7-机器人控制系统

ENTER6.机器人控制系统6.1机器人传感器6.2驱动与运动控制系统本章主要内容6.3控制理论与算法6.1.1机器人传感器的特点和要求6.1.2机器人内部传感器6.1机器人传感器章目录6.1.3机器人外部传感器6.1.1机器人传感器的特点和要求位置传感器速度传感器简单触觉传感器复合触觉传感器简单力觉传感器复合力觉传感器接近觉传感器简单视觉传感器复合视觉传感器感觉传感器传感器的种类节目录章目录传感器的性能指标传感器常用参数指标灵敏度线性度精度重复性分辨率响应时间抗干扰能力节目录章目录6.1.2机器人内部传感器位置传感器编码式绝对型光电编码器增量型光电编码器电位器式绝对型编码器码盘直线形电位式位移传感器旋转型电位式位移传感器节目录增量式编码器的工作原理章目录速度传感器测速电动机模拟方式数字方式增量式光电编码器机器人速度伺服控制系统模拟式增量码盘测速节目录直流测速发电机的结构原理1—永久磁铁；2—转子线圈；3—电刷；4—整流子章目录感应电动势u=kn6.1.3机器人外部传感器外部传感器接近觉传感器电涡流式传感器光纤式传感器超声波传感器力(力矩,力觉)传感器触觉传感器电涡流传感器工作原理超声波传感器原理节目录章目录节目录光纤传感器结构应变片式机器人腕力和力矩传感器本节完章目录6.2.1概述6.2.2基于计算机和芯片的运动控制器设计6.2驱动与运动控制系统章目录6.2.3基于PC技术的运动控制（卡）器6.2.4机器人的伺服执行机构6.2.5MOTOMANUP6型机器人的运动控制6.2.1概述按照伺服控制方式开环控制系统闭环控制系统半闭环伺服控制系统节目录按驱动执行元件步进电动机驱动直流伺服电动机驱动交流伺服电动机驱动章目录从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括伺服运动控制器,伺服执行元件（伺服电动机）环节,位置/速度检测元件环节,比较环节,被控对象等五部分。专用运动控制芯片与运动控制卡越来越多作为机器人的运动控制器，并借用功能强大的通用PC机作为平台来实现机器人的运动控制。6.2.2基于计算机和芯片的运动控制器设计1.LM628芯片概述节目录LM628芯片构成的伺服系统原理章目录大规模集成芯片LM628是美国NS公司生产的专用精密运动控制器，具有16位的可编程数字PID调节器，可经增量码盘反馈构成位置闭环，并能对位置误差实行PID运算。利用LM628和微处理器可实现低成本、高精度神经元PID伺服系统。2.LM628芯片的特点32位的位置、速度、加速度寄存器，16位可编程数字PID滤波器与增量式编码器的接口可编程微分采样间隔8位或12位D/A转换器输出数据内部梯形速度图发生器速度、目标位置和滤波器参数在运动过程中可以改变可选择位置或速度控制方实时可编程的主计算机中断节目录章目录3.LM628芯片的基本功能接受主机发送来的运动控制指令，并把运动控制器当前的状态及数据送给主机；可作为速度曲线发生器，执行速度梯形图的计算和数字滤波，产生速度曲线。不论是位置控制还是速度控制都需要有速度曲线发生器产生梯形速度分布图；利用增量编码器进行实际位置的反馈；在运行中计算实际位置和理论位置（由速度发生器产生的位置）的差值，并把该差值经PID数字滤波器处理后输出，经外接D/A转换器转换和功率放大，最后驱动电动机运动。