運(yùn)動(dòng)的要求，在不同時(shí)刻輸出相應(yīng)脈沖數(shù)來控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)[2]。 步進(jìn)電機(jī)的加/減速是通過控制脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)。脈沖頻率增高提速，脈沖頻率減少時(shí)則減速。為精確到達(dá)指定位置，同時(shí)控制左右電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，通過嵌套程序來循環(huán)控制。由左右滑輪的繞轉(zhuǎn)自 繩、放繩的多少和快慢解決上述三個(gè)問題，即控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)的圈數(shù)和方向。在此過程中要處理好兩個(gè)問題：

1）運(yùn)動(dòng)速度的精確性

建立一個(gè)校驗(yàn)機(jī)制，以防超過或未達(dá)到所需速度，從一個(gè)速度準(zhǔn)確達(dá)到另外一個(gè)速度。

2）滑輪運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換

高速運(yùn)動(dòng)下方向變換過程，包括減速、換向、加速的步驟，步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)要避免大的沖擊而損壞電機(jī)。 換向信號(hào)在前一個(gè)方向的脈沖結(jié)束后，下一個(gè)方向的脈沖前發(fā)出。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)CP脈沖的的脈沖寬度 不小于5μs 。

假設(shè)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)為（x0，y0），計(jì)算方法如下：

脈沖步長：

L左={（15+x+c）2+[115-b/a （x+c）]2}1/2-{（15+x）2+（115-（b/a）x}1/2 ；

L右={[95-（x+c）]2+[115-b/a（x+c）]2}-{（95-x）2+[115-（b/a）x]2}1/2 ；

用變化量除以步長就可以得到相應(yīng)的脈沖數(shù)。

運(yùn)動(dòng)過程為使運(yùn)動(dòng)軌跡圓滑，左右輪流控制?？刂七\(yùn)動(dòng)軌跡子程序框圖[3]。

3 系統(tǒng)功能測試

運(yùn)動(dòng)板面的下方左右各安裝一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，在電機(jī)的垂直上方安裝滑輪拖動(dòng)負(fù)載。運(yùn)動(dòng)控制器通過插接線與電機(jī)連接。根據(jù)設(shè)定平面坐標(biāo)的直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)在185s內(nèi)完成；設(shè)定圓心坐標(biāo)和半徑的圓周運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)210s內(nèi)完成。測試結(jié)果如下：

4 結(jié)論

單片機(jī)控制雙步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制過程中，以軟件算法為主體控制運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的軌跡和相應(yīng)的外圍要求改變單片微型控制器的選擇，一般運(yùn)動(dòng)控制選擇AT89系列就可滿足，同樣在大型控制系統(tǒng)中，一般都可與MCS-51兼容[4]，即可用嵌入式系統(tǒng)，在線可編程系統(tǒng)等。如用UPSD系統(tǒng)作為微型控制器可與之兼容，并可實(shí)現(xiàn)在線編程。

參考文獻(xiàn)

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篇8

關(guān)鍵詞：CMC； 運(yùn)動(dòng)控制； 國產(chǎn)芯片

Research and Application of Motion Control Module Based on CMC

Abstract： In order to reduce the dependence of foreign chips， expand the scope of domestic chip， this paper takes the domestic CMC chip as the core， and develops the motion control system technology in ST language. It is the design idea of the system of the domestic CMC chip.

Keywords： CMC； Motion control； Domestic chip

1. 引言

全球半導(dǎo)體市場規(guī)模達(dá)3200億美元，全球54%的芯片都出口到中國，但國產(chǎn)芯片的市場份額只占10%。全球77%的手機(jī)是中國制造，但其中不到3%的手機(jī)芯片是國產(chǎn)的。我國芯片產(chǎn)業(yè)長期被國外廠商控制，不僅每年進(jìn)口需要消耗2000多億美元外匯，超過了石油和大宗商品，是第一大進(jìn)口商品。而且，受制于人的技術(shù)設(shè)備直接制約了我國產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。我國芯片產(chǎn)業(yè)一直發(fā)展緩慢，尤其在C PU方面幾乎一片空白，這意味著我國制造業(yè)處于國外的控制之下，很難打破已形成的壟斷，國內(nèi)工業(yè)一旦用上“外國芯”將會(huì)形成長期依賴，要超越國外企業(yè)，必須使用國產(chǎn)芯片。

計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）是本世紀(jì) 70 年展起來的控制新技術(shù)。它綜合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、測量技術(shù)、機(jī)械制造等領(lǐng)域的最新成就，數(shù)控技術(shù)的先進(jìn)與否直接代表了一個(gè)國家的機(jī)械工業(yè)水平。

