（机械电子工程专业论文）基于现场总线的开放式多轴运动控制器设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 在我国工业自动化水平不断提高的大背景下，工业机器人的装机总量也逐年增长，在 广大工业生产制造现场得到了良好的应用。根据权威预测，国内机器人安装量将以每年 2 5 的速度递增。运动控制器作为工业机器人运动控制系统的核心，在现代工业控制中的 作用日益增大，其性能直接关系到被控对象的工作性能和工作效率。 基于实验室自主研发的“钱江一号”6 自由度弧焊机器人这一实验平台，以及刘华山、 吴剑波等人关于多轴运动控制器的先期工作之上，本课题旨在引入工业现场总线这一通信 方式来设计新一款多轴运动控制器，利用其高通用性和高可靠性的特点，实现现有的运动 控制器向高开放性和模块化设计方向升级。不仅实现焊接机器人焊接过程中实时轨迹规划 以及六个关节协调动作，还能够通过板卡叠加而向更多轴数控制方向的扩展。从长期来看， 具有现场总线通信模块的多轴运动控制器可以胜任多机实时交互式通信，从而实现工业现 场多机协同作业的功能。 本文对于该新一代运动控制器，在充分调研国内外同产品通用设计架构的前提下，确 定p c 机+ 控制器的总体设计方案。控制器依然采用d s p 作为主控单元，辅以c p l d 最终 完成多轴协调运动。控制过程中，依靠d s p 强大的数据处理能力进行电机控制，c p l d 进 行相关的逻辑控制和i o 扩展。通过总线调研，选用具有高兼容性和高可靠性的c a n ( c o n n d l l e r 触a n e 觚o r k ) 现场总线作为多轴运动控制器板卡和p c 机通信媒介，所有实 时数据和控制指令通过c a n 现场总线传输，完全能够满足其传输的速率和稳定性要求。 伺服电机控制方面，论文在简要介绍伺服电机控制模式后，确定控制器采用速度控制 模式。并就电机控制策略上，针对机器人系统在仅有位置传感、驱动器饱和、存在建模不 确定性及干扰等条件下的轨迹跟踪控制问题，提出了一种新的自适应p i d 控制方案。通过 仿真结果比较得出该方案在系统具有干扰和不确定性因素下具有良好的控制性能。 软件上，完成对运动控制器功能的实现，包括c a n 现场总线的通信协议实现；p c 上 位机操作界面的扩展性设计；以及运动控制上的单电机控制算法实现等。 最后，运动控制器设计成功后硬件的调试，以及在基于此硬件系统的控制算法上机实 验过程和出现的问题，均在本文中得以体现。并且为下一步的研究提供参考 关键词：工业机器人；多轴运动控制器；现场总线；电机控制；自适应p i d l 浙江大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a ja u t o m a t i o ne q u i p m e n t ，i n d l i s t r i a lr o b o t ( i r ) ，舔o n eo f t 1 1 ei n o s t s i g i l i f i 伽l tm a n u f i a c t i l r i i 垮f i a c i l i t i e s ，b a s s e e nd r a m a t i c a l l yg r o w i l l gn l e s ey e a r s a c c o r d m gt o 蛐r 胁i v ee s t j m a t e ，吐l e 锄o u n to fd o m e s t i cr o b o tm a n i p u l a t o r sw i l li i l c r e a _ s eb y 2 5 e v 唧y e 配w h 订eb e i n gt h ec o r ec o m p o n e m o fi rc o n 仃0 1s y 妣m ，m u l t i - a ) 【i sc o n n d l l e r s a r ep l a y i n gm o r ea i l dm o r ei n l p o r t a mr o l e si l li i l d u s t r i a l p r o d l l c i l l g f i e l d s t h ew o f b n g p e 墒册a 1 1 c ea 1 1 de 伍c i e n c i e so fi ra r el a r g e l yd 印e n d e do n 也eq 砌毋o f m u l t i a ) 【i sc o n 们l l e r s b 嬲e do nt h ev e 巧e x p e r i m e n t a lp l a t f o n l l “9 砌巧砌，州”6 - d o fa r c w e l d i n gi r 锄dp r i o r e 旋c t i v ew o r k sb yh l l a s h 锄l i ua n dj i a i l b 0w 也t h i sp r o j e c ta i l i l sa td e s i g i l i n g 觚u p d a t e m u l t i - a ) 【i sm o t i o nc o n 缸o l l e