【文章內(nèi)容簡介】 尤其是要求快速響應(yīng)時，伺服電動機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時過載能力。這是伺服電動機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。 機(jī)器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的主要要求歸納如下： 1）快速性。電動機(jī)從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應(yīng)短。響應(yīng)指令信號的時間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好，一般是以伺服電 動機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)的大小來說明伺服電動機(jī)快速響應(yīng)的性能。 2）起動轉(zhuǎn)矩慣量比大。在驅(qū)動負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動慣量小。 3）控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比。 4）調(diào)速范圍寬。能使用于較大的調(diào)速范圍。 5）體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。 6）能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件 目前，由于高起動轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交、直流伺服電動機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用，一般負(fù)載 1000N（相當(dāng) 100kgf）以下的工業(yè)機(jī)器人 大多采用電伺服驅(qū)動系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動電動機(jī)主要是 AC 伺服電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)和 DC 伺服電動機(jī)。 AC 伺服電機(jī)工作原理 目前國際上的工業(yè)機(jī)器人 90%以上均采用 AC 伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。永磁交流伺服電動機(jī)同直流伺服電動機(jī)比較，主要優(yōu)點(diǎn)有： 山東大學(xué)學(xué)士論文 9 ⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護(hù)和保養(yǎng)要求低。 ⑵定子繞組散熱比較方便。 ⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。 ⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。 ⑸同功率下有較小的體積和重量。 機(jī)器人所采用的 AC 伺服電機(jī)也常常被稱作是 DC 無刷伺服電機(jī)。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū) 動器控制的 U/V/W 三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度 [4]。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。 圖 31 給出了 AC 伺服電機(jī)工作電路的基本組成。交流電源通過整流濾波后再經(jīng)過PWM 逆變器輸出交流信號，形成旋轉(zhuǎn)的磁場，從而使電機(jī)運(yùn)動。通過控制驅(qū)動電路的脈沖信號通斷來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)動的控制 [5]. 伺服控制方式選擇 一般伺服包含三種控制方式：速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，位置控制方式。 （ 1）速度控制方式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)動速度的控制，速度控制模式主要用于對速度要求比較高的場合。 （ 2）轉(zhuǎn)矩控制方式：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機(jī)軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。 主要應(yīng)用于對速度和位置要圖 31 AC 伺服電機(jī)工作電路基本組成 山東大學(xué)學(xué)士論文 10 求不太嚴(yán)格，對材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中。 （ 3）位置控制方 式：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。 碼垛機(jī)器人運(yùn)動軌跡屬于 PTP 型，在運(yùn)動過程中末端執(zhí)行器以最快的速度從一點(diǎn)準(zhǔn)確定位到另一點(diǎn)。機(jī)器人的控制對末端執(zhí)行器的位置精度要求較高，而對末端執(zhí)行器的速度控制和力矩控制沒有特殊要求，所以確定碼垛機(jī)器人關(guān)節(jié)點(diǎn)選擇位置伺服控制方式以保證末端定位精度。 