1、机器人的控制系统机器人的控制系统机器人传感器机器人传感器驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统控制理论与算法控制理论与算法第1页，共63页。n工业机器人的控制系统包含对机器人本体工作过程进行控制的工业机器人的控制系统包含对机器人本体工作过程进行控制的控制机、机控制机、机器人专用传感器、运动伺服驱动系统器人专用传感器、运动伺服驱动系统等。控制系统主要对机器人工作过程中的等。控制系统主要对机器人工作过程中的动作顺序、应到达的位置及姿态、路径轨迹及规划、动作时间间隔以及末端动作顺序、应到达的位置及姿态、路径轨迹及规划、动作时间间隔以及末端执行器施加在被作用物上的力和力矩等进行控制。控制系统中涉及传感技
2、术、执行器施加在被作用物上的力和力矩等进行控制。控制系统中涉及传感技术、驱动技术、控制理论和控制算法。驱动技术、控制理论和控制算法。n目前广泛使用的工业机器人中，目前广泛使用的工业机器人中，控制机多为微型计算机控制机多为微型计算机，外部有控制柜封装。，外部有控制柜封装。这类机器人这类机器人一般采用示教一般采用示教-再现的工作方式再现的工作方式，机器人的作业路径、运动参数由，机器人的作业路径、运动参数由操作者手把手示教或通过程序设定，机器人重复再现示教的内容；机器人配有简操作者手把手示教或通过程序设定，机器人重复再现示教的内容；机器人配有简单的内部传感器，用来感知运行速度、位置和姿态等，还可以配
3、备简易的视觉、单的内部传感器，用来感知运行速度、位置和姿态等，还可以配备简易的视觉、力传感器感知外部环境。力传感器感知外部环境。n智能机器人智能机器人的控制机多为计算机，处理的信息量大，控制算法复杂。同时的控制机多为计算机，处理的信息量大，控制算法复杂。同时配配备了多种内部、外部传感器，不但能感知内部关节运行速度及力的大小，还能对外部备了多种内部、外部传感器，不但能感知内部关节运行速度及力的大小，还能对外部的环境信息进行感知、反馈和处理。的环境信息进行感知、反馈和处理。第2页，共63页。5.1 机器人传感器机器人传感器n机器人传感器的特点和要求机器人传感器的特点和要求n机器人内部传感器机器人内
4、部传感器n机器人外部传感器机器人外部传感器第3页，共63页。机器人传感器的选择要求机器人传感器的选择要求n传感器类型的选择传感器类型的选择 机器人应具备什么感觉机器人应具备什么感觉?n传感器性能指标的确定传感器性能指标的确定 机器人传感器应达到什么样的性能要求机器人传感器应达到什么样的性能要求?n传感器物理特征的选择传感器物理特征的选择 尺寸和重量、输出形式、可插接性尺寸和重量、输出形式、可插接性第4页，共63页。传感器类型的选择传感器类型的选择n选择什么类型的传感器得看选择什么类型的传感器得看机器人的需要机器人的需要n简单触觉：确定工作对象是否存在简单触觉：确定工作对象是否存在n复合触觉：确
5、定工作对象是否存在以及它的尺寸和形复合触觉：确定工作对象是否存在以及它的尺寸和形状状n简单力觉：沿一个方向测量力简单力觉：沿一个方向测量力n复合力觉：测量多个方向的力复合力觉：测量多个方向的力n接近觉：对工作对象的非接触探测接近觉：对工作对象的非接触探测n视觉：识别工作对象视觉：识别工作对象机器人对传感器的一般要求：机器人对传感器的一般要求：（1）精度高，重复性好）精度高，重复性好（2）稳定性好，可靠性高）稳定性好，可靠性高（3）抗干扰能力强）抗干扰能力强（4）重量轻，体积小，安装方便可靠）重量轻，体积小，安装方便可靠（5）价格便宜）价格便宜第5页，共63页。传感器类型的选择传感器类型的选择n
6、不同的加工任务对机器人提出了不同的要求搬运机器人需要什么传感器呢：搬运机器人需要什么传感器呢：视觉：用于被拾取零件的粗定位触觉：感知零件存在、确定该零件的准确位置、确 定该零件的方向，有助于机器人更可靠地拾取零件力觉：控制搬运机器人的夹持力，防止手爪损坏被拾取零件装配机器人需要什么感觉呢：装配机器人需要什么感觉呢：视觉、触觉和力觉装配工作对工作位置的要求更高，这得依赖于上述三种传感器协调配合喷漆机器人：喷漆机器人：1、位置检测传感器（1）光电开关：检测待漆工件是否进入工作范围（2）测速码盘：检测机器人的喷漆运动速度（3）超声波测距传感器（4）气动式安全保护器2、识别待漆工件传感器（1）阵列视觉