r ( m a m c ) b yi i l 仃o d u c i n gi 1 1f i e l b u s ，i 1 1t l 僦c a s ee n d o w s 廿l i sc o n t r o l s y s t e mm o r es t a b i l 时觚di l 址ei ta 蛐d a r d i z e dm o d u l e mn e w e d i t i o no fm a m cb o a f dh a s s e v e r a la d v 锄t a g e so v e rp r e v i o l i s 锄do t l l e rl 【i i l do fm o t i o nc o 姗的l l e r s ，s u c h 嬲s 咖n g e r c 印a b i l i t i e st og e ti ti i l t e 伊a t e di i l t oo m e rs y s 锄吡s 觚db e i n g1 1 1 0 r e 印讲o p r i a ：c ef o rs e l f - e x p a i l d i i l g b yc o 皿e c t i n gc e r t a i nn 瑚曲e ro fc o n n d i l e r st o g e 廿l e rb y 丘e l d b u s t h e 鹏wm 枷cs y s t e mn o to i l l ya c l l i e v e sr e a l t i m e 缸匈e c t 0 巧p l 砌n g 锄dc o o r d i n a t i o n o f6j o n si l l w e l d i i l gp r o c e s s ，b u tc 趾b e 印p l i e di n 廿l e0 c c 雏i o nw 1 1 e 1 em o r e 也a i l6j o i 鹏 c o n n o l l i n gi s n e e d e d b e f o r e l o n g ，t l l en e wm 舢订c 、) l ，i l lb e 嘶t a b l ef o ri n u l t i - r o b o t c 0 删m l i l i c a t i o i l si nf u l l ya u t o m a t i cm a i l u 鼠c t i j r i n g 锄巴豁，b e c a u s eo ff i e l d b u s a b i l 时o fr e a l t i m e 纰e x c h 龃g e 触c r 如ui n v e s t i g a t i o ni n t om o t i o nc o n 仃0 l l e r sb o t t ld o m e s t i c a l l y 锄da b r o a d ，“i s d e t e m i i l l e dt 0a d o p tt l l ep c + m a m cs 仃u c t u r e 舔l ef i m ls o l 嘶0 n 1 km a m cs y s t e mc o n s i s t s o ft 、) l ，op a r t s ：胧i i l lc o n 咖lb o 捌a n dp o nb o 砌m a i l lc o n 仃o lb o 砌c h o o 辩sd s p + c p l da s f e a n 鹏i r n p l e m e n 僦i o n 出p s ，、 7 ：1 1 i l ep o r tb o a r df i m c t i o 璐弱p 0 、v e rs u p p l yi s o l a t o r 锄ds i g n 址 f i l t e r 晰t h l ep 0 惯彻d a 协p r o c e s s 砸gc 印a b i l i t i e so fd s pa n de x c e l l e n tl o 西c a lc o n t r o l p r o g 馏m m i n gp e 墒彻舳c eo fc p l d ，m en e wm 舢订cc 孤b eq u a l i f i e d t 0a c l l i e v em o t i o n c o n 舡d l l i n g 、) l ，i t l l1 1 i 曲c u 瑚l c y b e s i d e s ，c p l dc 缸b e 璐e df o r 伙) p o r t se x p 锄也d l i c hc 觚 佗c e i v em o r es i 鲫l a l s 丘o m 孵r v ou i l i t sa t 彻et i r m w h “c o m e s 协f i e l d b 璐，c a n ( c o n 臼1 0 l l e ra 佗an e 觚o r k ) f i e l d b u sb e c 锄et h eb e s t l l 淅江大学硕士学位论文 摘要 c h o i c ed u et oi t s 丽d ec o m p a t i b i l 时a 1 1 dr e l i a b i l i 够砧1 血ei 咖t