速度曲线图节目录章目录4.LM628芯片用户指令集节目录指令类型说明HEX数据字节指令类型说明HEX数据字节RESET初始化复位000LFIL滤波装入滤波器参数1E2~10选择8位输出050UDFPORT8修改滤波器参数040PORT12选择12位输出060LTRJ轨迹装入轨迹数据1F2~14DFH定义原点020STT启动010SIP中断设定INDEX位置030RDSTAT报告读状态字节—1LPEI误差中断1B2RDSIGS读信号寄存器0C2LPES误差停1A2RDIP读INDEX位置094SBPA设定断点，绝对204RDDP读预定位置084SBPR设定断点，相对214RDRP读实际位置0A4MSKI屏蔽中断1C2RDDV读预定速度074RSTI复位中断1D2RDRV读实际速度0B2RDSUM读积分和0D2章目录5.LM628芯片的运动控制器电路设计节目录章目录6.2.3基于PC技术的运动控制（卡）器1.GM-400四轴运动控制器主要功能提供四路模拟电压控制信号提供四路PWM控制信号提供四路增量式光电编码器反馈信号接口增量码盘计数频率可达1MHz四轴位置、速度、加速度控制可编程数字PI+Vff滤波可编程数字PID滤波，点到点位置控制单轴最小伺服采样周期为100ms32位长度的位置寄存器硬件检测INDEX信号硬件检测HOME信号可编程S曲线、梯形曲线、速度跟踪和电子齿轮式运动控制方式节目录章目录采用四轴运动控制器组成的控制系统框图节目录章目录2.运动控制器的输入/输出接口八路光电隔离限位开关信号输入接口；四路光电隔离原点信号输入接口；十六路光电隔离输入可作为伺服驱动器故障输入接口，也可作为由用户定义的其他输入信号接口；十六路光电隔离输出信号可用于伺服驱动器的使能和故障复位控制，也可以由用户定义成其他输出信号接口。节目录章目录3.运动控制器总线接口运动控制器采用标准的ISA和PC/104总线接口。4.运动控制器电源信号GM-400四轴运动控制器的数字电路、编码器与伺服电动机控制采用PC机ISA总线插槽提供的+5V电源，电流不大于2A；+12V和-12V电源电流不大于60mA。计算机的电源地（GND）作为+5V，+12V和-12V的公共地。四路原点信号输入、八路限位开关信号输入、十六路光电隔离输出和十六路光电隔离输入信号的接口电源OVCC和接口电源地AGND必须由外部电源提供。节目录章目录5.运动控制器工作原理节目录章目录（1）闭环控制下的四种运动控制模式:S、梯形、1）S曲线模式节目录S曲线模式控制曲线变形后的S曲线模式控制曲线章目录一旦设定当前轴为S曲线，该控制轴将保持这种控制模式直至调用其它运控模式。2）梯形曲线模式节目录梯形曲线控制变形后的梯形控制曲线章目录梯形曲线控制模式下，任意时刻都可改变速度和位置。3）速度跟踪模式在电子齿轮模式下，主机只需设置一个运动参数，即电子齿轮减速比，这是一个带符号的32位二进制数，范围：-16384至16383（65535/65536）。运动时，从动轴作为被驱动轴，其目标运动由主动轴运动乘以电子齿轮减速比来确定。在该模式下,由主机设定额定加速度和最大速度两个参数。开始运动时以给定的加速度连续加速直到达到设定的最大速度。速度设定值必须为正值,运动方向由加速度的符号确定,即正加速度产生正向运动,而负加速度则产生负向运动。4）电子齿轮模式节目录章目录补充：电子齿轮比•电子齿轮：简单来说就是用电气控制技术来代替机械传动机构。可以用一个MCU加上一个可编程逻辑器件来实现。•它有以下功能：•1.脉冲补偿，减少上位机负担（因为PLC等发送脉冲的器件，都有发送脉冲频率的限制）。•2.匹配电机发出的脉冲数与机械最小移动量，可将输入指令1个脉冲的工件（或电机）移动量设定为任意值；•可实现电机的无极变速，在电机启动和停止时，可防止失步和过冲现象，这样就能充分发挥电机的潜能。•3.传递同步运动信息，实现坐标的联动，运动形式之间的变换（旋转-旋转，旋转-直线，直线-直线），简化控制等。补充：电子齿轮比（续1）•一般来说，电机与驱动机构是直连的，机械结构固定后，传动比也就固定了；利用电子齿轮可以增加传动系统的柔性，减少传动元件数量和传动链长度，还可以实现小数传动比，这样就提高了传动精度。