7、传感器（2）视觉系统焊接机器人：焊接机器人：位置传感器位置传感器速度传感器速度传感器接近觉传感器接近觉传感器视觉系统（特用于弧焊机器人）视觉系统（特用于弧焊机器人）第6页，共63页。传感器类型的选择n机器人的控制需要传感器机器人的控制需要传感器内部传感器：内部传感器：位置传感器：位置反馈位置传感器：位置反馈速度传感器：速度控制，动力学计算需要速度传感器：速度控制，动力学计算需要加速度传感器：动力学计算需要加速度传感器：动力学计算需要第7页，共63页。传感器类型的选择n有些辅助工作需要传感器的帮助有些辅助工作需要传感器的帮助产品检验：产品检验：需要视觉零件分类：零件分类：需要视觉，对零件进行识别
8、需要触觉，判断是否接触到零件需要力觉，判断零件是否放置到位第8页，共63页。传感器类型的选择n“安全安全”需要传感器需要传感器机器人自身的安全机器人自身的安全力觉：检测各连杆和构件的受力触觉：防止机器人和周围物体的碰撞接近觉：更好地避障使用者的安全使用者的安全安全导线安全导线安全开关安全开关防干扰传感器：电容式、光电式、超声波式等防干扰传感器：电容式、光电式、超声波式等第9页，共63页。传感器性能指标的确定传感器性能指标的确定n灵敏度：适中即可灵敏度：适中即可n线性度：应高些线性度：应高些n测量范围：必须覆盖被测量的工作范围测量范围：必须覆盖被测量的工作范围n精度：合适就好精度：合适就好n重复
9、性：很重要重复性：很重要n分辨率：取决于控制要求分辨率：取决于控制要求n响应时间：越短越好响应时间：越短越好n可靠性：可靠性：98%99%第10页，共63页。传感器物理特征的选择n尺寸和重量：影响机器人的运动性能，应该减小或减轻n输出形式：最好是数字式电压信号，便于计算机直接进行处理n可插接性：影响传感器使用的方便程度和机器人结构的复杂程度（进而影响到成本），应设计通用接口，传感器输出信号的大小和形式应能与其他外设相匹配第11页，共63页。机器人内部传感器n电位器式位移传感器n光电编码器（最简单的数字式位置光电编码器（最简单的数字式位置/移传移传感器）感器）绝对式：能给出关节的实际位置相对式：
10、能给出关节的实际位移第12页，共63页。绝对式编码器绝对式编码器23222120白色区域为透光区黑色区域为不透光区分辨率为360/2n其中n为码道数目加工困难加工困难成本较高成本较高第13页，共63页。相对式编码器相对式编码器通过计算脉冲个数来得到输入轴所转过通过计算脉冲个数来得到输入轴所转过的相对角度，分辨率为的相对角度，分辨率为360/nabz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距AABBZZm+/4信号处理装置第14页，共63页。相对式编码器相对式编码器第15页，共63页。机器人的外部传感器机器人的外部传感器n接近觉传感器接近觉传感器n接触觉接触觉n力觉力觉n压觉压觉n滑觉滑觉第16
11、页，共63页。一、机器人的接近觉传感器一、机器人的接近觉传感器n接近觉是一种粗略的距离感觉，大多只接近觉是一种粗略的距离感觉，大多只要求给出简单的阈值判断：接近与否。要求给出简单的阈值判断：接近与否。n用于日常生活中：电子卫兵（猫、狗）、用于日常生活中：电子卫兵（猫、狗）、自动感应门等。自动感应门等。n在机器人中的用途：避障和防止冲击在机器人中的用途：避障和防止冲击n感应式、光反射式、超声波式感应式、光反射式、超声波式第17页，共63页。1、感应式接近觉传感器（不常用）、感应式接近觉传感器（不常用）第18页，共63页。2、光学接近觉传感器、光学接近觉传感器 由于光的反射受到诸如物体形状、表面光
12、洁度和颜色等许多因素由于光的反射受到诸如物体形状、表面光洁度和颜色等许多因素的影响，所以更一般地采用目标物对发光二极管散射光的的影响，所以更一般地采用目标物对发光二极管散射光的反射光强度反射光强度进行测量的方法。进行测量的方法。第19页，共63页。3、超声波接近觉传感器、超声波接近觉传感器不适合探测橡胶和泡沫材料的物体不适合探测橡胶和泡沫材料的物体第20页，共63页。4、其他接近觉传感器、其他接近觉传感器第21页，共63页。二、接触觉传感器二、接触觉传感器n接触觉传感器可以使机器人在运动中接接触觉传感器可以使机器人在运动中接触到障碍物时向控制器发出信号。触到障碍物时向控制器发出信号。n接触觉传