1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前一種新型的結(jié)構(gòu)為運(yùn)動(dòng)控制器+PC，即采用以 PC 為硬件平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)。其中最主要的部件是計(jì)算機(jī)和控制運(yùn)動(dòng)的控制器?？刂破鞅旧砭哂蠧PU，同時(shí)開放包括通信端口、結(jié)構(gòu)在內(nèi)的大部分地址空間，輔以通用的 DLL 同 PC 結(jié)合得最為緊密。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是靈活性好、功能穩(wěn)定、可共享計(jì)算機(jī)的所有資料，目前已達(dá)到遠(yuǎn)程控制等先進(jìn)水平[2]。

1.2 國產(chǎn)芯片CMC介紹

CMC芯片是將組態(tài)處理、程序存儲(chǔ)、信號(hào)輸入輸出、控制算法、通訊接口等全部集成在一個(gè)芯片中的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)的主要功能可以簡述為：片內(nèi)邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制，程序處理及調(diào)度管理，數(shù)字量信號(hào)處理，多種數(shù)據(jù)接口通信。使用芯片的組態(tài)軟件進(jìn)行邏輯控制程序和運(yùn)動(dòng)控制程序的編程，將編寫的程序下載到芯片的片內(nèi)存儲(chǔ)器中。根據(jù)用戶的程序，對(duì)輸入的各種信號(hào)（包括從通信接口傳入的信號(hào)）進(jìn)行處理運(yùn)算， 并進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)輸出。邏輯控制主要包括對(duì)上層用戶編寫并經(jīng)過編譯的邏輯控制程序進(jìn)行執(zhí)行處理。運(yùn)動(dòng)控制主要包括對(duì)上層用戶編寫并經(jīng)過編譯的運(yùn)動(dòng)控制程序（如 G 代碼）進(jìn)行執(zhí)行處理。數(shù)字量處理主要包括開關(guān)信號(hào)、頻率信號(hào)處理，脈沖信號(hào)輸入輸出，PWM 輸出，正交編碼器輸入等。芯片集成了 Flash、SRAM、通用定時(shí)器、PLL、實(shí)時(shí)鐘，以及以太網(wǎng) MAC、UART、CAN、SPI、I2C 等多種通信接口。

2 運(yùn)動(dòng)控制模塊概述

2.1 CMC芯片詳細(xì)參數(shù)介紹

主控芯片選用浙大中控研發(fā)的CMC運(yùn)動(dòng)控制芯片。CMC芯片包括基本GPIO、測試功能、以太網(wǎng) MAC 、外部中斷功能、脈沖輸入輸出PIPO、運(yùn)動(dòng)控制、串口通信、I2C通信、SPI 通信、CAN 通信、實(shí)時(shí)鐘、電源等功能。芯片具有一個(gè)外部高速時(shí)鐘 （2～15MHz） 輸入接口、 一個(gè)外部 32.768KHz 時(shí)鐘輸入接口，分別作為系統(tǒng)輸入時(shí)鐘，RTC 輸入時(shí)鐘。外部輸入時(shí)鐘皆為有源晶振。通過芯片內(nèi) PLL 可將系統(tǒng)輸入時(shí)鐘進(jìn)行倍頻，倍頻后的系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá) 24～100MHz。PLL上電后默認(rèn)為 bypass 模式，即外部時(shí)鐘直接輸入，不經(jīng)過 PLL 倍頻。上電后，PLL 復(fù)位時(shí)間至少需要 5us，穩(wěn)定時(shí)間需要 100us。配置系統(tǒng)時(shí)鐘的步驟如下：1、配置 PLL；2、使系統(tǒng)進(jìn)入停止模式；3、喚醒系統(tǒng)進(jìn)入工作模式；4、完成配置。CMC芯片有 4 種工作模式，分別為運(yùn)行模式、等待模式、休眠模式和停止模式。片內(nèi)包含512KBytes FLASH，共有 4個(gè)完全相同的但是分別獨(dú)立編程的定時(shí)器。定時(shí)器在設(shè)定了預(yù)定值后，開始進(jìn)行自減操作，直到減至 0，則停止減數(shù)操作并送出中斷信號(hào)。芯片包含脈沖輸入輸出/計(jì)數(shù)器，由 4 個(gè) 16 位自動(dòng)裝載高級(jí)計(jì)數(shù)器構(gòu)成，它適用于多種場合，包括測量輸入信號(hào)的脈沖長度、脈沖個(gè)數(shù)；或者產(chǎn)生輸出波形。GPIO共有64 個(gè) GPIO 口通用輸入輸出端口，每個(gè)端口的默認(rèn)狀態(tài)為懸空，用戶可以根據(jù)需求配置成輸入，輸出或者高阻。支持 5 種復(fù)位方式，分別為上電復(fù)位、軟件復(fù)位、看門狗復(fù)位、外部復(fù)位和 JTAG。其邏輯控制主要實(shí)現(xiàn)對(duì)基于 IEC61131-3 的邏輯控制任務(wù)的調(diào)度和邏輯控制程序的執(zhí)行處理。芯片采用 LQFP（Low-profile Quad Flat Package）薄型四方扁平式封裝，本體尺寸為28×28×1.4mm，管腳間距為 0.5mm。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊簡介

