【word】 六自由度电动平台控制系统设计研究

【word】 六自由度电动平台控制系统设计研究 六自由度电动平台控制系统设计研究 六自由度电动平台控制系统设计研究金伟,等 六自由度电动平台控制系统设计研究 金伟,杨斌. (兰州城市学院培黎石油工程学院甘肃兰州,730070) (兰州城市学院甘肃兰州,730070) 摘要:采用多轴运动控制器MAC作为控制主体,基于”工控机+运动 控制卡”的模式,构建了一个开放式的六 自由度电动平台控制系统.实现了六自由度电动平台的基本控制功 能.建立了六自由度电动平台的故障保护系统 及故障监控系统,并详细介绍了系统组成部分及实现过程. 关键词:故障保护系统;故障监控系统;六自由度电动平台;MAc Abstract:Thisdissertationappliesthecurrenthigh-poweredservocontrollerMAC,basedon”IPC+MAC”,constructedall opennumericalcontrolsystemof6-dofelectricplatform.Thecontrolsof~varcisdesignedwiththefunctionalmodularization.Thebasic controlfunctionsof6-dofelectricplatformarerealized.FaultProtectionSystemandFaultMonitoringSystemisestablished,andthe componentsandtheimplementationprocessisdescribedindetail. Keywords:platform;Faultprotectionsystem;Faultmonitoringsystem;6-do felectric—MAC 中图分类号:TP13文献标识码:A文章编号:1001-9227(:2011)06-0030-03 0绪论 近年来由于电机伺服系统性能的大幅提升以及电动 缸控制性能的优越性,在小载荷和高精度控制领域电机驱 动平台系统有取代液压驱动平台系统的趋势,因此开展对 六自由度电动平台运动系统的研究有着非常重大的意义 与巨大的发展前景. 本论文围绕搭建六自由度电动平台的控制系统实现 实时运动控制而展开.本控制系统采用”工控机+多轴运 动控制卡”作为硬件基础,搭建了本六自由度电动平台的 硬件控制系统:开发出六自由度电动平台的控制软件,建 立起六自由度电动平台软件控制系统,实现六自由度电动 平台的实时控制.构建六自由度电动平台故障保护系统及 故障监控系统,实现电动平台的基本故障保护与远程故障 监控. 1六自由度电动平台的结构与特点 六自由度电动平台由下平台(固定底座),运动平台, 虎克铰和六个作动器(伺服电动缸)组成.伺服电动缸通过 虎克铰以并联的形式将固定底座和运动平台连接起来,因 而六个伺服电动缸均可独立地伸缩.通过六个伺服电动缸 的协调伸缩,相对于固定下平台,运动上平台就可以灵活 实现空间六个自由度方向上的位姿运动.该结构具有以下 特点: (1)同串联机构的悬臂梁比较,六自由并联机构的运 动平台由6个作动器同时支撑,结构稳定,刚度较大,且承 载能力大: (2)串联式机器人的传动系统及驱动电动机大都固定 在运动的大小臂上,导致系统惯性增加,动力性能恶化, 而并联式则可将驱动电机置于固定底座上,减小了运动负 收稿日期:2011—09—05 30 荷,动力性能较好. (3)串联机构的误差是相关运动关节误差的积累和放 大,因此误差大而精度低.