13、感器开关接触觉传感器开关n压阻式阵列接触觉传感器压阻式阵列接触觉传感器n光学式接触觉传感器光学式接触觉传感器第22页，共63页。1、接触觉传感器开关、接触觉传感器开关第23页，共63页。2、压阻式阵列接触觉传感器第24页，共63页。3、光学式接触觉传感器第25页，共63页。三、力觉传感器三、力觉传感器n压电晶体、力敏电阻（压电晶体、力敏电阻（FSR）、应变片）、应变片n关节力传感器关节力传感器 装在关节驱动器上，测量驱动器本身的输出力和力矩，装在关节驱动器上，测量驱动器本身的输出力和力矩，用于控制中的力反馈。用于控制中的力反馈。n腕力传感器腕力传感器 装在末端执行器和机器人最后一个关节之间，直
14、接测出作装在末端执行器和机器人最后一个关节之间，直接测出作用在末端执行器上的各向力和力矩。用在末端执行器上的各向力和力矩。n指力传感器指力传感器 装在手爪指关节上，用来测量夹持物体时的受力情况。装在手爪指关节上，用来测量夹持物体时的受力情况。第26页，共63页。1、腕力传感器之一、腕力传感器之一第27页，共63页。2、腕力传感器第28页，共63页。四、滑觉传感器四、滑觉传感器n滑觉信息可从触觉图像的动态变化中获取滑觉信息可从触觉图像的动态变化中获取n机器人专用滑觉传感器（南斯拉夫贝格莱机器人专用滑觉传感器（南斯拉夫贝格莱德大学研制）德大学研制）第29页，共63页。1、接触觉传感器用于滑觉检测、
15、接触觉传感器用于滑觉检测第30页，共63页。2、断续型滑觉传感器、断续型滑觉传感器第31页，共63页。3、机器人专用滑觉传感器、机器人专用滑觉传感器第32页，共63页。5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统n早期的工业机器人都用液压、气动方式来进行伺服驱动。随着大功率交流伺服驱早期的工业机器人都用液压、气动方式来进行伺服驱动。随着大功率交流伺服驱动技术的发展，目前大部分被电气驱动方式所代替，只有在少数要求超大的输出动技术的发展，目前大部分被电气驱动方式所代替，只有在少数要求超大的输出功率、防爆、低运动精度的场合才考虑使用液压和气压驱动。电气驱动无环境污功率、防爆、低运动精度的场合才考虑使
16、用液压和气压驱动。电气驱动无环境污染，响应快，精度高，成本低，控制方便。染，响应快，精度高，成本低，控制方便。n电气驱动按照驱动执行元件的不同又分为电气驱动按照驱动执行元件的不同又分为步进电动机驱动、直流伺服电步进电动机驱动、直流伺服电 动机驱动和交流动机驱动和交流伺服电动机驱动伺服电动机驱动三种不同形式；按照伺服控制方式分可分为三种不同形式；按照伺服控制方式分可分为开环、闭环和半闭环伺服控制开环、闭环和半闭环伺服控制系系统。统。n步进电动机驱动一般用在开环伺服系统步进电动机驱动一般用在开环伺服系统中，这种系统没有位置反馈装置，控制精度相对较低，中，这种系统没有位置反馈装置，控制精度相对较低，
17、适用于位置精度要求不高的机器人中；适用于位置精度要求不高的机器人中；交、直流伺服电动机用于闭环和半闭环伺服系交、直流伺服电动机用于闭环和半闭环伺服系统统中，这类系统可以精确测量机器人关节和末端执行器的实际位置信息，并与理中，这类系统可以精确测量机器人关节和末端执行器的实际位置信息，并与理论值进行比较，把比较后的差值反馈输入，修改指令进给值，所以这类系统具有论值进行比较，把比较后的差值反馈输入，修改指令进给值，所以这类系统具有很高的控制精度。很高的控制精度。5.2.1 概述概述第33页，共63页。5.2.1 概述概述n一般的一般的伺服控制系统包括伺服执行元件伺服控制系统包括伺服执行元件(伺服电动
18、机伺服电动机)、伺服运动控制器、功率放大器、伺服运动控制器、功率放大器(又称伺服驱动器又称伺服驱动器)、位置检测元件、位置检测元件等。等。伺服运动控制器的功能是实现对伺服电动机的伺服运动控制器的功能是实现对伺服电动机的运动控制，包括力、位置、速度等的控制。运动控制，包括力、位置、速度等的控制。n随着芯片集成技术和计算机总线技术的发展，随着芯片集成技术和计算机总线技术的发展，专用运动控制芯片和运动控制卡专用运动控制芯片和运动控制卡越来越越来越多地作为机器人的运动控制器。这两种形式的伺服运动控制器控制方便灵活，成本低，多地作为机器人的运动控制器。这两种形式的伺服运动控制器控制方便灵活，成本低，都以
19、通都以通用用PC机为平台，借助机为平台，借助PC机的强大功能来实现机器人的运动控制。机的强大功能来实现机器人的运动控制。前者利用专用运动前者利用专用运动控制芯片与控制芯片与PC机总线组成简单的电路来实现；后者直接做成专用的运动控制卡。这两机总线组成简单的电路来实现；后者直接做成专用的运动控制卡。这两种形式的运动控制器内部都集成了机器人运动控制所需的许多功能，有专用的开发指种形式的运动控制器内部都集成了机器人运动控制所需的许多功能，有专用的开发指令，所有的控制参数都可由程序设定，使机器人的控制变得简单，易实现。令，所有的控制参数都可由程序设定，使机器人的控制变得简单，易实现。第34页，共63页。
