基于EMWIN多軸二質量PID運動控制平臺的研究

劉飛飛，伍伊軍，劉龍細，高堂盼

（1.江西理工大學 電氣工程學院，贛州 341000；2.江西理工大學 機電工程學院，贛州 341000）

0 引言

國務院下發(fā)了《中國制造2025》明確指出機器人為重點發(fā)展領域。機器人技術作為高精尖技術的融合體，不但具有巨大的經(jīng)濟效益更擁有無可替代的意義。多軸運動控制器是機器人的核心部分。對于機器人本體來說，動力系統(tǒng)采用帶減速器的伺服電機等等部件。剛體機構采用臂關節(jié)，腕關節(jié)，腰關節(jié)等等機械結構，各個運動模塊通過一定的順序和連桿機構鏈接成一個完整的機器人本體。而要讓整個系統(tǒng)能夠協(xié)調的運作。就必須要有多軸運動控制系統(tǒng)。對于我國來說核心控制技術基本依賴進口然而引進成本過高不利于我國戰(zhàn)略性發(fā)展。針對以上問題，本文研究設計了串聯(lián)多軸可編程運動控制機器人。該機器人具有人機界面友好，實時性較高，可二次開發(fā)，具有多種編程方式等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)模型的建立

機器人動力學目的在于控制機器人，優(yōu)化設計和動態(tài)仿真。機器人系統(tǒng)可以認為是在外載荷和驅動力的作用下達到靜態(tài)平衡，在驅動力作用下產(chǎn)生運動。理想機械臂可以看做是多剛體多約束結構。要取得良好的機器人動態(tài)性能就必須規(guī)劃好機器人本體結構采用大小適中的非線性耦合驅動力。

1.1 建立D-H坐標系

圖1 多軸運動控制機器人簡圖

1.2 D-H坐標系參數(shù)和關節(jié)變量

表1 D-H坐標系參數(shù)和關節(jié)變量表

1.3 連桿之間的位姿矩陣

1.4 機器人正運動方程解

1.5 機器人逆運動方程解

可知：

令：

同理求得其他角度：

2 機器人硬件結構設計

本文所設計的多軸運動控制器預留豐富接口使裝載在機器人身上的傳感器信號數(shù)據(jù)可以得到有效的處理。多軸運動控制系統(tǒng)將現(xiàn)場運動的實時參數(shù)開啟DMA數(shù)據(jù)通道進行信息采集處理，同時根據(jù)反饋而來的參數(shù)讓上位機對機器人的周邊情況和位置有一個清晰認識，添加OV7670攝像頭為方便進行實時觀測，便于做出決策和控制。

STM32芯片采用外部供電芯片AMS1117提高3.3V穩(wěn)壓電源，為便于算法和圖形界面程序的順利運行外擴FLASH（w25q128fv）和SRAM（is62wv51216）進行補充，使用FSMC控制觸摸屏（ILI9488），以CH340芯片進行上位機和STM32進行USART通信。采用定時器進行脈沖寬度調制進而控制松下A5伺服電機。

圖2 ARM芯片硬件功能模塊結構

圖3 多軸運動控制單元結構

主電源漏電斷路器將電源分配給STM32F103ZET6芯片和過電流保護裝置配線斷路器（MCCB），之后串聯(lián)噪音濾波器（NF）防止外部噪音和驅動器的耦合。設置線圈浪涌吸收器后接通電磁接觸器（NF），采用電抗器（L）降低電源的高次諧波電流，之后驅動器IM174連接松下A5伺服電機MSMD042G1U帶動機械系統(tǒng)動作。在運動過程中機械運動系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的角度、電流，扭矩等數(shù)據(jù)被傳感器讀取采集，通過信息采集接口后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM控制芯片中。

3 機器人軟件結構設計

采用實時多任務FreeRTOS系統(tǒng)作為控制內核，將內核任務劃分為：進程調度，內存管理，進程間通信，實時任務處理，圖形界面編輯。如果采用軟件和上位機進行通信，則上位機通過編輯預先定義的編程代碼，由STM32F103ZET6處理器經(jīng)過辨析取值，從而實現(xiàn)對各軸電機的啟動、加速、反轉、減速及停止，精確定位控制。如果采用ILI9488觸摸屏編程，則由人機界面的編程界面進入，輸入代碼編號和參數(shù)值，進行在線編輯工作。兩種方法相互補充增強了系統(tǒng)工作的可靠性。

圖4 軟件系統(tǒng)功能結構

電機控制任務的流程大致為：程序初始化進入先進行等待各個模塊初始化，一切準備就緒后開始等待用戶編輯控制指令。程序運行后，處理器將調用二質量PID控制子程序計算當前輸出PWM的占空比，啟動定時器模塊輸出確定脈沖數(shù)。如果不繼續(xù)編輯指令就自動退出該運動控制狀態(tài)。

4 仿真研究

高精度的要求下，機械軸會發(fā)生一定的形變。傳動軸的形變導致了在傳遞特性中出現(xiàn)機械諧振。忽略傳動軸的轉動慣量。便可以將其視為二質量（電機,負載）三環(huán)控制伺服電機系統(tǒng)。二質量PID控制子程序將實時采樣數(shù)值與設定值進行比較計算出偏差e(n)，利用P、I、D參數(shù)運算修正電機兩端電壓值，控制PWM脈沖的占空比進而控制電機轉速。以保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應的動靜態(tài)特性達到最佳。設定系統(tǒng)采樣周期為一毫秒，且在速度環(huán)中外加粘性摩擦，在MATLAB的SIMULINK模塊中仿真如圖6所示。

圖5 基于二質量PID控制的程序流程圖

圖6 基于二質量的伺服系統(tǒng)PID控制仿真

圖7 基于PID的正弦速度跟蹤

圖8 基于PID的正弦位置跟蹤

仿真結果表明采二質量伺服PID控制策略控制伺服電機系統(tǒng)，在系統(tǒng)突加負載或參數(shù)變化時，系統(tǒng)響應時間更短，收斂速度更快，在同樣精度的要求下比單純閉環(huán)控制方法，系統(tǒng)的過渡時間縮短。因此改善調速系統(tǒng)性能方面表現(xiàn)出了更強的功能特性。

圖9 基于CORTEX-M3的觸摸屏編程界面

5 結論

1）建立新型硬件實驗平臺便于控制算法檢驗，為多軸運動控制器的研發(fā)提供了新的思路和方法。

2）采用了開源免費實時系統(tǒng)FreeRTOS內核加EMWIN圖形內核軟件平臺，與常用的非實時LINUX加QT圖形系統(tǒng)相比，內核短小精簡，系統(tǒng)實時性表現(xiàn)卻更強。

3）采用二質量伺服PID控制算法，仿真結果達到預期，運動控制實現(xiàn)平穩(wěn)快速高精度移動。

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