運(yùn)動(dòng)控制模塊是基于10/100M以太網(wǎng)的通用型運(yùn)動(dòng)控制器，可支持多個(gè)控制器和PC組成控制網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于各種需要獨(dú)立運(yùn)行的場合。此運(yùn)動(dòng)控制模塊基于CMC芯片的硬件結(jié)構(gòu)，插補(bǔ)算法、脈沖信號(hào)的產(chǎn)生及加速和減速控制、I/O信號(hào)的檢測處理，均由硬件和固件實(shí)現(xiàn)，確保了運(yùn)動(dòng)控制高速、高精度及系統(tǒng)穩(wěn)定。該系列控制器最多可控制4個(gè)步進(jìn)或伺服電機(jī)，具有曲線速度控制、多軸直線插補(bǔ)、兩軸圓弧插補(bǔ)、連續(xù)曲線插補(bǔ)等高級(jí)功能。通過簡單的編程即可開發(fā)出穩(wěn)定可靠的高性能連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

CMC運(yùn)動(dòng)控制模塊除了電機(jī)控制端口外，還提供了豐富的I/O 接口和通訊接口，包括64路擴(kuò)展I/O接口、4路16位高精度A/D、 D/A接口、MCP鍵盤、PWM輸出、編碼器接口、手搖脈沖發(fā)生器接口、網(wǎng)絡(luò)接口、串行口、CAN接口。用戶可通過網(wǎng)口與PC機(jī)通信；可以通過串口連接其它設(shè)備，如：HMI觸摸屏。

CMC運(yùn)動(dòng)控制模塊通過四路脈沖輸出接口控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)主機(jī)要求的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制器是由主機(jī)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)控制命令驅(qū)動(dòng)其工作的。運(yùn)動(dòng)控制器提供 ST語言函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器的通訊。用戶通過主機(jī)程序調(diào)用相應(yīng)的庫函數(shù)，將運(yùn)動(dòng)控制器相關(guān)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)軌跡描述傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器，也就是發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制命令，運(yùn)動(dòng)控制器將根據(jù)主機(jī)的要求，自動(dòng)完成軌跡規(guī)劃、安全檢測、采樣刷新等復(fù)雜運(yùn)算和操作。計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成脈沖控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)控制器還提供四路伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器報(bào)警信號(hào)（每軸一路）輸入，四路伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使能信號(hào)（每軸一路）輸出，四路伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器復(fù)位信號(hào)（每軸一路）輸出以及三十二路通用數(shù)字量輸出接口、三十二路通用數(shù)字量輸入接口。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜靈活的運(yùn)動(dòng)控制[4]。

2.3 CMC運(yùn)動(dòng)控制模塊電源與時(shí)鐘拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CMC通過一個(gè)10MHz的有源晶振提供時(shí)鐘信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)PHY芯片由25MHz的有源晶振提供時(shí)鐘信號(hào)。IMP811芯片提供整體復(fù)位信號(hào)，低電平有效。

模塊電源由外部24V開關(guān)電源提供，通過TPS54383芯片轉(zhuǎn)換成3.3V和5.3V電源，5.3V電壓通過高抑制比的TPS7A8101芯片轉(zhuǎn)換為5.0V電壓，為AD、DA提供純凈電源。通過NCV1117DT18T5G將5V將為1.8VCMC內(nèi)核電壓。通過NCP1403SNTxG將5V升壓、降壓為±15V電壓，提供偏置電壓。

3 CMC運(yùn)動(dòng)控制模塊測試

在組態(tài)軟件中通過調(diào)用單軸控制模塊，配置相應(yīng)參數(shù)，可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、方向等參數(shù)，觀察電機(jī)輸出狀態(tài)變化；

1. 使用功能塊控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)經(jīng)測試可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度、加速度、方向、啟停等參數(shù)或狀態(tài)控制，可以用該功能塊配合手搖使用實(shí)現(xiàn)手搖運(yùn)動(dòng)控制模式或者配合鍵盤使用實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)功能。

2. 使用G代碼進(jìn)行電機(jī)控制，經(jīng)測試能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，速度、方向、脈沖數(shù)都能按照G代碼的運(yùn)動(dòng)參數(shù)執(zhí)行。

4 小結(jié)

因國產(chǎn)CMC芯片還是初級(jí)階段，功能還有所不足，芯片封裝大，之后會(huì)增加更多功能，采用GBA封裝，縮小芯片尺寸，降低功耗，附加自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，降低成本，增加產(chǎn)品競爭力。

參考文獻(xiàn)