20、5.2.1 概述概述n运动控制器都运动控制器都从主机从主机(PC机机)接受控制命令，从位置传感器接接受控制命令，从位置传感器接受位置信息，向伺服电动机功率驱动电路输出运动命令。受位置信息，向伺服电动机功率驱动电路输出运动命令。对对于伺服电动机位置闭环系统来说，运动控制器主要完成了位于伺服电动机位置闭环系统来说，运动控制器主要完成了位置环的作用，可称为数字伺服运动控制器，适用于包括机器置环的作用，可称为数字伺服运动控制器，适用于包括机器人和数控机床在内的一切交、直流和步进电动机伺服控制系人和数控机床在内的一切交、直流和步进电动机伺服控制系统。统。n专用运动控制器的使用使得原来由主机做的大部分计算
21、工作专用运动控制器的使用使得原来由主机做的大部分计算工作由运动控制器内的芯片来完成由运动控制器内的芯片来完成，使控制系统硬件设计简单，使控制系统硬件设计简单，与主机之间的数据通信量减少，解决了通信中的瓶颈问题，与主机之间的数据通信量减少，解决了通信中的瓶颈问题，提高了系统效率。提高了系统效率。第35页，共63页。5.2.2 基于计算机基于计算机(微处理器微处理器)和芯片的和芯片的运动控制器设计运动控制器设计nLM628专用运动控制芯片实际上是一个专用运动控制芯片实际上是一个具有专门用途的单片机，用来控制以增具有专门用途的单片机，用来控制以增量式编码器为位置反馈元件的各种直流量式编码器为位置反馈
22、元件的各种直流或无刷直流电动机伺服系统或其他伺服或无刷直流电动机伺服系统或其他伺服系统，具有很强的实时运算能力。该芯系统，具有很强的实时运算能力。该芯片具有丰富的指令集，可以通过上级计片具有丰富的指令集，可以通过上级计算机编程控制。只要用一片算机编程控制。只要用一片LM628和其和其他一些功能器件就可构成一个伺服系统。他一些功能器件就可构成一个伺服系统。第36页，共63页。nLM628构成的伺服系统组成非常简单，用一片构成的伺服系统组成非常简单，用一片LM628、一个一个D/A转换器、一个功率放大器、一台伺服电动机、一转换器、一个功率放大器、一台伺服电动机、一个增量式编码器就可以构成一个伺服系
23、统，其原理图如个增量式编码器就可以构成一个伺服系统，其原理图如图所示。图所示。(1)接受主机发送来的运动控制指令，把运动控制器当前的状态及数据送给主机。接受主机发送来的运动控制指令，把运动控制器当前的状态及数据送给主机。(2)作为作为速度曲线发生器速度曲线发生器，执行速度梯形图的计算和数字滤波，产生速度曲线。不论位置控制还是速度，执行速度梯形图的计算和数字滤波，产生速度曲线。不论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。控制都需要有速度曲线发生器产生梯形速度分布图。(3)利用增量式编码器进行实际位置的反馈。利用增量式编码器进行实际位置的反馈。(4)在运行中计算实际位置和理论
24、位置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由速度发生器产生的位置)的差值，并把该差值经的差值，并把该差值经PID数字滤波器处数字滤波器处理后输出，经外接理后输出，经外接D/A转换器转换和功率放大，最后驱动电动机运动。转换器转换和功率放大，最后驱动电动机运动。第37页，共63页。速度发生器速度发生器n速度发生器产生的速度曲线计算出了期望位置与时间的对应关系速度发生器产生的速度曲线计算出了期望位置与时间的对应关系。在位。在位置控制方式下，主机把伺服系统的加速度、最高速度和最后位置通过置控制方式下，主机把伺服系统的加速度、最高速度和最后位置通过LM628的用户指令发送给的用户指令发送
25、给LM628，LM628则按照规定的曲线控制伺服电动机以规定则按照规定的曲线控制伺服电动机以规定的加速度运动到最高速度，然后以该速度恒速运动到减速点，接着以负加速的加速度运动到最高速度，然后以该速度恒速运动到减速点，接着以负加速度开始减速直到电动机到达目标位置停止。度开始减速直到电动机到达目标位置停止。第38页，共63页。LM628芯片的运动控制器电路设计芯片的运动控制器电路设计 nLM628通过通过8位数据线与主机进行数据读写传输，由主机的读写控制信号线发读写控制命令位数据线与主机进行数据读写传输，由主机的读写控制信号线发读写控制命令进行读写。主机的地址信号线一方面经地址译码后作为进行读写。
