分類號密級編號中豹大擎碩士學(xué)位論文論文題目學(xué)科、專業(yè)研究生姓名導(dǎo)師姓名及專業(yè)技術(shù)職稱碡謇。機器冬蓑麓薹動接魚墨的研制燕制理玲量控赳王強暴玉撫一周圍驀熬接，：，（），【，誓】，原創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中南大學(xué)或其他單位的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我共同工作的同志對本研究所作的貢獻均已在在論文中作了明確的說明。作者簽名：縫：盤日期：二生年旦月丑日關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)說明本人了解中南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文；學(xué)校可根據(jù)國家或湖南省有關(guān)部門規(guī)定送交學(xué)位論文。作者簽名堅至：拄導(dǎo)師簽名日旦璽日期：生年衛(wèi)月聾日碩士學(xué)位論文第一章緒論第一章緒論機器人及其關(guān)節(jié)運動控制的發(fā)展綜述機器人發(fā)展歷史機器人學(xué)的進步和應(yīng)用是世紀自動控制最具說服力的成就，是世紀人類科學(xué)技術(shù)進步的重大成果。我國東漢時期（公元年），張衡發(fā)明的指南車是世界上最早的機器人雛形。人類歷史進入近代之后，出現(xiàn)了第一次、第二次工業(yè)革命。隨著各種自動機器和動力系統(tǒng)等裝置的相繼問世，機器人開始由幻想時期轉(zhuǎn)入自動機械時期。年，美國作家阿西莫夫提出了著名的“機器人三守則”，給機器人社會賦以新的倫理性，使機器人更容易被人類社會所接受。年，美國的公司研制出第一臺機器人樣機，并成立了公司，定型生產(chǎn)機器人。年第一臺機器人在美國通用汽車公司（）投入使用，這標志著第一代機器人的誕生。此后，機器人在人類生活中成為現(xiàn)實。年，在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學(xué)術(shù)會議，此后機器人的研究得到迅速廣泛的普及。年，公司開發(fā)成功多關(guān)節(jié)機器人；年，公司又推出了系列工業(yè)機器人，直到現(xiàn)在，許多機器人仍都以它為基礎(chǔ)。機器人是跨領(lǐng)域技術(shù)的產(chǎn)物，它的進步取決于相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，特別是信息處理、計算機科學(xué)、傳感技術(shù)、微電子技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)等。到了年，工業(yè)機器人才真正在日本普及，故稱該年為“機器人元年”。隨后，工業(yè)機器人在日本獲得了巨大的發(fā)展，日本也因此贏得了“機器人王國”的美譽。在此之后，隨著自動控制理論、計算機科學(xué)和航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，人工智能開始與機器人結(jié)合，機器人技術(shù)進入了一個嶄新的發(fā)展階段。世紀年代中期，機器人制造業(yè)成為發(fā)展最好和最快的經(jīng)濟部門之一。年，世界上約有萬臺機器人在工作。跨入世紀后，機器人產(chǎn)業(yè)維持了較好的發(fā)展勢頭。年月日和月日，全世界矚目的美國宇航局研制的“勇氣”號和“機遇”號火星車經(jīng)過半年多的飛行分別在火星上安全登陸，他們是目前最先進的空間機器人，成功的著陸和卓有成效的工作，具有劃時代的意義。年月，“世界第一屆機器人會議”在日本福岡市召開，會議發(fā)表了世界機器人宣言。與會代表認為：在機器人領(lǐng)域，正經(jīng)歷著從產(chǎn)業(yè)用機器人時代向生活用機器人時代的轉(zhuǎn)變，各種用途的智能機器人相繼問世。隨著機器人在生活領(lǐng)域的不斷普及，機器人碩士學(xué)位論文第一章緒論的智能化程度會產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。新一代機器人會真正成為人類的伙伴，并為人類的身心健康和構(gòu)筑安全社會作出新貢獻。