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篇9

關(guān)鍵詞:RoboCup; 全方位移動(dòng)機(jī)器人;FPGA; PID

中圖分類號(hào):TN911; TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)14-0127-04

Medium-sized Group of Robot Motion Control System Based on FPGA

WANG Quan-zhou, PEI Dong, TAO Zhong-xing, YANG Shuo, CUI Tao, LIU Ping-he

(College of Physics and Electronic Engineering,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,China)

Abstract: Making the medium-sized group of RoboCup soccer robot as experimental platform, an implementation of the omni-directional mobile robot motion control system based on FPGA is provided. In order to achieve precise control of the robot, the kinematics characteristics of the omni-directional robot with three orthogonal-wheels is analyzed and studied, the robot motion control model is built, and the speed closed-loop PID control algorithm using FPGA as its main processor is designed. It is found that the design method of theFPGA-based omni-directional mobile robot motion control system has good real-time performance, and can control the omni-directional mobile robot rapidly and accurately.

Keywords: RoboCup; omni-directional mobile robot; FPGA; PID

0 引 言

目前,全方位移動(dòng)機(jī)器人由于具有出色的靈活性,已經(jīng)成為RoboCup中型組足球機(jī)器人比賽中最理想的選擇。而機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制一直以來都是直接影響機(jī)器人性能的主要因素,也是移動(dòng)機(jī)器人研究的熱點(diǎn)之一[1]。本文研究了一種用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)三輪全方位移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的方法,與雙DSP結(jié)構(gòu)[2],DSP+CPLD結(jié)構(gòu)[3],以及DSP+專用集成電路結(jié)構(gòu)等相比,該方法具有簡單可靠,擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。且FPGA設(shè)計(jì)簡單,使用方便,開發(fā)周期短,能夠?qū)崿F(xiàn)真正的SOPC系統(tǒng)。

1 全方位移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型

設(shè)世界坐標(biāo)系下機(jī)器人的速度為Е=[vx,vy,],則當(dāng)vx=0,vy≠0,=0時(shí),機(jī)器人做前后方向的直線運(yùn)動(dòng),當(dāng)vx≠0,vy=0,=0時(shí),機(jī)器人做左右方向的直線運(yùn)動(dòng),當(dāng)vx=0,vy=0,≠0時(shí),機(jī)器人做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

┩1中,Е鬲1,ω2,ω3為3個(gè)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,R為全向輪半徑;L1,L2,L3為機(jī)器人車體中心到3組全向輪中心的水平距離,設(shè)有L1=L2=L3=L。α為前┝鉸知之間的夾角,另外2個(gè)夾角均為180°-α/2。г蚧器人坐標(biāo)系下的速度到三輪速度之間的關(guān)系如下[4]:

ω1

ω2

ω3=1Rcos(α/2)sin(α/2)L

-10L

cos(α/2)-sin(α/2)Lvxvyω

(1)

由式(1)可以看到:知道了機(jī)器人在平面世界坐標(biāo)系中的速度要求后,便可以得到主動(dòng)輪的速度要求,進(jìn)而對(duì)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。

2 運(yùn)動(dòng)控制方案

本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路[5]如圖2所示,首先通過RS 232接口,實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與底層控制芯片F(xiàn)PGA的通信,FPGA在接收到相關(guān)的機(jī)器人坐標(biāo)系下的速度后,將機(jī)器人坐標(biāo)系下的速度值轉(zhuǎn)化成機(jī)器人3個(gè)全向輪子的角速度,將得到的角速度值計(jì)算出相應(yīng)的占空比,生成相應(yīng)占空比的PWM波形,輸出信號(hào)接到直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,然后通過FPGA采集正交編碼盤信號(hào),計(jì)算出輪子實(shí)際的角速度值,做PID速度閉環(huán)控制。鑒于FPGA模塊復(fù)制的優(yōu)勢,這里對(duì)每個(gè)全向輪分別做了PID閉環(huán)控制。

圖1 全方位移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

圖2 運(yùn)動(dòng)控制框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用的三輪全方位移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)框圖如圖3所示[6],上位機(jī)主要完成圖像信息的采集、處理、路徑規(guī)劃,并實(shí)現(xiàn)與場外裁判盒的通信。下位機(jī)主要是FPGA,主 要實(shí)現(xiàn)三輪編碼信號(hào)的采集,PID速度閉環(huán)控制,踢球控制,電機(jī)控制信號(hào)的產(chǎn)生,還有其他的傳感器 信息的采集等,并負(fù)責(zé)與上位機(jī)之間的信息交互。本設(shè)計(jì)只是完成了下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制部分。

圖3 全方位移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)

3.1 正交編碼信號(hào)采集與測速實(shí)現(xiàn)

