通用型机器人关节运动控制器的研制

论文摘要

随着机器人应用技术的发展,多关节机器人或者机械臂的应用越来越广泛。关节运动控制器作为机器人控制系统的核心,其控制精度和实时性的要求也越来越高。本课题主要研究目标是针对实验室四关节机器人,研制出一种通用的基于DSP的机器人关节运动控制器,实现对机器人关节的实时精确控制。本文作者介绍了工业机器人及其关节运动控制器相关技术的发展,分析永磁同步电机的结构特点并对其建立了数学模型,研究了永磁同步电机的矢量控制方法,采用预测函数控制方法,实现动态、快速的位置控制,并在此基础上确定了关节运动控制器的控制方案。硬件方面,采用电机控制专用处理器TMS320LF2407A作为控制电路的核心,以三相不控整流模块、功率因数校正电路、储能滤波电容和智能功率模块PS21564构成交-直-交电压型主回路。由控制电路输出6路PWM信号来触发主回路逆变器的动作从而实现对永磁同步电机的驱动。根据TMS320LF2407和PS21564的特点,设计了DSP外围电路、通讯接口电路、电流检测、速度/位置检测电路、模拟量输出电路、故障检测及保护电路等外围电路,构成了一个通用的交流伺服电机运动控制硬件平台。软件方面,电机控制算法由DSP编程实现。采用基于id=0的转子磁场定向矢量控制方法,完成永磁同步电机的解耦控制;电流调节器与速度调节器均采用积分分离的数字PI控制算法,位置调节器采用预测函数控制方法,以实现动态、快速的位置控制,逆变器采用SVPWM调制策略;并在实际应用中设计了功能软件;为了便于软件的移植与修改,给出了基于μC/OS-Ⅱ的软件构架。对通用型机器人关节运动控制器样机进行了硬、软件测试,使用该关节运动控制器对交流永磁同步电动机进行了联机调试。实验数据表明,该样机性能稳定,运行可靠,不仅适用于本实验室四关节PR机器人关节运动控制,也适合其他交流电机的运动伺服控制,具有一定的实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 机器人及其关节运动控制的发展
• 1.1.1 机器人发展综述
• 1.1.2 关节运动控制器的发展现状
• 1.2 运动控制的技术发展
• 1.2.1 运动控制技术的发展
• 1.2.2 先进系统控制策略
• 1.3 课题来源与研究目标
• 1.4 研究内容与论文结构
• 1.5 本章小结
• 第二章 通用型机器人关节运动控制器设计方案
• 2.1 关节运动控制器的总体方案设计
• 2.2 关节运动控制器核心器件选型
• 2.2.1 伺服电动机及其技术参数
• 2.2.2 控制电路核心处理器的选择
• 2.2.3 主回路电力电子器件的选择
• 2.3 关节运动控制器控制策略设计
• 2.3.1 电流调节器的设计
• 2.3.2 速度调节器的设计
• 2.3.3 基于PFC-PID串级位置调节器的设计
• 2.4 基于SVPWM的逆变器调制策略
• 2.5 本章小结
• 第三章 交流永磁同步电动机的数学建模与PFC算法研究
• 3.1 永磁同步电机的结构及特点
• 3.2 永磁同步电机的数学模型
• 3.2.1 坐标变换及变换矩阵
• 3.2.2 数学模型
• 3.3 永磁同步电机的矢量控制方法
• d=0控制方式的永磁同步电机调速系统'>3.4 基于i_d=0控制方式的永磁同步电机调速系统
• d=0控制方案的实现'>3.4.1 i_d=0控制方案的实现
• 3.4.2 永磁同步电机的初始定位
• 3.5 基于预测函数控制的位置伺服控制算法的研究
• 3.5.1 预测函数控制
• 3.5.2 控制算法
• 3.5.3 结构分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 关节运动控制器的硬件设计
• 4.1 关节运动控制器硬件总体结构
• 4.2 主回路设计
• 4.2.1 直流母线电压等级
• 4.2.2 整流电路
• 4.2.3 APFC功率校正电路
• 4.2.4 储能、滤波电路
• 4.2.5 逆变电路
• 4.2.6 系统电源电路
• 4.3 信号检测电路与保护电路设计
• 4.3.1 电流检测电路
• 4.3.2 位置、速度检测电路
• 4.3.3 直流母线保护电路
• 4.3.4 IPM模块保护电路
• 4.4 控制电路设计
• 4.4.1 DSP最小系统电路
• 4.4.2 D/A输出电路
• 4.4.3 PWM信号驱动电路
• 4.4.4 通用I/O电路
• 4.4.5 通讯接口电路
• 4.4.6 操作面板电路
• 4.5 硬件设计中的抗干扰措施
• 4.6 本章小结
• 第五章 关节运动控制器的软件设计
• 5.1 控制算法的实现
• 5.1.1 常规PI控制算法实现
• 5.1.2 基于PFC-PID串级预测函数控制的算法实现
• 5.1.3 程控变增益数据采集软件设计
• 5.1.4 SVPWM的软件实现
• 5.2 DSP电机控制程序结构
• 5.3 功能软件的设计
• 5.3.1 操作面板的软件设计
• 5.3.2 RS-232串行通讯软件设计
• 5.3.3 CAN总线通讯的软件设计
• 5.4 基于嵌入式实时操作系统的软件构架
• 5.5 本章小结
• 第六章 通用型机器人关节运动控制器的性能测试与运行
• 6.1 关节运动控制器的样机原型
• 6.2 系统测试
• 6.2.1 硬件电路模块测试
• 6.2.2 软件模块测试
• 6.2.3 运动控制器运行测试
• 6.3 本章小结
• 第七章 课题总结与展望
• 7.1 课题工作总结与收获
• 7.2 改进建议及后续工作展望
• 7.3 本章小结
• 参考文献
• 附录
• （1） 通用型机器人关节运动控制器控制板电路图
• （2） 通用型机器人关节运动控制器驱动板电路图
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果