i o i l s 矗o mp ct 0m a m c 锄d f e e d b a c kd a ：t aa r et r a n s f e n e dt l l r o u 曲c a nb u s a st os e n ，o m o t o rc o m r o l ，t h i sp a p e rp r e s e m ss o m ea j g o r i m i n sf o rc o m r o ls n a t e g y a n e r d i s c u s s i n gc o n t r o lm o d e 锄di m r o d u c i i 培t h em e t l l o d o i o g y t h er e a l i 动t i o no ft l l e s ea l g o r i t l l l t l s b yp r o 伊删n gt o g e m e r 嘶ld e b u g g i n gi s 甜s oe l a b o r a t e d m o r e o v e r ，f o r 删e c t o 巧打a c l ( i n go f r o b o ti m m p u l a t o r s 、析t l l0 1 1 l yp o s i t i o nm e 踟r e m e m ，l 砌t e dt o r q l l e sm o d e l i i l g c e n a i n t i e s2 u l d d i s t u r b a n c e s ，i tp r o p o s e dan 0 v e la d a p t i v ep i dc o n 仃0 1a l g o 瑚1 1 1 1 f i n a j l yt l l i sa l g o r i t l 衄i s p r o v e dt ob ew e l lp e r f o m l e di 1 1 似o - j o 缸r o b o tm a i l i p u l a t o r t h es e to fs o 小a r e 础l i e v e s 辩v e m l 如n c t i o i l s ：f i r s t l y c o m p l e t i n gb a s i cm o t o r c o n t r o l l i n g o fma m c ，l i k ec p l d 锄dd s p 妇仃u 嘶o l l sp r o 霞吼i i l i n g ；t h e np ch 啪如一l a c h i i l ei m e 瑚屺t i o n 血e r f i a c e 龇l dr e a l i z a l i o no fc a nf i e l d b 砸c o m m l l i l i c a t i o np r o t o c o l s ；锄df m a l l y ，m em o t i o n c o n t r o la l g o r i m m a tt l l ee n do f t h i sp a p e r ，n l ep r o b l e m sd l h j m gd e b u g g i i l gb o t l li i l1 1 a r d w 啪锄ds o r w 2 u r ea s w e n 舔r e s p e c t i v es o l u t i o 娜a r ed e m o 越黼d ，f o rm e s a k eo f 如t u r ei m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：a r c w e l d 魄i n d u 而a lr o b o t ；m l l l t i a ) 【i sc o i 帅l l e r ；f i e l d b u s ；m o t o r c o n 仃0 l a l g 砸t l l i n ；a d a p t i v ep i dc o n 仃o l n l 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 慕江南文化氛围以及浙大严谨教育之名，我只身来到杭州，期待人生有个更长远的发 展。日月如梭，转眼闻我的研究生生活就将结束，即将走入社会。回首过去的时光，我学 到了很多知识，身边发生了很多故事，同时也认识了许多朋友，是他们让我成长，是他们 让我对生活充满了热爱，我有太多感谢要说。 首先我要感谢的是我的导师一一朱世强教授，朱老师给我了成长的机会，给了我发展 的空间，同时也教会了许多知识和做人的道理；朱老师严谨的工作作风，实事求是的精神 以及对事情一针见血的见解，让我深深的折服，是我一生为之学习和努力的方向。感谢朱 老师在我困难时候的关心和帮助，让我得以走出低谷，感谢朱老师对我的鼓励和鞭策。 感谢王宣银教授，在这两年来的谆谆教诲令我受益匪浅，每次的课题组会都极大丰富 了我的视野。同时王老师严谨的工作作风也时刻激励着我，是王老师时不时的监督和敲打 让我有了科研和学习的紧迫感，遇到困难时王老师也能指明方向。感谢王老师的辛勤培养。 