增量式光電編碼器輸出信號(hào)如圖4所示。

圖4 編碼器信號(hào)圖

A、B兩相信號(hào)是相位相差90°的正交方波脈沖串,每個(gè)脈沖代表被測對(duì)象旋轉(zhuǎn)了一定的角度,A、B之間的相位關(guān)系則反映了被測對(duì)象的旋轉(zhuǎn)方向。在FPGA中設(shè)計(jì)4倍頻和鑒向電路,本設(shè)計(jì)采用2路輸出:一路輸出方向,另一路輸出脈沖,并對(duì)鑒向倍頻電路進(jìn)行仿真,如圖5所示。

圖5 4倍頻電路仿真圖

根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來測量轉(zhuǎn)速的方法有M法、T法以及M/T法3種。M法適用于高速測量場合,在低速時(shí)有較大的誤差;而T法,恰恰相反,在低速時(shí)測量準(zhǔn)確,高速時(shí)誤差較大。

本設(shè)計(jì)采用文獻(xiàn)[7]所描述的方法。該方法如圖6所示,設(shè)定參考閘門時(shí)間為固定的1個(gè)值,它只是作為參考信號(hào)和編碼信號(hào)共同確定實(shí)際的閘門時(shí)間。這樣確定的閘門時(shí)間為被測信號(hào)的整周期倍,能夠有效提高測量精度。則測得的速度為[7]:

v=360°fM1/(2NM2) (2)

3.2 增量式PID控制原理及其FPGA實(shí)現(xiàn)

實(shí)際機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型不可避免地存在一定程度的參數(shù)不確定性,且三輪全方位移動(dòng)機(jī)器人的正交全向輪在行走時(shí)會(huì)與地面交替接觸而產(chǎn)生一些不確定摩擦轉(zhuǎn)矩,這些都會(huì)給機(jī)器人的精確控制帶來難度[8]。為了對(duì)三輪全方位移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行精確的控制,系統(tǒng)采用PID速度閉環(huán)控制算法對(duì)機(jī)器人的3個(gè)全向輪進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。

圖6 變M/T法測速原理圖

令采樣周期為TS,將連續(xù)PID公式離散化后可得到數(shù)字PID算法表達(dá)式[9]:

u(k)= KPe(k)+TSTI∑kj=0e(j)+

TDTS[e(k)-e(k-1)](3)

其中,令:KI=KP(TS/TI),KD=(TD/TS)У:

u(k)=KPe(k)+KI∑kj=0e(j)+KD[e(k)-e(k-1)] (4)

式中:k為采樣序號(hào);u(k)為第k個(gè)采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值;e(k)為第k個(gè)采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸入誤差值;e(k-1)為第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的輸入誤差值;KP為比例系數(shù);KI為積分系數(shù);KD為微分系數(shù)。

這種算法雖然比較直觀,但由于是全量輸出,所以每次輸出均與過去的所有狀態(tài)有關(guān),計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加,Ъ撲慊運(yùn)算量大。

于是產(chǎn)生了增量式PID算法:

Δu(k)=u(k)-u(k-1) (5)

Δu(k) =KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

=(KP+KI+KD)e(k)-(KP+2KD)e(k-1)+KDe(k-2)

令:

A=(KP+KI+KD),B=(KP+2KD),C=KD

所以有:

Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) (6)

u(k)=u(k-1)+Δu(k) (7)

上述公式(7)為增量式PID控制算法。只輸出控制增量,誤動(dòng)作影響較小,且控制增量只與最近幾次的采樣值有關(guān),容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果[2]。

根據(jù)以上公式推導(dǎo),結(jié)合FPGA的工作特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了適合FPGA的增量式PID實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)[10]。

由圖7可以看出,增量式PID控制算法程序結(jié)構(gòu),只要最近的3個(gè)誤差采樣值就可以加權(quán)計(jì)算。這在FPGA內(nèi)部完全可以并行實(shí)現(xiàn),移位部分結(jié)構(gòu)類似FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu),難點(diǎn)是FPGA設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)有符號(hào)數(shù)的熟練操作和保證累加器不能溢出。

圖7 增量式PID實(shí)現(xiàn)框圖

一種高效的硬件測試手段和系統(tǒng)測試方法,它能夠獲取并顯示可編程片上系統(tǒng)(SOPC)的實(shí)時(shí)信號(hào),它可以隨設(shè)計(jì)文件一起下載到FPGA中,用于捕捉FPGA內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和I/O引腳的狀態(tài),就如同使用真的邏輯分析儀一樣,對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行在線仿真,但又不影響硬件系統(tǒng)的工作[11]。

為了檢驗(yàn)測得的全向輪實(shí)際速度值是否準(zhǔn)確,對(duì)設(shè)計(jì)的測速模塊進(jìn)行了在線仿真。設(shè)定每個(gè)全向輪以固定的速度轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)比測得的實(shí)際速度值和設(shè)定的速度值,如圖8所示。