我國機器人研究與應(yīng)用起步于二十世紀年代初期，國家“七五”計劃撥款在沈陽建立了我國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎(chǔ)理論與技術(shù)的研究。二十多年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)、軍用和特種機器人。我國在年月開始的國家“”高科技計劃支持下，在水下機器人、微操作機器人、服務(wù)機器人、管道機器人、軍用機器人、仿生機器人和智能機械等方面開展研究，取得了一批研究成果，在某些技術(shù)方面達到了國際先進水平。但從總體上與世界發(fā)達國家相比還有較大差距，沒有形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)，自主知識產(chǎn)權(quán)的成果較少。機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢機器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的前沿發(fā)展。先進機器人技術(shù)不僅是一個國家工業(yè)發(fā)展關(guān)鍵裝備的重要支撐技術(shù)，也是一個國家空間資源探測、國防現(xiàn)代武器與公共社會安全反恐防爆裝備發(fā)展的核心技術(shù)，同時也是未來一個國家發(fā)展助老助殘、娛樂教育，家庭服務(wù)等新經(jīng)濟增長領(lǐng)域的競爭前關(guān)鍵技術(shù)。正因為如此，許多國家競相把機器人技術(shù)列入本國的高技術(shù)發(fā)展計劃或國家的關(guān)鍵技術(shù)進行研究和開發(fā)。如美國的“國家關(guān)鍵技術(shù)”和“國防部和能源部關(guān)鍵技術(shù)”計劃，歐共體的“尤里卡計劃”和“信息技術(shù)研究發(fā)展戰(zhàn)略計劃”，韓國、巴西、新加坡等發(fā)展中國家都有相應(yīng)的計劃內(nèi)容。如今，機器人研究在以下多個方面異常活躍：仿生機器人。仿生機器人是機器人發(fā)展的最高階段，也是機器人發(fā)展的制高點。主要包括仿蛇機器人、雙足步行機器人，四足等多足生物行走機器人、仿生機器魚、昆蟲機器人和空中生物飛行機器人等。由北京理工大學(xué)等研制的型仿人機器人身高米、體重公斤，自由度個，采用了多傳感器融合技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)無電纜行走、語音對話等多種功能，并能進行太極、刀術(shù)等武術(shù)動作的表演，處于國際先進水平。納米機器人。納米機器人是可以在細胞內(nèi)或血液中對納米空間進行操作的“功能分子器件”，在生物醫(yī)學(xué)中可以充當(dāng)微型醫(yī)生，解決傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)難以解決的問題。納米機器人可以注入人體血管內(nèi)，成為血管中運作的分子機器人。納米機器人可以對人體進行全身的健康檢查，疏通腦血管的血栓，吞噬病菌，殺死癌細胞，監(jiān)視體內(nèi)病變等【。水下機器人。水下機器人在海洋開發(fā)和軍事應(yīng)用方面有極為廣泛的應(yīng)用背景，已成為西方發(fā)達國家發(fā)展智能化海軍武器的重要方向之一。目前，有纜水下機器人（）實用可靠，完全自主式水下機器人（）還有一些關(guān)鍵性問題需要解決。我國中科院研制的型無纜自治水下機器人，最大潛水深度達米，總體技術(shù)水平居世界前列。今后，將向遠程化、智能化發(fā)展。在控制和碩士學(xué)位論文第一章緒論信息處理系統(tǒng)中，采用圖像識別、人工智能技術(shù)、大容量的知識庫系統(tǒng)，以及提高信息處理能力和精密導(dǎo)航定位的隨感能力等。機器人技術(shù)發(fā)展到今天，正朝著自學(xué)習(xí)，自適應(yīng)、自主性（自治能力）、智能性等方向進步。隨著各行業(yè)對機器人日益迫切的需求以及先進機器人技術(shù)的發(fā)展，未來機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢為：（）群體機器人協(xié)同作業(yè)，共同完成更加復(fù)雜的任務(wù)，是機器人技術(shù)發(fā)展的趨勢。