感谢丁渊明老师、张学群师兄、刘松国师兄、刘华山师兄、王会方师兄、吴文祥师兄、 闰莎莎师姐、吴剑波师兄悉心指点，感谢实验室张德胜、郑凌、马璇、陈志伟，赵利军、 陈庆诚、杜佳玮、靳兴来、毛江平、孟袁龙在生活上给予我的支持和帮助。 同时感谢我的同班同学，感谢你们对我学业上的帮助和影响，感谢你们让我的生活充 满了乐趣，感谢你们让我在这样一个优秀的集体中成长。 感谢在求学期间帮助和教导过我的老师，你们交给了我知识，让我得以一点一点进步， 你们交给了我学习的方法，让我能够自我成长，你们给予了我许多帮助，让我一路走来更 加顺利。 最后，我要特别感谢我的父母谢谢你们在我求学的生涯中一直支持着我，让我在前进 的道路上充满力量! 罗召成 2 0 1 2 年2 月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 l 绪论 1 1 引言 目前，机器人技术已经充分应用在了工业生产领域，从自动化装备、大规模生产线， 到无人车间，机器人技术从生生产方式上改变着人们的日常生活。工业机器人作为制造业 领域的重要装备，对行业竞争力的提升作用日趋明显。汽车工业因为新技术的推广及更大 产能的需求使得机器人的应用有所增加，其他应用领域的机器人也将在2 0 1 1 2 0 1 3 年以每 年l o 的速率迅猛增加，最终年销量将超出1 0 0 ，0 0 0 台，如表1 1 所示。中国随着产业结 构调整和优化升级和逐渐成为国际制造业中心，国内机器人市场将进一步增大i 。尤其是 经历了金融危机后，各国更加重视实体经济尤其是制造业的建设，也将更加注重工业自动 化的应用。工业机器人的市场将更加繁荣。 表1 1 世界机器人市场预测1 2 浙江大学硕士学位论文绪论 在此背景下，运动控制技术作为其中的核心组成部分，亦得到长足的发展，目前已成 为自动化技术的一个重要的分支。运动控制器则是运动控制技术中最具代表性的产品，其 性能优劣直接关系到生产效率和质量。 1 2 运动控制器概述 整体而言，运动控制系统( m o t i o nc o n t r o ls y s t e m ) 是指以电动机为控制对象，以控制器 为核心，敏感元件一般为传感器，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论 指导下所组成的电气传动自动控制系统，从而来实现转矩、速度等机械运动的控制。 随着现代控制技术的提高，运动控制器的出现在某种意义上满足了新型数控系统的标 准化、开放性的要求，为各种工业设备、国防设备以及智能医疗装置的自动化控制系统的 研制和改造提供一个统一的硬件平台。目前，大多数的运动控制器是一种基于p c 机或工 业p c 机的上位控制单元，多用于控制步进电机或伺服电机，在控制过程中，控制器可以 完成运动控制的所有细节( 包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位 等信号的检测等) 吼一般地，控制器都配有开放的函数库供用户在d o s 或w i n d o w s 系 统平台下自行开发，从而构造所需的控制系统1 4 】。 典型的p c + 运动控制器组成的开放式控制系统的简图如图1 1 所示。一般地，运动控 制器发送运动控制指令到伺服驱动器，由伺服驱动器驱动伺服电机运行，再通过伺服电机 上的编码器反馈信号返回至运动控制器，至此，整个运动控制系统实现运动控制器的闭环 控制。 霸一麟 计铭机运确控制器 图1 1典型的p c + 运动控制器组成的开放式控制系统的简图 1 2 1 运动控制器国内外最新研究现状 国外运动控制系统的相关研究开展较早，现代的开放式运动控制架构研究始于1 9 8 7 年美国空军提出的“n g c ( n e ) ( tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) ”计划。该计划提出了具有开放式 体系结果的控制器概念和标准，目标是使不同的设计人员可依据一定的规范开发具有互换 2 。二。 浙江大学硕士学位论文绪论 性和互操作性的控制器部件。 在2 0 世纪9 0 年代，国际发达国家就已经相继推出运动控制器产品，包括美国d e l t at a u 公司的p m a c 多轴运动控制器，英国t o 公司的p c l 2 0 8 多轴运动控制器以及德国 m o v t e c 公司开发的d e c 4 t 运动控制器等。近年来，运动控制器作为一个独立的工业自 动化控制类产品，已经被越来越多的工业领域所接受。目前，由这些发达国家研制的运动 控制器已开始在机器人控制、半导体加工，飞行模拟器等新兴行业得到了很大的应用，其 在传统的机床控制领域所占的市场份额也在不断的扩大。 我国的运动控制器行业起步较晚，开发相对落后，多轴运动控制器市场几乎被上述国 外产品所垄断。近年来，天津大学、东南大学和电子科技大学等科研院所对多自由度机器 人运动控制器进行了科研攻关，但到目前为止，基本还只停留在试验阶段【5 1 2 1 。设计方案 中多以p c i 高速总线作为多轴运动控制器与p c 机的通讯接口【8 ，l 1 1 。深圳固高科技作 为国内少有的多轴运动控制器专业开发公司，相继开发出g o 、g t 、g h ，和g u 系列基 于d s p 的p c 总线或网络嵌入式运动控制器产品，有近1 5 0 个品种可供用户选择。