圖8 測速模塊在線仿真圖

在嵌入式邏輯分析儀中,對(duì)PID模塊也進(jìn)行了在線測試。實(shí)驗(yàn)條件:在空載條件下,頻繁變化電機(jī)的速度,通過嵌入式邏輯分析儀觀察FPGA內(nèi)部PID調(diào)節(jié)后的速度值和設(shè)定值,圖9所示為一號(hào)全向輪的速度設(shè)定值與反饋速度值。

三輪全方位移動(dòng)機(jī)器人與雙輪差速不同,具有很大的靈活性,況且由于3個(gè)全向輪的負(fù)載的不同,使得機(jī)器人不能走出精確的直線。而要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確控制,一個(gè)前提就是讓它能夠走出很直的直線。為檢驗(yàn)機(jī)器人控制性能,設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn):機(jī)器人以固定速度分別向前后左右4個(gè)方向行走,先觀察沒有加入PID控制算法時(shí)的情況,然后再觀察加入PID控制算法時(shí)的情況。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。

表1 PID控制算法對(duì)機(jī)器人性能的影響

前后直線運(yùn)動(dòng)左右直線運(yùn)動(dòng)

沒有PID控制算法直線運(yùn)動(dòng)(4 m)劃出直徑約為3 m的圓圈

加入PID控制算法直線運(yùn)動(dòng)(6 m)直線運(yùn)動(dòng)(6 m)

圖9 PID控制器硬件仿真

分析:由于機(jī)器人的3個(gè)全向輪所承受的負(fù)載不一樣,即在相同的占空比的PWM下,3個(gè)輪子的實(shí)際速度并不相同,這就使得三輪速度不可能準(zhǔn)確合成機(jī)器人的速度,進(jìn)而影響機(jī)器人的控制軌跡。根據(jù)圖1所示的機(jī)器人1號(hào)輪和3號(hào)輪負(fù)載相當(dāng),2號(hào)輪子承受的負(fù)載較大,沒有加入PID控制器時(shí),前后運(yùn)動(dòng)雖然在一定范圍內(nèi)近似直線,但是機(jī)器人運(yùn)行的速度達(dá)不到預(yù)期設(shè)定的速度,左右運(yùn)動(dòng)軌跡就是一個(gè)圓,而且設(shè)定的機(jī)器人左右移動(dòng)速度大小還決定了機(jī)器人是朝順時(shí)針方向還是逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)圈。加入PID控制算法后,輪子的速度得到校正,機(jī)器人能夠以預(yù)期設(shè)定的速度前后左右運(yùn)動(dòng),特別是左右運(yùn)動(dòng)在一定范圍內(nèi)近似為直線,不再是圓圈?？梢奝ID閉環(huán)控制算法明顯提高了機(jī)器人的控制性能。

5 結(jié) 語

針對(duì)目前常見的以DSP為核心實(shí)現(xiàn)足球機(jī)器人底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的方案,提出了一種采用FPGA實(shí)現(xiàn)三輪全方位移動(dòng)足球機(jī)器人的底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的方法。通過在三輪足球機(jī)器人上的應(yīng)用實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)這種采用FPGA實(shí)現(xiàn)的方案有很好的實(shí)時(shí)性,精確度較高,而且由于FPGA本身的引腳多特點(diǎn),其可擴(kuò)展性較強(qiáng),比如可以通過串口配置數(shù)字羅盤等信息傳感器等其他傳感器,同時(shí),本設(shè)計(jì)對(duì)于研究多電機(jī)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案有重要的參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

另外,由于全向輪的隨動(dòng)性較強(qiáng),且易打滑,在實(shí)行精確控制的時(shí)候方向容易受到影響,而且PID閉環(huán)控制算法反應(yīng)時(shí)間較長,參數(shù)還需要更多時(shí)間的調(diào)試,在以后的研究中,我們將研究更為精確的控制算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的精確控制。

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篇10

關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制；四輪全向機(jī)器人；模糊PID

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2009)05-131-03

Research on Fuzzy PID Motion Control of Omni-directional Robot

TIAN Qi,ZHANG Guoliang,LIU Yan

(Second Artillery Engineering University,Xi′an,710025,China)

Abstract：Through analysing the kinematics model of soccer robot,considering time change,nonlinear and other characteristics of this system,a control method combining fuzzy control with traditional PID control is presented.To contrapose the problems of robot soccer motion system,the methods of dynamically regulate the three PID parameters based on fuzzy control is presented.The improvement of control effect is verified by experimental results.