26、主机的地址信号线一方面经地址译码后作为LM628的片选信号，另一方面用来的片选信号，另一方面用来作为作为LM628指令口或数据口操作的选择信号。指令口或数据口操作的选择信号。LM628的的8位位DAC输出口直接外接一片输出口直接外接一片8位位D/A转换芯片，经转换芯片，经D/A转换后送转换后送LM12线性放大器驱动伺服电动机。线性放大器驱动伺服电动机。第39页，共63页。5.2.3 基于基于PC(总线总线)技术的运动控制技术的运动控制(卡卡)器器 n运动控制卡的功能都为对运动轴的开、闭环控制。运动控制卡的功能都为对运动轴的开、闭环控制。第40页，共63页。运动控制器工作原理：运动控制器工作原理
27、：图中所示的增量式编码器的图中所示的增量式编码器的A、B相信号作为位置反馈输入信号。运动控制器通过四倍频及相信号作为位置反馈输入信号。运动控制器通过四倍频及加、减计数器得到实际位置。实际位置的信息保存在位置寄存器中，上级计算机可通过控制寄存加、减计数器得到实际位置。实际位置的信息保存在位置寄存器中，上级计算机可通过控制寄存器读取。运动控制器的目标位置由上级计算机设定，通过内部计算得到位置误差值，经过数字伺器读取。运动控制器的目标位置由上级计算机设定，通过内部计算得到位置误差值，经过数字伺服滤波器后，送到数模转换服滤波器后，送到数模转换(DAC)或脉宽调制器或脉宽调制器(PWM)硬件处理电路，经
28、过转换，最后输出伺硬件处理电路，经过转换，最后输出伺服电动机的控制信号，即服电动机的控制信号，即10V模拟信号或模拟信号或PWM信号。信号。运动控制器的控制模式和参数由上级计算机设定，运动控制器的控制模式和参数由上级计算机设定，GM-400根据主机发送的命令决定采用根据主机发送的命令决定采用何种加、减速控制曲线和数字滤波算法。何种加、减速控制曲线和数字滤波算法。GM-400运动控制器有两种运动控制方式：一种运动控制器有两种运动控制方式：一种是闭环方式，另一种是开环方式。闭环控制是运动控制器的默认方式，开环控制直接输是闭环方式，另一种是开环方式。闭环控制是运动控制器的默认方式，开环控制直接输出控
29、制信号。在开环控制模式下，上级计算机送到出控制信号。在开环控制模式下，上级计算机送到GM-400运动控制器的命令不需要经过运动控制器的命令不需要经过任何处理，直接输出控制。任何处理，直接输出控制。第41页，共63页。n1闭环控制下的四种运动控制模式闭环控制下的四种运动控制模式n2运动控制器的速度控制运动控制器的速度控制n3控制器运动轴的控制控制器运动轴的控制n4工作参数的设置和刷新工作参数的设置和刷新n5轴运动错误监测和状态恢复轴运动错误监测和状态恢复n6轴位置高速捕获轴位置高速捕获n7控制器中断控制器中断n8电动机输出电动机输出n9逻辑逻辑I/O控制控制n10GM-400运动控制器软件编程运
30、动控制器软件编程第42页，共63页。1闭环控制下的四种运动控制模式闭环控制下的四种运动控制模式n一旦设定当前轴为一旦设定当前轴为S曲线模式曲线模式，该控制轴将保持这种控制模式，直到调用其他运，该控制轴将保持这种控制模式，直到调用其他运动控制模式命令才能将其改变。例如设定为动控制模式命令才能将其改变。例如设定为梯形曲线模式梯形曲线模式。（1）S曲线模式控制曲线曲线模式控制曲线（2）梯形曲线控制）梯形曲线控制第43页，共63页。1闭环控制下的四种运动控制模式闭环控制下的四种运动控制模式（3）速度跟踪模式速度跟踪模式n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在该模式下，
31、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。在加速度的符号确定，即正加速度产生正向运动，而负加速度则产生负向运动。在运动过程中，速度和加速度两个参数可以随时修改。运动过程中，速度和加速度两个参数可以随时修改。（4）电子齿轮模式电子齿轮模式 n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