•例：如丝杠导程为5mm，电机与丝杠直连，那么，电机转一圈负载移动5mm。•若要求精度为0.001mm，则电机要5000个脉冲才转一圈，0.001mm的移动量就需要1/5000转；若要求精度为0.002mm，则电机要2500个脉冲才转一圈；等•电子齿轮就是电机编码器反馈脉冲与指令脉冲的一个比值•电子齿轮比的分子是电机编码器分辨率，分母为电机旋转一圈所需要的脉冲数。•电子齿轮比是通过更改电子齿轮比的分倍频，来实现不同的脉冲当量。补充：电子齿轮比（续2）•电子齿轮功能是指可将相当于指令控制器输入指令1脉冲的工件移动量设定为任意值的功能，分为电子齿轮（分子）Pn202、电子齿轮（分母）Pn203两部分参数。•举例：伺服电机编码器脉冲数是2的n次方,比如216=65536,即电机每转一圈就会产生65536个脉冲•设定一个合适的齿轮比（通常也是2的整数次方，如512）,使PLC发送的脉冲数不会很大,又能满足精度要求。则PLC发送一个脉冲,就相当于给伺服器发送了512个脉冲•要使电机转一圈,只需发65536/512=128个脉冲即可•要使电机转X圈,只需要发送128*X个脉冲.（2）运动控制器的速度控制（3）控制器运动轴的控制（4）工作参数的设置和刷新（5）轴运动错误监测和状态恢复（6）轴位置高速捕获（7）控制器中断（8）电动机输出（9）逻辑I/O控制（10）GM-400运动控制器软件编程节目录章目录6.2.4机器人的伺服执行机构1.步进电动机的优点输出角度精度高，无积累误差，惯性小输入和输出呈严格线性关系容易实现位置、速度控制，起、停及正反转控制方便输出信号为数字信号，可以与计算机直接对接结构简单，使用方便，可靠性高，寿命长三相反应式步进电动机结构原理1—绕组；2—定子铁心；3—转子；4—A相磁通节目录章目录2.直流伺服电动机节目录章目录6.2.5MOTOMANUP6型机器人的运动控制节目录1.概述章目录UP6MotionControlSystemusesspecifiedcomputercontrolsystem。再现操作盒的面板节目录章目录节目录章目录ABB示教盒RobotStudiodownloadpage的功能操作功能安全保护功能维护功能编程功能3.XRC的外部轴控制节目录章目录本节完除可控制本体6个关节轴外，还可以有另外15个含有伺服驱动器和伺服电动机的伺服单元，则称外部轴。6.3.1机器人分解运动的速度控制6.3.2机器人分解运动的加速度控制6.3控制理论与算法章目录6.3.3力和力矩的控制6.3.1机器人分解运动的速度控制n个自由度的机器人，其末端执行器在笛卡儿坐标系下的位姿矢量：机器人的广义关节坐标矢量：两者之间的关系：节目录T()[]XYZtPPPXT12()ntqqqq()()tXfq章目录1im，nj1节目录()()()ttXJqqiijjfJq1()()()ttqJqX()()()ttqJqXTT1()()[()()]JqJqJqJqTT1()JJJJ章目录6.3.2机器人分解运动的加速度控制节目录()()()()()ttttXJqqJqdeXX120kkeee111d2()()()[()()()(,)()]tkttktkttqqJqXXeJqqq()(,)()DqqHqqGqτ章目录6.3.3力和力矩的控制节目录本章完dqeqq120qqqqqkkeeed12()()(,)(,)qqqqkkτDqqeeHqqqGqq视频1视频2章目录总目录=()(,)()+(,)=+=()=(,)()+(,)=dvpkkτDqqHqqGqFqqττDqHqqGqFqqτqee考虑摩擦，基于动力学方程：基于模型的控制规律有：基于伺服控制规律有：d()()(,)(,)vqpqkkτDqqeeHqqqGqq