另 外，南京顺康数码科技有限公司基于日本的m c x 系列专用运动控制芯片也研发出了 m c 6 0 0 0 系列控制芯片，以及以该芯片为核心的运动控制平台。现将国内外主流产品部分 关键技术参数对比如下，如表1 2 所示。 表1 2 国内外控制器产品性能对比 比较参数列国外运动控制器产品国内运动控制器产品 公司d e l t a1 f i mm o v t e ct r i 0b a l d o r 固高顺康 代表产品 p m a c2d e c 4 t p c i 2 0 8p c i 2g t s vm c 6 4 1 4 主频m h z4 0 8 01 0 01 2 01 2 0 单通道平均 伺服周期“s 3 01 6 6 72 5 01 0 0 可控轴数 8 3 2484 d a 通道 输出精度 4 1 6 b i t 一 8 1 6 b i t4 1 6 b i t 现场总线支持否支持否 自身叠加p c i 0 4 一一 工业以太网 i o 口数目 3 2 可扩展 6 2 3 0 可扩展 3 2 二次开发方 p m a c 编程标准g 代码丁r i ob a s i c ，m i 眦】m t v c 、v b ，v c v b 语言、 类b a s i c c 、 v b 、v c 、v b 、v c 、 队州 烹： 式 v b ，v cv b 、v c c c 抖d e l p h i 浙江大学硕士学位论文 绪论 特色运动控 样条p t v 嚣， s 曲线插虚拟轴；电”。1 = 三忠笔；掌雪s 曲线插补； 制算法库 曲笔兰竺；电。三莩菩嚣 插补补；电子齿轮子齿轮凸轮 。二：“ 子齿轮 。91 。 价格 由表1 2 可知，国内生产的大多数为主频较低的控制器，且可控轴数一般较少。此外， 国外产品大多提供专门的运动控制语言供用户编程，在一定程度上方便了终端用户。但是， 从价格上来看，国外控制器价格较高，为国内产品的2 4 倍，且对于关键部件的故障返修 周期较长。因此，对于我国应用运动控制器的相关设备而言，从成本和维护周期上造成了 较大的制约。 1 2 2 多轴运动控制器的分类和典型架构方案 目前市场上可以看到的运动控制器依据不同的原则有不同的分类。按照运动控制器的 核心技术方案，主要有基于模拟电路型、基于微控制单元型、基于可编程逻辑型、基于数 字信号处理( d s p ) 型等；按照运动控制器的系统结构，可分为基于总线的运动控制器和 独立应用的运动控制器以及混合型的运动控制器；按照位置控制原理，可以分为开环、半 闭环和闭环三种基本的控制方案；按照被控量的性质和运动控制方式，可以分为位置控制、 速度和加速度控制、同步控制、力和力矩控制。 而国内的运动控制器生产厂商提供的产品大致可以分为三类【1 3 ”1 ： ( 1 ) 以单片机或微处理器作为核心的运动控制器，这类运动控制器速度较慢，精度 不高，成本相对较低。在一些只需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制 场合应用。 ( 2 ) 以专用芯片( a s i c ) 作为核心处理器的运动控制器，这类运动控制器结构比较 简单，大多数工作于开环控制方式，基本满足于对单轴的点位控制。但对于要求多轴协调 运动和高速轨迹插补控制的设备，这类运动控制器不能够提供连续插补功能，很难满足要 求。 ( 3 ) 基于p c 总线的以d s p 和f p g a 为核心处理器的开放式运动控制器。近年来， d s p 以其功能强、速度快、编程和开发方便等优点，在多轴运动控制技术领域得到了很大 的发展【1 6 1 7 1 此类控制器即以d s p 作为核心处理器，以p c 机作为信息处理平台，以插卡 形式嵌入p c 机，形成“p c + 运动控制器”的模式功能上，通常都能提供板上的多轴协 调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿，伺服滤波算法，能够实 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 现闭环控制。 第一类运动控制器由于其性能的限制，主要应用于一些单轴简单运动的场合。第二类 运动控制器因其结构简单、成本较低，占有一定的市场份额，但由于其专用芯片( a s i c ) 仅能提供运动控制的基本功能，限制了这种运动控制器在复杂条件的使用。第三类运动控 制器是目前国内运动控制器产品的主流，应用也从传统的机床数控扩展到了如机器人控制、 激光加工、纺织、电子加工等多个领域【1 8 】。本课题的研究内容即为设计出一款适应于工业 焊接机械人的第三类运动控制器。 现有的多轴运动控制器的系统架构方案大致可归纳为三类：分布式控制架构、集中式 控制架构和主从式控制架构【1 9 2 2 1 。 ( 1 ) 分布式控制。运动控制软件集中于主控制器( p c 机) 中，负责整个系统管理以 及正逆运动学计算、轨迹规划、插补、伺服控制等几乎全部控制功能。运动控制器仅作为 计算机与伺服驱动器之间的具有标准通用接口的连接装置，传输往来信号及相关数据。用 户可最大限度地利用p c 机的丰富资源，集中多数精力在控制功能的软件实现上。该类控 制架构硬件成本较低、使用灵活，但是开发难度大。