而并联机构则误差趋向平均 化,不存在如此的误差积累和放大关系,因而误差小,精 度高: (4)并联式机器人组成结构往往为对称式,其各向同 性好: (5)在运动学 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 方面,串联机构正解容易,反解非 常困难,而并联机构则与之相反,正解困难,反解容易.多 自由度机构运动过程中,需要进行实时反解运算,并联式 容易实现,而串联式却十分不易. 2控制系统硬件体系结构 2.1控制系统逻辑结构 在自动控制系统中,输出量以一定准度随着输入目 标值的变化而变化的系统称为伺服系统.六自由度电动平 台硬件控制系统的目标是:输入预定的目标位姿曲线,驱 动伺服电机使电动缸推杆按照位姿曲线进行伸缩运动.因 此本文要搭建的六自由度电动平台控制系统就是伺服系 统.要实现对六自由度平台良好的控制,构建一个精度 高,响应快速,稳定性好的伺服系统显然尤为关键.电动 平台硬件系统由工控机,运动控制卡,数字式直流伺服放 大器,伺服电机及 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 原件组成. 本系统以研华工控机(IPC)作为上位机,以多轴运动 控制器MAC为下位机,电气伺服部分采用富士交流伺服电 机,机械传动部分采用高精密滚珠丝杠.控制软件通过 MAC系列运动控制卡发送脉冲给富士电机伺服放大器,从 而驱动伺服电动缸按照给定轨迹完成伸缩运动.在电动缸 运动的同时,通过伺服电机中编码器将实际位置脉冲信号 反馈到MAC运动控制卡的接口,从而更准确地控制动平台 《自动化与仪器仪表》2011年第6期(总第158期) 运动. 其逻辑结构如图1所示. 图1控制系统方框图 2.2控制系统的硬件结构及性能介绍 2.2.1MAC运动控制器 运动控制器是一种安装在计算机中通过编程发送脉 冲实现伺服和步进电机运动控制的单元,它与计算机构成 主从式控制结构.运动控制器大都通过PCI总线与计算机 插槽相接.工控机IPC通过控制程序调用运动控制函数, 经PCI总线给运动控制器发送控制指令,运动控制器根据 控制指令发送脉冲信号控制电机运转:同时通过通用1/O 口采回电机当前实际位置与运行状态等,从而供IPC机实 现负反馈控制. MAC~3002SSPX系列基于PCI总线的高性能多轴运动 控制卡,可以控制步进电机或伺服电机(脉冲串输入型). 该系列卡以专用控制芯片为核心器件,其输出脉冲频率最 高可达6.4MHZ,在内部完成T形,s形速度曲线的规划,从 而实现自动减加速功能,可控制实现多轴直线插补以及任 何两轴之间的圆弧插补,可与各种类型的驱动器连接,构 成高精度位置控制系统或调速系统.该卡是一种性能优 越,功能强大的运动控制卡,适合于多轴插补联动等复杂 用途. 六自由度电动平台有六个伺服电机,由于MAC一 3OOZSSPX系列最多只能实现四轴控制,因此选用运用了一 个四轴运动控制卡和一个二轴运动控制卡来实现对六个 伺服电机的控制. 2.2.2交流伺服系统 系统的执行机构采用的是日本富士公司生产的 FALDIC—W系列全数字交流伺服统,包括电机及电机驱动 器,是位置,速度,电流三环全数字化的交流伺服系统.富 士交流伺服电机及其驱动器由于性能稳定,功能齐全,操 作简单在行业中有着很好的声誉该FALDIC-W系列伺服系 统 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 配备减震控制功能,有2个RS一485通信接口,具有 调试简单,高速响应,使用方便,控制方式多样化,超低 振动和保护措施齐全等优点.FALDIC-W系列全数字交流伺 服系统主要特点:高分辨率编码器:采用131072脉冲的高 分辨率编码器.提高了伺服电机旋转分辨率实现低速平稳 的机械运行. 2.2.3限位开关 在机器人运行过程中,有可能出现运动程序设计的 欠缺或其他原因导致关节超出了运动空间.