位置伺服系統(tǒng) 關(guān)節(jié)單元 位置伺服 控制系統(tǒng)工作原理 如圖 32 位置給定信號與位置反饋信號之差值通過調(diào)節(jié)器進(jìn)行動態(tài)校正，然后送至速率調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器，即經(jīng)過外環(huán)、中環(huán)、內(nèi)環(huán)三個閉環(huán)調(diào)節(jié)器的校正再由模擬功率接口驅(qū)動伺服電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)位置伺服控制。在這個系統(tǒng)中，位置調(diào)節(jié)器的作用是使位置給定與的偏差向最小變化。速度反饋調(diào)節(jié)器的主要作用是阻尼位置調(diào)節(jié)過程的超調(diào)。電流調(diào)節(jié)器的作用是減小力矩波動，改善動態(tài)響應(yīng)的快速性，并對最大電流進(jìn)行限定等。濾波電路的作用是濾除位置或速率傳感器輸出信號中的諧波信號。以上各環(huán)節(jié)的參數(shù)的設(shè)計和速度檢測 微處理器構(gòu)成的位置控制 速度控制器 電流調(diào)節(jié)器 PWM放大器 伺服電機(jī) 速度給定 電流給定 θ 電流反饋 編碼器信號接收處理 位置檢測 脈沖給定 濾波器 濾波器 圖 32 位置伺服控制方式原理圖 山東大學(xué)學(xué)士論文 11 整定應(yīng)根據(jù)具體的負(fù)載的 性質(zhì)（力矩和慣量的大?。?，以便滿足位置伺服精度的要求 [6]。 位置環(huán)處理時采用積分 PID 算法。通過調(diào)節(jié)比例、積分、微分的參數(shù)，可以使伺服電機(jī)獲得較好的動態(tài)性能，使實(shí)際位置與期望位置偏差較小，從而使系統(tǒng)保持較高的運(yùn)動精度。 離散化 PID 控制算式為： )]1()([)()()( 0 ?????? ? kekeKieKkeKkU dniip 其中， k 為采樣序列號， k=0， 1， 2．．．； Kp、 Ki、 Kd 分別表示比例、微分、積分系數(shù)。根據(jù)遞推原理得到其增量式 PID 算 法為： )]1()([)()()( ????????? kekeKkeKkeKkU dip 通過調(diào)整 Kp、 Ki、 Kd 的值，配合較高的機(jī)械精度，可以使伺服系統(tǒng)的動作靈敏，響應(yīng)加快，使位置控制在一定的偏差范圍內(nèi)。 機(jī)器人 MATLAB 仿真 系統(tǒng)仿真采用 MATLAB 中 Simulink 自帶的機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)例。具體仿真模型如圖 33 所示。 該仿真系統(tǒng)中采用兩路伺服電機(jī)，模擬平面內(nèi)的運(yùn)動。可以實(shí)現(xiàn)兩軸的協(xié)調(diào)控制仿圖 33 機(jī)器人系統(tǒng) MATLAB 仿真原理圖 山東大學(xué)學(xué)士論文 12 真過程模擬機(jī)器人從點(diǎn) [30,45]到點(diǎn) [30， 45]的運(yùn)動狀態(tài)，運(yùn)行時間為 , 其中參數(shù)設(shè)置為兩路電機(jī)系統(tǒng)位置環(huán) PID 參數(shù)均為 P=32021， D=400，速度環(huán) PID 參數(shù)設(shè)置為 P=，I=10，加速度及減速度均設(shè)為 5000 rpm/s ，減速比設(shè)置為 130。仿真結(jié)果如圖 34，其中第一幅仿真圖讀取的參數(shù)為機(jī)器人運(yùn)動參數(shù)。從上到下讀取參數(shù)依次為轉(zhuǎn)矩、加速度、運(yùn)動速度、位置。第二幅和第三幅讀取的分別是兩路伺服電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，從上到下依次為電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、回轉(zhuǎn)速度。從圖中可知，該系統(tǒng)多電機(jī)同步效果較好，反應(yīng)靈敏，位移較為精確，可以很好的滿足碼垛的需求。 山東大學(xué)學(xué)士論文 13 圖 34 MATLAB 仿真結(jié)果 山東大學(xué)學(xué)士論文 14 本章小結(jié) 通過對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求及 AC 伺服電機(jī)工作原理的分析，選擇合適的伺服控制方式，即位置控制方式。并通過對反饋環(huán)的分析，獲得所要調(diào)節(jié)的控制參數(shù)。最后通過 MATLAB仿真，進(jìn)行控制方式驗(yàn)證和參數(shù)調(diào)整。 山東大學(xué)學(xué)士論文 15 第四章 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計 硬件系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu) 整個控制系統(tǒng)基本硬件平臺如圖 41所示 主要控制部件選型 1．運(yùn)動控制器 運(yùn)動控制器選用美國 Parker 公司生產(chǎn)的獨(dú)立式系統(tǒng)級別的多軸控制器 ACR9000。