典型产品有德国p a 公司的p a 8 0 0 0 n t 、 美国m d s i 公司的o p e i lc n c 、a d e p t 公司的a d e p t 晰n d o 、s 和国内固高科技公司的g o 系列等。 ( 2 ) 集中式控制。该架构即为专用嵌入式控制架构，将p c 机和运动控制器集成为一 体，控制功能都集中于该嵌入式平台中一般拥有实时嵌入式操作系统、以太网接口、蓝 牙等功能，可与其它p c 机实现远程连接。由于控制过程中的庞大计算和数据处理工作全 部由单一c p u 芯片独立完成，因此伺服响应速度受限，实时性不高。近年来，随着i c 技 术的蓬勃发展，市面上出现了较为成熟的专用运动控制芯片，如美国p m d 公司的 m a g e l l a i l 系列i c 、日本n p m 公司的p c l p c d 系列和n o v a 公司的m c x 系列i c 等。该方案成本低，但开放性较差，软硬件升级困难，开发工作量大。典型产品有美国 a d e p t 公司的s h l a n c o n 们l l e rc x ，s n 斌s e 0s y s t e m 、英国h om o t i o nt e c l l n 0 1 0 9 ) ，公 ( 3 ) 主从式控制。典型架构如图1 6 所示。该架构一般采用p c 机与多轴运动控制器 相结合的主从层式。p c 机作为主层，承担系统管理、机器人语言编译、离线运算( 如运 动学、轨迹插补计算等) 和人机交互功能；运动控制器作为从层，接收p c 机控制指令并 完成各执行机构的运动控制任务。主从层之间通过计算机标准总线( 如p c 1 0 4 、p c i 、u s b 、 i s a 等) 进行通讯，通过公用内存交换数据该架构在保证技术实施难度和研发工程量适 5 浙江大学硕士学位论文 绪论 中的情况下，最大限度的体现了“开放”的理念。典型的产品有美国d e l t at a ud a t as y s t e m 公司的p m a c 、n i 公司的p c i 7 3 5 x 系列、b a l d o r 公司的p c i - 2 、英国啊om o t i o nt e c h n o l o g y 公司的p c l 2 0 8 和国内固高科技公司的g t g h 系列运动控制器等。 正逆运动学越镧器系统管理和通讯正逆运动学 一一”一 系统管理和通讯) 轨捌， 一 。任务规划和调度 指令周期粗擗卜 。m 状态实时显示 。一j ji 1总线 日西雹圃 伺服控镧算法 多轴运动控嗣器 - - 数据信息采集 i一 厂 厂一； 皇 皇一 簟码器l _ _ p 伺囊驱动器1 伺曩驱动器n 峄一编码器n 广一t _ 一一 一 皇皇 交流伺服电机lf 、交流伺腰电机n 关节1 关节n 图1 6 主从式控制典型架构 主从式控制架构结合了分布式控制和集中式控制的优点：可以在充分保证系统开放性 的同时，将全部控制任务在主控制器和从控制器( 多轴运动控制器) 之间进行合理分配， 以确保用户对系统控制实时性能的需求，最大限度地发挥作为主控制设备的p c 机的软件 资源优势和作为从控制设备的多轴运动控制器的高速硬件优势。采用p c 机作为主控制器 开发平台在机器人控制系统的开放性实践中已经得到了广泛的认同，它有成本低、开放性 好、资源丰富、用户广泛等诸多优点。绝大多数的控制器生产商已经将基于p c 的机器人 控制器列为其主要发展方向。 图1 7 d e i t a l r a up m a c 2 a p c 1 0 4 图1 8 d e i 协1 a up m a c p c il i t e 1 2 3 运动控制器的发展趋势 随着控制技术的快速发展，传统的运动控制技术由于其封闭式结构、控制软件兼容性 6 浙江大学硕士学位论文绪论 差等原因，已经不能满足现代工业的发展要求。 目前而言，新型的运动控制器有以下几个主要的发展趋势： 现阶段，新型数控系统标准化、柔性化的要求促使了现代控制系统中开放性体系概念 的提出【2 3 1 。所谓开放性体系阱1 即系统应具备使不同应用程序能很好地运行于不同供应商提 供的不同平台之上的能力，不同应用程序之间能够相互操作的能力和一致的用户交互风格。 新型运动控制器应该以开放化为目标，能够方便地与机床、机器人等被控设备联接，硬件 上能够实现一到多个坐标轴位置、速度和轨迹伺服控制，软件上具有完善的轨迹插补、运 动规划和伺服控制【2 5 矧。 其次，新型运动控制器应该在结构上应形成模块化【2 7 】，易于实现数控系统的集成化和 标准化，可以通过积木方式进行方便的相互组合，以建立适用于不同场合、不同功能需求 控制系统，为各种工业设备、国防设备以及智能医疗装置的自动化控制系统的研制和改造 提供一个统一的硬件平台【2 6 】。 最后，新型的运动控制器应该紧跟计算机技术的快速发展。随着现代计算机功能的强 大，利用运动控制卡和p c 机相结合，或者将p c 系统直接嵌入运动控制卡中已经成为一 个重要的发展趋势。 1 3 课题研究意义和研究内容 1 3 1 课题研究目的和意义 目前，我国作为世界上经济发展最快的国家之一，并且日益成为世界的制造中心。市 场上新设备的控制需求、传统设备技术升级和换代对运动控制器的市场需求越来越大，国 内工业机器人市场亦日趋庞大，但绝大部分机器人装备都来自日本、德国、美国和瑞典等 机器人大国，国产工业机器人始终未见成熟的产品上市。