DSP的二自由度并联机构控制技术研究

1、南京理工大学硕士学位论文基于DSP的二自由度并联机构控制技术研究姓名:房黎黎申请学位级别:硕士专业:兵器发射理论与技术指导教师:李开明20080526 2二自由度并联机构的设计及分析硕上论文被动关节置和垦坐标为(嘞,Ypl和(和2,蜘2,可由下式计算:1%I2吒l+lcosal【儿l=Yal+lsinaI 1%22吒2+lcosa:气【Yb2=Y02+lsina2X=xbl+/cosA+mY=YbI+lsinflt工=.b2+/cos屐一m Y=Yb2+/sin屐儿l+lsin届,=Yb2+/sin属为计算方便,上式化为工一%Im=leosflI Y一儿l=lsinfllx一%2+,以=lco

2、s压YYb2=lsin属YbI+/sinA=n2+/sin属进一步化为:由上面公式可看出,当主动关节的角度%和哆确定时,被动关节E和垦坐标(勃,蜘。和(勤:,%2了即可确定,曲柄连杆长度,和m也是确定值,上式中只有末端执行器中点P的坐标(x,y是未知量,解上述方程组即可求得。这就是机构运动学的正解分析。由机构的运动学关系,有下式成立:12p p=时埘一一O+啷吣一+%一一X Z 硕士论文基于DSP的二自由度并联机构控制技术研究我们忽略了连杆对曲柄的作用力,因为这部分的力非常复杂,而且无法用线性方程的形式表示出来,实际上连杆的质量并不大,这部分的力也影响较小,为计算和分析简便,做这一简略处理;v

3、为动平台的的运动速度;q为电机的转动速度。动平台的运动速度为:V=(三;c3_4,电机转动速度为q=垒喁;由前面的运动学分析可知,(耋=厂1兰2,厂1为速度反解雅比矩阵的逆矩阵。设由此可得:,=l乏:乏:l=E,夏f 16262zlr 2I .当口2=0时,1,=、/x+y =皖+磋呸,所以得:二:匝:巫吧厶乞二喁脚u嗟讯唁=M毒zj n112嚷嚷其中liJJ2为,。1中第一列向量的模的平方。(3.1。9黔卜M主圳11;112jd2扩Oo(t+厂掣(3.¨。! 本论文采用DSP+步进电机组成的数字控制系统。步进电机是纯粹的数字控制电 动机。它将电脉冲信号转变成角位移,即给一个PWM脉

4、冲信号,步进电机就转动一 个角度,当脉冲是连续供给时,运动是连续的。步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化 控制系统中。步进电机和普通电机的主要区别就在于其脉冲驱动形式的灵活,因此可 以和现代的数字控制技术相结合,成本明显降低,几乎不必进行系统调整。不过步进 电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服 电机。而在有些精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机。步进电机作为一种 可以开环使用的数字传动装置,有能快速起动、停止,转速始终与输入频率成正比, 能实现精确定位及直接接收数字量等特点。本系统使用的步进电机是常州创伟电机厂生产的

5、二相混合式步进电机,最大静转 矩为O.7M,步距角是0.9。并可以进一步细分。(1矩频特性步进电机中最主要的性能指标之一是最大静转矩,这一特性反应了步进电机带动 负载的能力,一般要求负载转矩只能是最大静转矩的30%50%左右。另外一个是动 转矩,是指转子转动情况下的最大输出转矩值,它与运行的频率有关。在高速运行时, 步进电机的转矩会随转速的升高而下降,主要原因是,当步进电机转动时,电机各相 绕组的电感将形成一个反向电动势,频率越高,反向电动势越大,在它的作用下,电 机随频率增大而相电流减小,从而导致转矩下降。(2响应频率和运行频率 . 在某一频率范围内,步进电机可以任意运行而不丢步,这一最大频

6、率称为响应频 率。通常用起动频率来作为衡量的指标。它随负载的增加而显著下降。频率连续上升时,电动机能不失步运行的极限频率。运行频率的值也与负载的大 374数字控制系统的研究与实现 硕:卜论文 小有关。在相同负载情况下,连续频率的值远大于起动频率。步进电机的最主要的用途就是实现位置控制。步进电机的位置控制指的是控制步 进电动机带动执行机构从一个位置精确的运行到另一个位置。步进电机的位置控制是 步进电机的一大优点,它可以不用借助位置传感器而只需简单的开环控制就能达到足 够的位置精度【怕】。步进电机的位置控制需要两个参数:第一个是步进电机控制的执行机构当前的位置参数,我们称为绝对位置。绝对位 置是有

7、极限的,其极限是执行机构运动的范围,超出了这个极限就应报警。绝对位置 一般要折算成步进电机的步数。第二个参数是从当前位置移动到目标位置的距离,也可以称为相对位置。也将这 个距离折算成步进电动机的步数,这个参数是从外部输入的。对步进电机位置控制的一般做法是:步进电动机每走一步,步数减l,如果没有 失步存在,当执行机构到达目标位置时,步数正好减到0。因此用步数等于0来判断 是否移动到目标位,作为步进电机停止运行的信号。绝对位置参数可作为人机对话的显示参数,或作为其他控制目的的重要参数,因 此也必须要给出。它与步进电机的转向有关,当步进电机正转时,步进电机每走一步, 绝对位置加1;当步进电机反转时,