32、比，这是一个带符号的32位二进制数，范围为位二进制数，范围为16384至至16383(65535/65536)。运动时，从动轴作为被驱动轴，。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。其目标运动由主动轴运动乘以电子齿轮减速比来确定。第44页，共63页。2运动控制器的速度控制运动控制器的速度控制1)1)运动停止的控制运动停止的控制n有些情况下，为了安全起见或为了实现某些特定的运动轨迹，需要在特定位置使有些情况下，为了安全起见或为了实现某些特定的运动轨迹，需要在特定位置使运动停止。运动停止。GM-400GM-400提供两种方法实现这一功能：提供两种方法实现这一功能
33、：急停和平滑停止。急停和平滑停止。2)2)运动完成状态运动完成状态nGM-400GM-400运动控制器提供两个字节运动控制器提供两个字节表征运动状态表征运动状态，其中一个字节表征运动是否完，其中一个字节表征运动是否完成，另一个表征运动时的内部状态。成，另一个表征运动时的内部状态。3)3)数字伺服滤波数字伺服滤波n数字伺服滤波数字伺服滤波器用于计算电动机控制输出信号器用于计算电动机控制输出信号。GM-400GM-400运动控制器采用运动控制器采用PIDPID和和速度前馈速度前馈(PID+Vff)(PID+Vff)滤波器。滤波器。GM-400GM-400通过调节滤波器的各参数，实现精确而稳定的通过
34、调节滤波器的各参数，实现精确而稳定的系统控制。系统控制。第45页，共63页。3控制器运动轴的控制控制器运动轴的控制1)1)与主机的通信与主机的通信nGM-400GM-400运动控制器提供了命令写、数据写和数据读三种操作实现主机与运动控制器之间的信息交换。运动控制器提供了命令写、数据写和数据读三种操作实现主机与运动控制器之间的信息交换。2)2)控制器的伺服周期控制器的伺服周期nGM-400GM-400运动控制器上的每个控制轴都能独立地进行工作设置，每个工作轴从运动控制器上的每个控制轴都能独立地进行工作设置，每个工作轴从DSPDSP计算资源中获得一个时间段，不计算资源中获得一个时间段，不工作的轴可
35、以不占用工作的轴可以不占用DSPDSP的计算资源。因此当工作轴少于的计算资源。因此当工作轴少于GM-400GM-400所支持的轴数目时，可增加伺服控制的刷新频率。所支持的轴数目时，可增加伺服控制的刷新频率。3)3)控制器的轴寻址控制器的轴寻址n调用一次调用一次GM-400GM-400的命令函数通常只修改某个轴的一个参数或其运动状态，这样主机必须能单独控的命令函数通常只修改某个轴的一个参数或其运动状态，这样主机必须能单独控制每个轴的运动。为便于处理，制每个轴的运动。为便于处理，GM-400GM-400保持了主机对当前轴号的设置。当主机设置好当前轴后，保持了主机对当前轴号的设置。当主机设置好当前轴
36、后，所有后续命令将自动对当前轴进行设置。设置好的轴号一直保持不变，直到调用下一个命令对它所有后续命令将自动对当前轴进行设置。设置好的轴号一直保持不变，直到调用下一个命令对它做出修改。做出修改。4)4)控制器的状态寄存器控制器的状态寄存器nGM-400GM-400运动控制器为每一个轴提供一个状态字，以保存各轴内部运动状态。运动控制器为每一个轴提供一个状态字，以保存各轴内部运动状态。第46页，共63页。4工作参数的设置和刷新工作参数的设置和刷新n主机必须对主机必须对GM-400GM-400设置不同的运动方式及伺服参数，控制运设置不同的运动方式及伺服参数，控制运动轴以期望的方式运动。动轴以期望的方式
37、运动。nGM-400采用双缓冲机制接收设置的参数和相关的控制命令。采用双缓冲机制接收设置的参数和相关的控制命令。没有接收到主机刷新信号，这些设置的参数和运动命令都不会没有接收到主机刷新信号，这些设置的参数和运动命令都不会生效。只有在接收到生效。只有在接收到刷新命令刷新命令后，控制器才将这些参数和命令复后，控制器才将这些参数和命令复制到相应的寄存器中，使其生效。也就是说，在刷新之前，主机设制到相应的寄存器中，使其生效。也就是说，在刷新之前，主机设置到置到GM-400双缓冲寄存器中的参数和命令都将不影响系统的运双缓冲寄存器中的参数和命令都将不影响系统的运行。行。第47页，共63页。5轴运动错误监测
38、和状态恢复轴运动错误监测和状态恢复n在某些情况下，在某些情况下，轴的实际位置可能和期望位置相差很大，这轴的实际位置可能和期望位置相差很大，这通常意味着存在一些危险情况通常意味着存在一些危险情况，例如电动机故障，编码器，例如电动机故障，编码器A、B信号接反或断线，机械摩擦太大或机械故障造成运动轴堵信号接反或断线，机械摩擦太大或机械故障造成运动轴堵转等。为了能检测这种情况，增强系统的安全性和延长设备转等。为了能检测这种情况，增强系统的安全性和延长设备使用寿命，使用寿命，GM-400内部设置了最大位置误差寄存器。运动内部设置了最大位置误差寄存器。运动控制器在每一个伺服周期都比较最大位置误差值与实际位