从技术角度分析原因，制约工业 机器人国产化的主要因素是多轴运动控制器等关键器件对国外产品的依赖，极大地削弱了 整机的成本竞争力。在这样的形势下，研制出具有自主知识产权的高水平、高可靠性的开 放式运动控制器，突破发达国家对我国的技术壁垒，实现运动控制器的国产化显得尤为重 要。并且自主研发的运动控制器可以克服因采用外购控制器而造成的集成度不高、售后周 期漫长的缺陷，同时我们可以针对运动控制器的各个功能参数从底层进行修改和完善，这 将大大提高整个系统的性能。 课题组目前已经成功研制出工业六自由度串联机器人样机。钱江一号”，如图1 3 。这 是国内少有的完全自主设计、自主开发并具有实用化基础的工业机器人之前罗利佳、吴 7 浙江大学硕士学位论文 绪论 剑波等人在基于此平台之上研制的第一版d s p + c p l d 的多轴运动控制器取得了良好效果， 并且刘华山等在浙江省面上科研工业项目基于d s p 的工业机器人多轴运动控制器研制 ( n o 2 0 0 8 c 2 1 1 0 6 ) 的支持下，进一步对机器人控制系统核心部件一一多轴运动控制器进 行科研攻关，成果为m a m c2 0 运动控制器板卡，并已通过专家验收。 图1 3 。钱江一号”6 轴弧焊机器人 但在该多轴运动控制系统进行市场化之前仍有若干局限性需要弥补和完善，其中有： ( 1 ) 不具备良好的可升级性和可扩展性等特点，这些是制约控制器向更广阔的控制 场合( 多机协同作业、多机通信) 、控制轴数增多( 6 轴控制) 和p c i 插槽有限的场合拓 展的因素。如出现上述情况，则原板卡即失效，需要重新设计开发针对具体控制场合的新 控制卡，灵活性差。 ( 2 ) 考虑到原控制器是由控制板d s p 控制6 个关节中的2 个，其他4 个关节由c p l d 倍频鉴相计数再由d s p 输出控制信号。如果继续采用c p l d 作为通道扩展( 增加控制轴 数) 的解决方案，由于c p l d 计数精度不及d s p ，因此虽然d s p 控制精度较高，但就整 机来说精度没有本质提高，并且这浪费了大量d s p 内部资源，不利于未来植入高级复杂 算法的实现。 ( 3 ) 工业自动化场合中，常需要多机器人协同作业，如何处理这方面的需求是目前 的研究热点。 对于控制算法部分，位置环因为p i d 模块实时计算量过大导致反馈精度不足，另外转 速测量时混入环境噪声，或是由位置反馈值的一阶导数欠平滑而产生高频信号，致使系统 r 浙江大学硕士学位论文绪论 鲁棒性有欠缺。另外由于驱动器饱和和建模不确定性，现有的运动控制算法还有较大的改 善空间。 本文作者针对这一现状展开研究，根据原板卡存在的问题有针对性地设计改进，进一 步提高实时性、可扩展性及可互操作性等综合控制性能，力图开发出具有q 总线式可 扩展的新一代多轴运动控制器。新产品主要特点有： ( 1 ) 实现较高的可扩展性。考虑到控制板卡的可控轴数固定，通过引进c a n 现场总 线，如果需要在高轴数场合应用，则只需若干块板卡通过c a n 总线挂接，提高了应用灵 活性，有效规避了p c i 型控制板卡在p c i 插槽不足时的尴尬，通过c a n 总线强大的可扩 展能力，最多能实现1 0 4 个节点，再加上c a n 现场总线的广泛适用性，使得运动控制器 通用性大大增强。 ( 2 ) 实现开放式系统结构。通过构建一个c a n 总线系统，使得控制系统的重构变得 更加容易。只需要向c a n 总线上挂接其他模块，就可根据需要方便的扩充功能，实现该 运动控制器在其他不同场合的作业，以适应各种应用场合和柔性化制造需求。 ( 3 ) 实现合理的模块化设计。该板卡也实现了模块化设计构想，形成了一个完整的 控制单元。对于硬件系统，能够在短时间内诊断出故障节点，并根据系统的实际要求方便 维护或者拆卸更换，有利于提高系统的可靠性和结构的紧凑性。 ( 4 ) 对于要求多个机器人协同作业的场合，c a n 总线也体现出其强大生命力。只要 通过c a n 总线实现各机相互通讯，完全可以无需上位机的参与控制。未来工业自动化现 场中，运动控制程序将会很成熟，从而模块化封装为一个完整的软件包，并固化在运动控 制器内部，不需要上位机的干涉。此时，多机器人控制器之间的协调就显得尤为重要，这 也是本设计的突出优点之一 而针对前述存在问题的控制算法部分，在保证指令处理效率和精确轨迹跟踪的前提下 改进算法，提高末端运动的平稳性和快速性，并能够在外界干扰和系统参数辨识不确定性 情况下工作，以达到扩大该运动控制器的适用场合的目的。 1 3 2 课题研究内容 基于上几节的讨论，本课题研究预期结果是开发出新一代基于现场总线的具有高开放 性和可靠性的多轴运动控制器软硬件平台。其中包括现场总线运动控制器主控制板 m a m c2 1 和上位机操作软件，并且在该平台上进行运动控制的实验，实现高级控制算法。 主要研究内容： o - 浙江大学硕士学位论文绪论 ( 1 ) 控制器软硬件重设计 基于之前的m a m c2 0 版本控制主板，在设计c a n 现场总线模块之后，优化原有 d s p + c p l d 部分的线路，并将原版卡加以改进制成m a m cv 2 1 版本新卡。