群體機器人系統(tǒng)比單體機器人具有更強的優(yōu)越性，如并行性、柔性、魯棒性等。主要研究的內(nèi)容為：群體機器人系統(tǒng)的通信，群體機器人系統(tǒng)的協(xié)作與控制【，群體機器人系統(tǒng)沖突問題的解決。（）臨場感遙操作機器人臨場感遙操作機器人屬于虛擬機器人研究范疇，已經(jīng)成為當(dāng)前機器人領(lǐng)域的一個研究熱點，在空間探索、海洋開發(fā)以及原子能方面得到廣泛應(yīng)用。今后的研究重點將是：臨場感遙操作虛擬現(xiàn)實技術(shù)；觸覺，視覺、力覺及運動覺的多信息融合技術(shù)；大時延及變時延條件下，提高臨場感遙操作機器人系統(tǒng)穩(wěn)定性、可操作性和透明性的研究。（）可重構(gòu)模塊化機器人可重構(gòu)模塊化機器人是由一套具有各種尺寸和性能特征的可交換的模塊組成，能夠被裝配成各種不同構(gòu)形的機器人，可以適應(yīng)不同的工作，滿足市場不斷變化的要求，因此它的研究已引起了越來越多的科研人員和工業(yè)應(yīng)用的興趣。目前已經(jīng)開發(fā)的可重構(gòu)機器人系統(tǒng)主要有兩類：一類是動態(tài)可重構(gòu)機器人系統(tǒng)，主要適用于非制造行業(yè)，如空間機器人，危險作業(yè)環(huán)境下的特種機器人等：另一類是靜態(tài)可重構(gòu)機器人系統(tǒng)，主要適用于工業(yè)機器人。任何機器人要正常工作必然會涉及到各個關(guān)節(jié)的運動與協(xié)調(diào)，關(guān)節(jié)運動控制系統(tǒng)是機器人的核心部分，直接決定了機器人性能的優(yōu)劣，是機器人技術(shù)發(fā)展和研究的重要方向。在關(guān)節(jié)運動控制器的研究方面，美國、德國和日本在技術(shù)上處于領(lǐng)先行列。國內(nèi)的關(guān)節(jié)伺服控制研究比較晚，到目前為止，還沒有網(wǎng)絡(luò)化的交流伺服控制器問世。因此，新型關(guān)節(jié)運動控制器的研究與開發(fā)具有非常重要的現(xiàn)實意義。關(guān)于機器人關(guān)節(jié)運動控制動力和運動是可以相互轉(zhuǎn)換的，從這種意義上理解，電動機是最常用的運動源。運動控制最有效的方式就是對運動源的控制。因此，一般通過對電機的控制來實現(xiàn)系統(tǒng)的運動控制。運動控制系統(tǒng)作為機器人控制技術(shù)的核心內(nèi)容，直接關(guān)系到機器人的整體運動性能，因此在機器人的研制工程中都把對機器人的關(guān)節(jié)運動控制系統(tǒng)的研究作為首要任務(wù)之一。碩士學(xué)位論文第一章緒論目前，運動控制系統(tǒng)或電機控制系統(tǒng)主要有以下幾種實現(xiàn)方式：第一種是以模擬電路組成的運動控制系統(tǒng)。早期的運動控制系統(tǒng)一般采用運算放大器等分立元件，以模擬電路硬接線方式構(gòu)成，成本比較低廉，沒有附加延時，響應(yīng)速度快，但器件易老化，可靠性不高。現(xiàn)在用在一些功能簡單要求不高的場合。第二種是利用專用芯片實現(xiàn)的運動控制。一些公司為簡化電機控制電路同時保持系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力而推出了專用的電機控制芯片。具有系統(tǒng)集成度高、速度快、所需元器件少、可靠性好等優(yōu)點。但受專用控制芯片本身的限制，軟件算法固化在芯片內(nèi)部，降低了系統(tǒng)的靈活性，很難實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法和功能，難以適應(yīng)高性能、高精度的應(yīng)用場合。第三種是基于微控制單元的運動控制系統(tǒng)。隨著微控制單元的功能愈來愈強，目前使用微控制單元為核心構(gòu)成的運動控制系統(tǒng)非常普遍。微控制單元具有大容量的存儲器和較強的邏輯功能，運算速度快、精度高，可以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制運算：由于微控制單元的控制方式主要通過軟件來實現(xiàn)，因而具有較強的靈活性和適應(yīng)性。