Keywords：mobile robot;motion control;four wheeled omni-directional robot;fuzzy PID

0 引 言

移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)［1］，其運(yùn)動(dòng)控制是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，也是移動(dòng)機(jī)器人軌跡控制、定位和導(dǎo)航的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制常采用PID控制算法，其特點(diǎn)是算法簡單，魯棒性強(qiáng)，可靠性高，但需要精確的數(shù)學(xué)模型才對(duì)線性系統(tǒng)具有較好的控制效果，然而它對(duì)非線性系統(tǒng)的控制效果并不非常理想。模糊控制不要求控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因而靈活、適應(yīng)性強(qiáng)。可是，任何一種純模糊控制器本質(zhì)上是一種非線性PD控制，不具備積分作用，所以很難在模糊控制系統(tǒng)中消除穩(wěn)態(tài)誤差。針對(duì)這個(gè)問題，采用模糊PID控制方法，將模糊控制器和傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，使其既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。

1 全方位移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

研究的是由第二炮兵工程學(xué)院自主研制的全自主移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)東風(fēng)-Ⅱ型足球機(jī)器人。東風(fēng)-Ⅱ型機(jī)器人采用了四輪全向移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式，具有全向運(yùn)動(dòng)能力的系統(tǒng)使機(jī)器人可以向任意方向做直線運(yùn)動(dòng)，而之前不需要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且這種輪系可滿足一邊做直線運(yùn)動(dòng)一邊旋轉(zhuǎn)的要求，以達(dá)到終狀態(tài)所需要的任意姿態(tài)角。全向輪系的應(yīng)用將使足球機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)快速靈活，控球穩(wěn)定，進(jìn)攻性強(qiáng)，以及易于控制等優(yōu)點(diǎn)，使機(jī)器人在賽場上更具競爭力。

1.1 全向輪

該機(jī)器人采用在大輪周圍均勻分布小輪子的全向輪，大輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)；小輪可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。這種全方位輪可有效避免普通輪子不能側(cè)滑所帶來的非完整性約束，使機(jī)器人具有平面運(yùn)動(dòng)的全部三個(gè)自由度，機(jī)動(dòng)性增強(qiáng)。基于以上分析，選擇使用這種全向輪。

1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型前，先做以下假設(shè)：

(1) 小車是在一個(gè)理想的平面上運(yùn)動(dòng)，地面的不規(guī)則可以忽略。

(2) 小車是一個(gè)剛體，形變可以忽略。

(3) 輪子和地面之間滿足純滾動(dòng)的條件，沒有相對(duì)滑動(dòng)。

全方位移動(dòng)機(jī)器人由4個(gè)全向輪作為驅(qū)動(dòng)輪，它們之間間隔90°均勻分布(如圖1所示)，其簡化運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖6所示。其中，xw-yw為絕對(duì)坐標(biāo)系；xm-ym為固連在機(jī)器人車體上的相對(duì)坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點(diǎn)與機(jī)器人中心重合。θ為xw與xm的夾角；δ為輪子與ym的夾角；L為機(jī)器人中心到輪子中心的距離；vi為第i個(gè)輪子的沿驅(qū)動(dòng)方向的速度［2］。

圖1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型

可求出運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下：

v1=-sin(δ+θ)w+cos(δ+θ)w+L

v2=-sin(δ-θ)w-cos(δ-θ)w+L

v3=sin(δ+θ)w-cos(δ+θ)w+L

v4=sin(δ-θ)w+cos(δ-θ)w+L(1)

因?yàn)檩喿訛閷?duì)稱分布，常數(shù)δ為45°，故得到全向移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型：

v=Ps(2)

其中：v= ［v1 v2 v3 v4］T為輪子的速度；s=［w w ］T為機(jī)器人整體期望速度。

P=-sin(45°+θ)cos(45°+θ)L

-sin(45°-θ)-cos(45°+θ)L

sin(45°+θ)-cos(45°+θ)L

sin(45°-θ)cos(45°-θ)L

P為轉(zhuǎn)換矩陣。

這樣，就可以將機(jī)器人整體期望速度解算到4個(gè)輪子分別的速度，把數(shù)據(jù)傳送到控制器中，可以完成對(duì)機(jī)器人的控制。

2 基于模糊PID的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

目前，常規(guī)PID控制器已被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域，但常規(guī)PID控制器不具備在線整定控制參數(shù)kP,kI,kD的功能，不能滿足系統(tǒng)的不同偏差對(duì)e和偏差值變化率ec及對(duì)PID參數(shù)的自整定要求，因而不適用于非線性系統(tǒng)控制。

結(jié)合該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行條件，設(shè)計(jì)采用模糊PID控制方法來實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)機(jī)器人車輪轉(zhuǎn)速大范圍誤差調(diào)節(jié)，將模糊控制和PID控制結(jié)合起來構(gòu)成參數(shù)模糊自整定PID算法用于伺服電機(jī)的控制，使控制器既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)，使運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)兼顧了實(shí)時(shí)性高，魯棒性強(qiáng)及穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并可通過模糊控制規(guī)則庫的擴(kuò)充，為該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方便添加其他功能［3］。