和圖 41 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 伺服驅(qū)動器 伺服驅(qū)動器 伺服驅(qū)動器 伺服驅(qū)動器 腰座 關(guān)節(jié) 水平 關(guān)節(jié) 垂直 關(guān)節(jié) 腕部 關(guān)節(jié) 上位機(jī) 觸摸屏 運(yùn)動控制器 接近開關(guān) 電磁閥 氣缸 腕部 手爪 山東大學(xué)學(xué)士論文 16 傳統(tǒng)的板卡級運(yùn)動控制卡相比， ACR9000 可脫離工控機(jī)工作 ，穩(wěn)定性好；封閉式結(jié)構(gòu)，抗干擾強(qiáng)；屏蔽電纜連接，屏蔽性好，通訊距離長；體積小巧。 ACR9000 的特點(diǎn)主要包括以下幾個方面 （ 1）穩(wěn)定，可靠的硬件結(jié)構(gòu) （ 2）直觀、友善的調(diào)試開發(fā)界面（ ACRVIEW） （ 3）靈活、簡便的編程功能 （ 4）強(qiáng)大、開放的 PID 算法 （ 5）強(qiáng)勁、多樣的運(yùn)動及插補(bǔ)功能 （ 6）針對不通應(yīng)用領(lǐng)域提供的特殊功能 （ 7）強(qiáng)大的通訊能力，便捷地 HMI 開發(fā)方式 控制器具體規(guī)格參數(shù)說明如表 1 所示 硬件 控制軸數(shù) 2 ， 4 ， 6or8 軸（選用的為 6軸） 處理器 32 位浮點(diǎn) DSP@150MFLOPS/75MHz 軌跡運(yùn)算 64bit 精確度 用戶存儲區(qū) 1MB 內(nèi)存，用于保存用戶的程序和設(shè)置的參數(shù) 固件 閃存 外形尺寸 ” W ” H ” D(24axes), ” w ” H ” D(68axes) 操作系統(tǒng) 多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng) 電池 可選備份電池使用戶程序和參數(shù)不易丟失 性能 多任務(wù) 8 個坐標(biāo)系 /16 個正本程序 /8 個梯形圖程序 軌跡更新 每 100500 μ s 伺服更 新 25 μ s/axis 梯形圖邏輯 PLC 100500 μ s 掃描時間 插補(bǔ) 直線、圓弧、正弦曲線、螺旋線、橢圓、樣條、三維弧形 伺服環(huán) PID ，速度前饋，加速度前饋， Notch 和低通濾波 位置修正 硬件＜ 1usec 通訊 串行接口 1 個串行端口（ RS232 and/or RS422 ） Ether 10/100BaseT USB CANopen DS401 協(xié)議，用于 I/O 擴(kuò)展。（可選項） 控制信號 模擬輸出 可輸出到 8 路， 16 位模擬量 步進(jìn)輸出 可輸出到 8 路，最高頻率 表 1 ACR9000 規(guī)格參數(shù)說明 山東大學(xué)學(xué)士論文 17 輸入輸出 編碼器輸入 可輸入到 10 路正交編碼器信號， 20MHz?？赏ㄟ^軟件設(shè)置同步串行接口（ SSI ），正交接口，步進(jìn)和方向， CW/CCW 模式 模擬輸入 8 路單端（ 4 路雙端）， 12 位（可選項） 內(nèi)置數(shù)字 I/O 2 到 4 軸控制內(nèi)置 20 點(diǎn) 24VDC 光隔離輸入， 4 點(diǎn) 24VDC 光隔離輸出； 4 到 8 軸控制器內(nèi)置 40 點(diǎn)， 24VDC 光隔離輸入， 8 點(diǎn) 24VDC 光隔離輸出 軟件提供 開發(fā)軟件 ACRView 軟件開發(fā)包 語言支持 動態(tài)鏈接庫支持 C++,VB6,C, 2. 觸摸屏 觸摸屏選用威綸 MT6100iV。威綸系列觸摸屏是目前市場上使用較為廣泛的一類觸摸屏。所選內(nèi)含 32 位 RISC（精簡指令集）微處理器，高效快速，功能強(qiáng)大、使用方便、可靠性高、壽命長、性價比高。觸控反應(yīng)靈敏，具有高可靠性。能夠支持市場上大多數(shù)的 PLC，特別是兼容對 ACR9000 控制器的開發(fā)，這是其它觸摸屏所不具有的。 3. 伺服驅(qū)動器及伺服電機(jī) 選用安川系列產(chǎn)品。驅(qū)動器型號為 SGDM10ADA，輸入電壓為 200230V，最大輸入電流為 7A。輸出 0230V，輸出功率為 230W 伺服電機(jī)根據(jù)關(guān)節(jié)位置的不同，工作性能要求也不相同。這里不再詳細(xì)說明。 通信線路連接 觸摸屏與 ACR9000 的連接 觸摸屏與 ACR9000控制器之間通過 RS232進(jìn)行串口通訊 [7]， 具體通信線路連接如圖圖 42所示： weinview MT8000 系列觸摸屏 COM1 ACR9000 RS232 COM1 2 RX 3 TX 5 GND 3 TX 2 RX 5 GND 圖 42 ACR9000 與觸摸屏連接示意圖 山東大學(xué)學(xué)士論文 18 其中通訊參數(shù)設(shè)置為 COM1（ 9600， N， 8， 1），不需要進(jìn)行站號設(shè)置。 ACR9000 與伺服驅(qū)動器之間的連接 該連接信號線路較多，連接起來比較復(fù)雜。具體線路連接圖如圖 43所示。 控制器和伺服驅(qū)動器具體引腳功能說明見表 2 ACR9000 安川 引腳號 說明 引腳號 說明 3 編碼器輸入 A+ 33 PA0 4 編碼器輸入 A 34 /PA0 5 編碼器輸入 B+ 35 PB0 6 編碼器輸入 B 36 /PB0 7 編碼器輸入 C+ 19 PC0 8 編碼器輸入 C 20 /PC0 圖 43 ACR9000 與安川伺服驅(qū)動器連接電路圖 2 4 V 開 關(guān) 電 源+ACR9000安川伺服驅(qū)動器A + 3E n a b l e 2 0D r i v ef a u l t + 1 6D i r 1 3D i r + 1 2S t e p 1 1S t e p + 1 0Z 8Z + 7B 6B + 5A 4D r i v ef a u l t 1 7E n a b l e + 2 1D r i v eR e s e