39、置控制器在每一个伺服周期都比较最大位置误差值与实际位置误差值以检测是否出现运动错误。如果轴的实际位置误差值误差值以检测是否出现运动错误。如果轴的实际位置误差值超过了控制器设置的最大位置误差值，控制器就认为该轴出超过了控制器设置的最大位置误差值，控制器就认为该轴出现了运动错误。现了运动错误。第48页，共63页。6轴位置高速捕获轴位置高速捕获1)增量式编码器信号的输入增量式编码器信号的输入2)输入信号滤波输入信号滤波3)系统机械原点的确定系统机械原点的确定GM-400内部为每个运动轴提供了一个高速位置捕获内部为每个运动轴提供了一个高速位置捕获寄存器，用来保存外部触发信号动作时运动轴的实寄存器，用来
40、保存外部触发信号动作时运动轴的实际位置，以便确定系统的机械原点。际位置，以便确定系统的机械原点。第49页，共63页。7控制器中断控制器中断nGM-400运动控制器可通过向主机发出中断请求，使主机能及运动控制器可通过向主机发出中断请求，使主机能及时对轴运动过程中出现的事件做出处理。这种中断方式通常比时对轴运动过程中出现的事件做出处理。这种中断方式通常比主机查询控制器的各种状态更为方便和有效。主机查询控制器的各种状态更为方便和有效。n如果某个轴出现上述中断条件，激活中断请求信号，主机可如果某个轴出现上述中断条件，激活中断请求信号，主机可根据实际情况响应中断，进行适当处理。根据实际情况响应中断，进行
41、适当处理。n主机完成中断处理后，发出主机完成中断处理后，发出RST_INTRPT指令清除当前轴的中指令清除当前轴的中断请求条件，该命令能带一个清除屏蔽标志参数，使下次中断可断请求条件，该命令能带一个清除屏蔽标志参数，使下次中断可以发生。以发生。n主机一次只能响应一个轴的中断。主机一次只能响应一个轴的中断。第50页，共63页。8电动机输出电动机输出nGM-400GM-400提供两种电动机驱动器接口：提供两种电动机驱动器接口：1010位位24.524.5kHz PWMkHz PWM输出和输出和1616位位DACDAC输出。输出。1)PWM1)PWM输出输出n如果选定如果选定PWMPWM输出模式，控
42、制器输出给电动机驱动器的信号由幅值和符号位输出模式，控制器输出给电动机驱动器的信号由幅值和符号位组成。如果驱动电动机向正方向运转，符号位为高电平；如果驱动电动机向组成。如果驱动电动机向正方向运转，符号位为高电平；如果驱动电动机向负方向运转，符号位为低电平。负方向运转，符号位为低电平。2)162)16位位DACDAC输出模式输出模式n如果选定如果选定1616位位DACDAC输出模式，对于每个使能轴，控制器将把输出模式，对于每个使能轴，控制器将把1616位数字量加载到位数字量加载到DACDAC的指定转换通道中，的指定转换通道中，DACDAC输出范围为输出范围为1010V V。第51页，共63页。5
43、.2.4 机器人的伺服执行机构机器人的伺服执行机构n步进电动机步进电动机n直流伺服电动机直流伺服电动机n交流伺服电动机交流伺服电动机第52页，共63页。一、步进电动机一、步进电动机n步进电动机一般作为开环伺服系统的步进电动机一般作为开环伺服系统的执行机构，它是一种将脉冲电信号转执行机构，它是一种将脉冲电信号转换为角位移或直线位移的一种换为角位移或直线位移的一种D/A转转换装置。机器人中一般采用回转式步换装置。机器人中一般采用回转式步进电动机。如果把步进电动机装在机进电动机。如果把步进电动机装在机器人回转关节轴上，则接收一个电脉器人回转关节轴上，则接收一个电脉冲，步进电动机就带动机器人的关节冲，
44、步进电动机就带动机器人的关节轴转过一个相应的角度，即步距角。轴转过一个相应的角度，即步距角。第53页，共63页。一、步进电动机一、步进电动机n(1)输出角度精度高，无积累误差，惯性小。步进电动机的输出精度主要由步距输出角度精度高，无积累误差，惯性小。步进电动机的输出精度主要由步距角来反映。目前步距角一般可以做到角来反映。目前步距角一般可以做到0.0020.005甚至更小。步进电动机的甚至更小。步进电动机的实际步距角与理论步距角总存在一定的误差，这误差在电动机旋转一周的时间内实际步距角与理论步距角总存在一定的误差，这误差在电动机旋转一周的时间内会逐步积累，但当电动机旋转一周后其转轴又回到初始位置