这种情况非常 危险,有可能造成飞车或设备损坏,因此必须在各关节上 安装限位开关. 限位开关是数控系统中常用的故障保护开关,本文 六自由度电动平台在六个电动缸分支上都设有负向的硬 限位开关,安装在每一电动缸的下端端极限位置附近.同 时,本六自由度电动平台所设的负向限位开关为六个电动 缸回零的参考点. 3控制系统软件界面和功能实现 3.1软件设计功能要求 (1)上电,伺服控制功能:上电,伺服控制功能是运动 控制器和被控机械本体建立联系的桥梁,运动控制系统通 过它来完成对电机的控制运行从而实现相应的轨迹控制. (2)交互功能:运动控制系统有很多状态信息需要实 时地显示于操作界面上,以供操控者参照.因此,良好的 人机交互功能有助于系统的开发,测试,监控和维护,是 衡量控制系统性能的重要指标之一. (3)多任务并发处理能力:为了满足系统的实时性要 求,多个功能和任务需要并发执行,因而对这些功能和任 务进行合理的调度和并发处理,选择合理的数据结构,使 其协调地工作是运动控制系统的必备功能. (4)运动轨迹控制功能:运动轨迹的控制是控制系统 的最重要功能.根据需要的位姿反解计算得到的各末端执 行电机轨迹信息,得出单个插补周期的各电机的运行量, 进而控制平台各电机的运行,按预定轨迹达到平台预定 的位姿. (5)其他功能:报警提示功能,实时监测功能,参数设 置功能等等.控制系统软件界面 3.2机器人辅助功能模块 辅助功能模块包括:回停机位,机器人复位,机器人 急停和退出程序.这些功能是保证电动平台控制运行的重 要基础.各按钮与控件的功能及实现过程如下: (1)回停机位.六自由度电动平台在任何位姿时回到 最低位.平台的最低位为六个电动缸都触发光电开关时的 位姿.若点击”回停机位”按钮时,如果电机正在行,则首 先结束电机的运行进程.待各电机都停止后,发出指令使 电动平台的六个电机都负向运行,即缩回电动缸.电动缸 上的滑片触发限位光电开关时,电机会得到指令立即停止 运行.当六个电机都停止运行时,电动平台便回到了停机 位. (2)机器人复位.对于六自由度并联平台而言,一般 都一个设定的平台中位.因为中位是平台运行相对安全的 位置,并且是进行运动学分析的初始位姿.因此平台上电 后行时都要将电动平台复位至中位再进行下一步运行.机 器人复位功能可以实现平台在何位姿运行至中位.点击 “机器人复位按钮”后,平台首先回到平台停机位,而后再 发给平台六个电机指定正向脉冲数,从而实现平台的复 位. (3)机器人急停.实现各电机在任何运动状态时立即 停止.其功能是当电动平台运行状况出现异常时,让各电 31 六自由度电动平台控制系统设计研究金伟,等 机立即停止运转,避免事故的发生. (4)退出程序.关闭控制程序软件界面,退出控制程 序,并结束运动控制卡与伺服放大器的伺服上电. 3.3机器人功能模块 机器人功能模块主要包括:运动学逆解,点位运行, 自动运行及查看各电动缸运行速度曲线.其中点动运行与 自动运行功能是实现对六自由度电动平台运动控制的标 志. (1)运动学反解 六自由度电动平台的反解算法在第二章中己经进行 过详细介绍.在控制程序中根据反解算法编制了电动平台 的反解程序.运动学反解算法是实现六自由度电动平台控 制运动的关键,通过反解算法可以根据电动平台的位姿求 解出六个电动缸的当前位置.当电动平台的位姿发生改变 时,六个电动缸的位置便发生相应的移动.在编制的运动 学反解对话框中,只要输入电动平台的第一点与第二点位 姿,便可计算出与之对应的六个电动缸的位置以及两点位 姿之间六伺服电机需要运行的脉冲数. (2)点动运行 对六自由度电动平台的点动控制是成功实现对电动 平台控制运行的重要标志.在点动运行模式下,输入目标 位姿后,进行运动学反解得出六电动缸的理论伸长量.