2.1 參數(shù)模糊自整定PID的結(jié)構(gòu)

模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，系統(tǒng)的輸入為控制器給定輪速，反饋值為電機(jī)光電碼盤反饋數(shù)字量，ΔkP,ΔkI,ΔkD為修正參數(shù)［4］。PID控制器的參數(shù)kP,kI,kD由式(3)得到(kP′,kI′,kD′為PID參數(shù)初值)：

kP=kP′+ΔkP

kI=kI′+ΔkI

kD=kD′+ΔkD(3)

由此，根據(jù)增量式PID控制算法可得到參數(shù)自整定PID控制器的傳遞函數(shù)為：

u(k)=u(k-1)+(kP+ΔkP)+

(kI+ΔkI)e(k)+(kD+ΔkD)?

(4)

圖2 自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu)

2.2 速度控制輸入/輸出變量模糊化

該速度控制器的輸入為實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的偏差值e，以及偏差值的變化率ec；輸出量為PID參數(shù)的修正量ΔkP,ΔkI,ΔkD。它們的語言變量、基本論域、模糊子集、模糊論域及量化因子如表1所示［5］。

表1 輸入、輸出量的模糊化

變量

eecΔkPΔkIΔkD

語言變量EECΔKPΔKIΔKD

基本論域{-60,60}{-60,60}{-3,3}{-1.5,1.5}{-0.8,0.8}

模糊子集NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB

模糊論域{-3,+3}{-3,+3}{-3,+3}{-3,+3}{-3,+3}

量化因子0.050.05123.75

在模糊變量E和EC以及輸出量ΔKP,ΔKI,ΔKD的語言變量和論域確定后，首先必須確定模糊語言變量的隸屬度［6］。常用的隸屬函數(shù)有B樣條基函數(shù)、高斯隸屬函數(shù)、三角隸屬函數(shù)等，考慮到設(shè)計(jì)簡便及實(shí)時(shí)性的要求，采用了三角隸屬函數(shù)。

2.3 參數(shù)自整定規(guī)則

模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對(duì)kP，kI，kD三個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制表。根據(jù)kP，kI，kD三個(gè)參數(shù)各自的作用，可制定模糊控制規(guī)則。以kP為例，所列規(guī)則見表2，kI，kD可類似推出。

表2 kP的模糊規(guī)則表

eec

NBNMNSZOPSPMPB

NBPBPBPMPMPSZOZO

NMPBPBPMPSPSZONS

NSPMPMPMPSZONSNS

ZOPMPMPSZONSNMNM

PSPSPSZONSNSNMNM

PMPSZONSNMNMNMNB

PBZOZONMNMNMNBNB

2.4 輸出量解模糊

依據(jù)速度模糊控制參數(shù)整定規(guī)則確定輸出量后，得到的只是一個(gè)模糊集合，在實(shí)際應(yīng)用中，必須用一個(gè)精確量控制被控對(duì)象，在模糊集合中，取一個(gè)最能代表這個(gè)模糊集合的單值過程稱為解模糊裁決。常用的解模糊算法有最大隸屬度法、加權(quán)平均法等，根據(jù)實(shí)際情況，采用加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊。此時(shí)，模糊控制器輸出可表示為：

μ=∑μ(ui)?ui∑μ(ui)(5)

最后，根據(jù)式(3)可得到最終的PID控制器參數(shù)。模糊PID控制程序流程圖如圖3所示。

圖3 模糊PID控制程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證參數(shù)模糊自整定PID控制器的有效性，對(duì)直流電機(jī)分別做了常規(guī)PID控制和模糊PID控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中給定輪速為50 min，圖4為采用常規(guī)PID控制方法控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速；圖5為采用模糊PID控制方法控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速。從結(jié)果看，采用參數(shù)模糊自整定PID算法能夠明顯降低超調(diào)量，加快響應(yīng)速度，改善控制系統(tǒng)對(duì)輪速的控制效果。

圖4 采用常規(guī)PID控制

圖5 采用參數(shù)自整定PID控制

4 結(jié) 語

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是整個(gè)Robocup機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),在場上的表現(xiàn)直接影響了整個(gè)足球機(jī)器人系統(tǒng)。以足球機(jī)器人為平臺(tái)，考慮到系統(tǒng)的時(shí)滯性和非線性，采用了模糊控制與PID控制相結(jié)合的方式，并在自行研制的足球機(jī)器人上進(jìn)行了速度控制的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，該方法彌補(bǔ)了常規(guī)PID控制應(yīng)用在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度控制時(shí)超調(diào)量大，響應(yīng)時(shí)間長的缺點(diǎn)，可以取得理想的效果。目前該方法已應(yīng)用于足球機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，并在第七屆中國機(jī)器人大賽暨ROBCUP中國公開賽中取得了優(yōu)異的成績。

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