保留p c i 接口 的原因是，在小于6 轴的控制场合节约成本和硬件资源，并且获得良好应用。并且p c i 总线是课题组现阶段研发的成熟产品，考虑作为备选项予以保留。 ( 2 ) c a n 总线模块调试和通讯功能实现 通过示波器显示发送的报文，并且加以解码，调试c a n 总线的数据收发。将p c 上 位机和m a m c2 1 的传输数据进行分类，通过c a n 总线分时传输，达到控制效果。 ( 3 ) 高实时性、高稳定性控制算法的研究 要保证运动控制过程的精确性和稳定性是控制系统的应有之义。除了硬件设施，还要 在控制算法上进行完善。包括如何在系统仅有位置传感、驱动器饱和、存在建模不确定性 及干扰等环境下的轨迹跟踪控制问题。提出一种新的自适应p i d 控制方案。 1 3 3 课题研究难点 本课题涉及的面比较广，既要设计合理的硬件，又要采用先进的算法；既要研究单一 轴控制精度，又要设法将其应用到6 轴联动控制；既要一定的理论研究，又要较好的应用 价值。总结起来，难点主要如下： ( 1 ) 在众多现场总线标准共存的情况下，如何选择一种最为适合的标准，既能够满 足控制数据传输要求，有能有足够的通用性和可靠性，使其与其他系统良好兼容。 ( 2 ) 现场总线c a n 总线是一种串行总线，较之原来的p c i 总线，理论上速度较慢。 经计算，完成p c 机与多轴运动控制器板卡通信的速率应在1 m b p s 左右。因此，如何设置 现场总线通信速率，完成对机器人的实时控制就成为该项目的的一大问题。 ( 3 ) 对控制板卡硬件和软件的优化设计，需要在吃透各个模块的具体工作内容以及 其和其他模块之间的数据交互方式和交互内容的基础上进行。这对整个工作提出了很高的 要求，需要熟知整个硬件软件系统的设计恩路。 ( 4 ) 将c a n 总线通信协议整合入现有的运动控制软件平台。现有的p c 操作界面是 完全用v c + + 编写，如果要使用现场总线通信，必须将其中的p c i 通信模块设为备选而分 离出去，而将c a n 总线的通讯协议等其他功能模块化为v c + + 中的类( c l a s s ) 后添加 进来这要求对整个软件体系有一个明确的认识。另外原有的p c i 模块设置了双口删 作为数据缓存，目的是在p c 传来的数据较多，而d s p 来不及处理时作为缓冲器。而当采 1 0 浙江大学硕士学位论文 绪论 用c a n 通信，则要很好的协调p c 机和运动控制器之间的数据传输次序，最大程度地利 用总线空余。 ( 5 ) 另外，如何设计一套合适的运动控制算法，使得每个关节能够平稳快速的运转 也是该研究课题的一个难点。 1 3 4 论文各章节安排 本文所涉及到的工业机器人在实验室已经经历近十年的研究，多轴运动控制器也已经 研制到第二代m a m c2 0 。本文以工业现场总线c a n 为核心，研究基于其的新一代运动 控制器，主要包括控制板卡的设计和运动控制算法，和调试过程中出现的问题及其解决方 法。 全文各章节安排如下： 第1 章，主要介绍了当前国内工业机器人的发展现状，尤其国内外关于多轴运动控制 器的相关科研状况。 第2 章，介绍新设计的多轴运动控制器的硬件系统，并分模块介绍了各模块功能、软 件。然后重点介绍c a n 总线部分的设计。 第3 章，着重介绍c a n 总线通信的原理，并实现通过c a n 总线的p c 机和m a m c 板卡的通信，相关报文由示波器波形验证正确。 第4 章，实现运动控制器的单关节实验检验其有效性。对机器人的运动控制算法进行 了深入研究，提出一种新型的自适应p i d 控制算法，针对其计算机仿真并在机器人本体进 行实验。 第5 章，对所做的工作进行了总结，并进行展望。 1 4 本章小结 本章先介绍了国内外工业机器人的研究现状，主要介绍了发展现状和运动控制器的研 究意义。综合对比了国内外对于多轴运动控制器的研究现状并分析了发展趋势，确立研究 方向。最后总结性地介绍了本课题研究的意义和内容，以及各章的安排。 浙江大学硕士学位论文多轴运动控制器硬件系统设计 2 多轴运动控制器硬件系统设计 2 1 引言 经过第一章的讨论，课题确定运动控制器的设计方向为开放式体系。综合考虑到开发 难度、开发成本以及控制器稳定性等因素，确定为p c 机作为主控机，多轴运动控制器作 为被控对象的架构，有效结合了分布式控制和集中式控制的优点，可以充分保证系统开放 性，即最大限度地发挥作为主控制设备的p c 机的软件资源优势和作为从控制设备的多轴 运动控制器的高速硬件优势。多轴运动控制系统总体实施架构如图2 1 所示。 p c ( m a i nc o n 智o e f ) 蠢瓮璺l 口f _ r h 土t ，。凸 t s e m1 m a g n 烈 s e n 时2鬻3 p m s m3 p m s m4 ；p m s ms s e m3 ；i p m s m6 1 臻 s e o4 飞一 p g6 l p 6s s e n 帕s i 剖嬲眦 p 64 p 63 s h e r 、r o6 图2 1 六轴运动控制系统架构 对于多轴运动控制器而言，六轴联动的复杂算法对于控制系统的关键平台提出了较高 要求，而高实时性运动轨迹插补以及各项控制参数调节需要进行大量的数据传输。基于此， 本课题多轴运动控制器采用了d s p ( d i