45、，使误差回到零。会逐步积累，但当电动机旋转一周后其转轴又回到初始位置，使误差回到零。n(2)输入和输出呈严格线性关系。输出角度不受电压、电流及波形等因素的影响，仅取决于输入输入和输出呈严格线性关系。输出角度不受电压、电流及波形等因素的影响，仅取决于输入脉冲数的多少。脉冲数的多少。n(3)容易实现位置、速度控制，起、停及正、反转控制方便。步进电动机的位置容易实现位置、速度控制，起、停及正、反转控制方便。步进电动机的位置(输出角度输出角度)由输入脉冲数确定，其转速由输入脉冲的频率决定，正、反转由输入脉冲数确定，其转速由输入脉冲的频率决定，正、反转(转向转向)由由脉冲输入的顺序决定，而脉冲数、脉冲频
46、率、脉冲顺序都可方便地由计算机输出脉冲输入的顺序决定，而脉冲数、脉冲频率、脉冲顺序都可方便地由计算机输出控制。控制。n(4)输出信号为数字信号，可以与计算机直接接口。输出信号为数字信号，可以与计算机直接接口。n(5)结构简单，使用方便，可靠性好，寿命长。结构简单，使用方便，可靠性好，寿命长。第54页，共63页。一、步进电动机一、步进电动机n步进电动机运动系统主要由步进电动机运动系统主要由步进电动机控制器、功率步进电动机控制器、功率放大器及步进电动机放大器及步进电动机组成。组成。硬件步进电动机控制器由脉硬件步进电动机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成。冲发生器、环形分配器、控制逻辑等
47、组成。它的作用它的作用是把代表转速的脉冲数分配到电动机的各个绕组上，是把代表转速的脉冲数分配到电动机的各个绕组上，使电动机按既定的方向和转速转到相应的位置。随着使电动机按既定的方向和转速转到相应的位置。随着计算机和软件技术的发展，计算机和软件技术的发展，硬件步进电动机控制器的硬件步进电动机控制器的功能逐步由软件来代替。功能逐步由软件来代替。第55页，共63页。二、直流伺服电动机二、直流伺服电动机n20世纪世纪80年代以前，机器人广泛采用直流伺服电动机作为执行机构。直年代以前，机器人广泛采用直流伺服电动机作为执行机构。直流伺服电动机具有启动转矩大，体积小，重量轻，转速易控制，效率高流伺服电动机具
48、有启动转矩大，体积小，重量轻，转速易控制，效率高等优点。等优点。n但是，直流伺服电动机结构上但是，直流伺服电动机结构上具有电刷和换向器具有电刷和换向器，需要定期更换电刷和进行，需要定期更换电刷和进行维修，电动机使用寿命短，噪声大。尤其是直流电动机的容量小，电枢电压低，很多维修，电动机使用寿命短，噪声大。尤其是直流电动机的容量小，电枢电压低，很多特性参数随速度而变化，限制了直流电动机向高速、大容量方向发展。在一些具有可特性参数随速度而变化，限制了直流电动机向高速、大容量方向发展。在一些具有可燃气体的场合，由于电刷换向过程中可能引起打火，也不适合使用直流电动机，如井燃气体的场合，由于电刷换向过程中
49、可能引起打火，也不适合使用直流电动机，如井下作业等。所以近年来，随着交流技术的发展，直流伺服电动机正越来越多地被交流下作业等。所以近年来，随着交流技术的发展，直流伺服电动机正越来越多地被交流伺服电动机所取代。然而，在一些中、小功率的场合，还常使用永磁式直流伺服电动伺服电动机所取代。然而，在一些中、小功率的场合，还常使用永磁式直流伺服电动机。机。第56页，共63页。二、直流伺服电动机二、直流伺服电动机n直流伺服电动机广泛使用直流伺服电动机广泛使用晶体管脉宽调制晶体管脉宽调制(PWM)调速系统调速系统进行进行调速驱动。晶体管脉宽调制调速系统具有频带宽，电动机脉动调速驱动。晶体管脉宽调制调速系统具有
50、频带宽，电动机脉动小，电源功率因数高，动态特性好的优点。小，电源功率因数高，动态特性好的优点。nPWM是利用大功率晶体管的开关作用，是利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压将恒定的直流电源电压斩成一定频率的方波电压，并加在直流电动机的电枢上，通斩成一定频率的方波电压，并加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压控制电动机过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压控制电动机转速的一种方式。转速的一种方式。为了满足小型直流电动机的应用需要，各为了满足小型直流电动机的应用需要，各半导体厂商纷纷推出半导体厂商纷纷推出直流电动机驱动专用集成电路直流电动机驱动专用集成电