8、绝对位置每次步进减1。步进电机本身的精度比较高,但是容易出现失步,使实际位置和理论位置出现偏 差。根据对步进电机特性的研究,总结了以下提高步进电机精度的办法:(1采取步距角细分的办法,本实验中使用的步距角在0.9。的基础上可以再细分, 步距角越小精度越高;(2在电机减速器和机构组成的系统中,如负载过大,相应的运动惯性增大,步进 电机容易出现失步,因此在机构样机的设计中要考虑到这一点,尽量使机构的质量减 小:(3步进电机的启动和停止要注意的问题一般情况下,电机的极限启动频率是比较低的,而系统要求的运行速度比较高。 如果系统以要求的速度直接启动,一般该速度已超过极限启动频率,不能正常启动, 就会发

9、生丢步或启动不了。电机由静止启动,由于启动惯性,电机还没来得及移动一 个步距,脉冲可能已经到了第二个了,这时存在两种情况:电机脉冲不大的情况下, 电机能顺利启动;但脉冲频率过高的话,转子不能达到脉冲对应位移特性,造成失步 。或动不起来。39硕士论文 基于DSP的二自由度并联机构控制技术研究系统运行起来以后,如果达到终点时立即停止发脉冲串,令其立即停止,则因为 系统惯性的原因,会发生过冲现象。因此,在点位控制中,运行速度都需有一个加速、 恒速、减速、低恒速、停止的过程。升速的过程一般有两种,一是按照直线规律升速, 二是按照指数规律升速。按直线规律升速时加速度是恒定的,因此电机产生的转矩也 需要是

10、恒定的。按指数规律升速,加速度是逐渐下降的,接近电机输出转矩随转速变 化的规律。(4在控制策略上减小误差隅.W1 0诈2 闩厶 .二斗三7占m岛-VM一&舟>B。.t-一、jk 1 Q (b. 在步进电机变速过程中,步进电机的角速度由wl转到w2转变时,如果要求电机 立即由A点的角速度wl转到B点的角速度w2时,这个转变过程必须在一步之内完成, 否则就会丢步,因为它的运行必须与输入脉冲保持一致。但是在这样转换过后,电机 将立即以w运行数秒,停止过后,电机肯定偏离了位置B,这样就产生了误差,将 会给位置控制带来很大的影响。4数字控制系统的研究j实现 硕士论文是,在A、B两点之间采用

11、线性插值的方法确定出速度为零的中点M,将A、B之间 的位移以M点为界线,分成位移相等的两部分,前一部分电机按A的角速度wl运行, 后一部分按B的角速度w2运行,速度曲线按图(a中AMB曲线变化,这样就可保证 位置变化的准确性。 现在根据上图求位置以,这样我们就可根据色算出步进电机以各个速度所运行 的脉冲数。根据图(a,利用AB直线的线性方程可得:根据电机在各时间段内所移动的角位移可得:氏一舅=w1(t。一t1岛一巳=%(t2一t。免=巫:掣罂 (4“2 听+嵋综上所述,我们发现步进电机应用于位置控制时,需要检验两相邻点的的角速度 进行判别,通过下列等式进行判别:4.3控制系统的主控制器硬件选择

12、与实现该控制系统的主控板是一个可扩展的DSP系统板,主要由DSP主控芯片和一些 基本的外围电路组成。主控器件是本控制系统的重要组成部分。本控制系统数字信号处理采用专用的数 字信号处理器(DSP芯片实现。采用DSP器件主要是基于以下的优点考虑的。 与MCU相比,DSP器件具有较高的集成度。DSP具有更快的CPU,更大容量 的存储器,内置有波特率发生器和FIFO缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串 口。有的片内集成了AID和采样/保持电路,可提供PWM输出。DSP器件采用改进硕士论文 基于DSP的二自由度并联机构控制技术研究的哈佛结构,具有独立的程序和数据空间,允许同时存取程序和数据。内置高速的

13、硬 件乘法器,增强的多级流水线,使DSP器件具有高速的数据运算能力。DSP器件比 16位MCU单指令执行时间快8"-'10倍,完成一次乘加运算快16'-'30倍。DSP器件 还提供了高度专业化的指令集,提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。 此外,DSP器件提供JTAG接口,具有更先进的开发手段,批量生产测试更方便,开 发工具可实现全空间透明仿真,不占用用户任何资源。软件配有汇编/链接c编译器、 C源码调试器。综合这些特点决定了在快速和大量的信号处理领域DSP被广泛的应 用。本控制系统采用TI的TMS320F2812系列的DSP,下面介绍TMS320F2812的内 核结构和外围接口。TMS320F2812是定点高速数字信号处理器,最高工作频率是150MHz,片内内 置128K*16位FLASH,18K*16位SRAM,片外扩展256K*16位SRAM,此外芯片上 还整合了快速的A/D转换、增强的CAN模