然 后将各电动缸转化为运动指令发送给MAC卡,使MAC卡发 送脉冲信号给各伺服放大器驱动六伺服电机运行达到预 定位置,从而完成电动平台的位姿变换. (3)自动运行 六自由度电动平台根据预先设定的轨迹进行连续的 运行即为自动运行.考虑到船舶在实际航行时的运行状 况,在本电动平台控制程序中设正弦运动为电动平台预定 轨迹.在对话框中,可以设定正弦运动的幅值,频率及相 位.自动运行实际上是由多个点动连续组成.首先,在控 制程序中根据输入的运动参数进行编译并即时转换成即 时位姿指令,随后再通过运动学反解求出六个电动缸的运 动变化量,然后根据这些变量通过运动控制卡给六个伺服 电机发出相应的脉冲指令,从而实现六个电动缸的单个点 动运行.而后通过多媒体定时器来实现连续点动运行从而 使电动平台实现设定的正弦轨迹运行.在电动平台运行的 同时,对话框中会即时显示电动平台当前接收到的位姿指 令和反馈回来的六电动缸实时缸长. 4六自由度电动平台故障保护与监控系统 4.1六自由度电动平台运行位置超限保护 在六自由度电动平台控制运行的过程中,有可能因 为各种原因使平台电机运行失准而超出安全工作空间从 而造成安全事故.因此,必须对平台各电机实时运行位置 进行跟踪反馈,从而实现在电机运行超出安全工作空间时 32 使六电机立即停止来实现对电动平台的保护. 控制程序初始化之后,使电动平台复位到中位并将 回馈计数器清零.随后控制者输入运动指令使平台运行, 平台电机实际运行的脉冲数通过各电机编码器适时采回, 并传送到运动控制卡.在运动控制卡中有专门的回馈计数 器对适时采回的电机运行脉冲数进行记录.回馈计数器是 一 个28位可逆计数器,可以对通过控制卡反馈编码器接 口输入的脉冲(如编码器,光栅尺反馈脉冲等)进行计数. 当采回的电机实际运行脉冲数大于设置的安全工作范围 值时,在程序中同时对平台六伺服电机发出停止指令,从 而使电动平台立即停止实现对电动平台的安全保护. 4.4六自由度电动平台给定速度保护 通过控制程序发送运行指令给电动平台时先后对指 令位姿进行了六自由度范围及位姿反解判断来保证指令 位姿的正确性.但由六自由度电动平台的每轴最大运动速 度指标(表示六自由度平台的位姿改变速度)可知,还需要 对平台的运行速度进行限制保护.为了更全面的保证平台 的运行安全,在平台连续运行时,需要即时对平台的位姿 改变速度进行范围判断. 4.5六自由度电动平台运行速度超限保护 在电动平台执行控制运行的同时,利用多媒体定时 器在控制程序中调用MAC运动控制卡函数SSPZ— Set…c t一一card()来实现对各电机实际运行速度的即时采回.当 任一电机实际运行速度超过限制时,便在控制程序中对六 电机同时发送停机指令来实现对电动平台的保护.本电动 平台电机允许的最大转速为3000r/min,因而在控制程序 中以3000r/min为限制值.而程序中SSPZSet一一 currentcard()函数的作用是读回当前电机实际运行速度, 读回数据的单位为脉冲/秒,而限制的电机的运行速度单 位为r加in,因此在程序中需要进行一定的换算,3000r/ min即为50r/S,而伺服系统中反馈脉冲数与r比例值为 2048:1,因此SOr/S转换后为102400脉冲/秒.在控制程序 中便以1O2400脉冲/秒来进行转速限制. 5结论 本文在”工控机+运动控制卡”的硬件控制模式下,对 六自由度电动平台的控制系统进行了开发.并且考虑六自 由度电动平台的实际应用需求,建立了故障监控系统包括 硬件系统与软件系统.对于六自由度电动平台的控制系统 开发,仍然有很多工作值得做,希望本文能在这个领域做 出一定贡献. 参考文献 [1]黄真.空间机构学.北京:机械工业出版社,1989:卜7. [2]黄真,孔令富,方跃法.并联机器人机构学理论及控制.北京:机 械工业出版社,1997:l一1O.