然而，由于微控制單元一般采用馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)（），使處理速度和能力有限，難以實現(xiàn)先進算法和滿足運算量較大時的實時信號處理的需求，不適用于高速度、高實時性的場合。第四種是基于可編程邏輯器件的運動控制系統(tǒng)。由于現(xiàn)場可編程門陣列（）和復(fù)雜可編程邏輯器件（）具有用戶可編程的特性，用戶可以利用系統(tǒng)開發(fā)軟件或等開發(fā)語言，通過軟件編程實現(xiàn)運動控制算法，然后將這些算法下載到相應(yīng)的可編程邏輯器件中，從而最終以硬件的方式實現(xiàn)運動控制。這種系統(tǒng)的主要優(yōu)點有：系統(tǒng)的主要功能可在單片器件中實現(xiàn)，減少了元器件個數(shù)；由于系統(tǒng)的可編程特性，因而具有良好的擴展性和維護性，通過修改軟件即可實現(xiàn)系統(tǒng)的升級；系統(tǒng)以硬件實現(xiàn)，響應(yīng)速度快，可實現(xiàn)并行處理；容易開發(fā)，通用性強。但是由于可編程邏輯器件實現(xiàn)的控制算法越復(fù)雜，晶體管內(nèi)部需要的晶體管門數(shù)就越多，成本就越高。因此，一般使用可編程邏輯器件實現(xiàn)較簡單的運動控制系統(tǒng)。對于具有高精度、高速度和實時性要求的強耦合非線性多關(guān)節(jié)機器人，傳統(tǒng)的運動控制系統(tǒng)已無法滿足其性能需求。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗方面要求嚴格的專用計算機系統(tǒng)【。近幾年來，嵌入式技術(shù)已經(jīng)成為新的技術(shù)熱點，廣泛應(yīng)用于各種控制場合。相對于其它的領(lǐng)域，機電控制可以浣是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用最典型、最廣泛的領(lǐng)域之一。機器人技術(shù)的發(fā)展從來就是與嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起的一。隨著計算機科學(xué)，通訊技術(shù)，半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，機器人關(guān)節(jié)運動控制系統(tǒng)碩士學(xué)位論文第一章緒論將向嵌入式、全數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。課題來源與論文主要研究內(nèi)容課題來源“嵌入式機器人關(guān)節(jié)運動控制器的研制”是中南大學(xué)機器人控制實驗室建設(shè)的項目之一，是四關(guān)節(jié)教學(xué)機器人研究課題的一個子課題。在此之前的研究工作中，機器人控制實驗室已自行研制出了四關(guān)節(jié)教學(xué)機器人系統(tǒng)的機械機構(gòu)、控制板，洽購了相應(yīng)的機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動電機和配套的電機伺服驅(qū)動器。但控制效果并不好，伺服驅(qū)動器參數(shù)不可調(diào)，難以滿足機器人定位精度高的要求。本課題主要是研究出一套通用的開放式的機器人關(guān)節(jié)運動控制器，取代原有的電機伺服驅(qū)動器，并將控制系統(tǒng)不夠合理的三級體系結(jié)構(gòu)改進為兩級體系結(jié)構(gòu)，同時研究關(guān)節(jié)運動控制器參數(shù)的實時控制算法，滿足構(gòu)建變結(jié)構(gòu)機器人控制器的要求。論文的主要內(nèi)容本課題對基于嵌入式系統(tǒng)的機器人運動控制器的硬件結(jié)構(gòu)、軟件及控制策略作了較為深入的研究。該運動控制器采用嵌入式處理器作為嵌入式處理器，實時操作系統(tǒng)選擇，利用永磁同步電機作為驅(qū)動裝置，依據(jù)先進的控制算法實現(xiàn)機器人關(guān)節(jié)的精確運動控制。論文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：第一章主要是研究背景介紹，包括機器人及其關(guān)節(jié)運動控制的綜述、課題來源與論文主要研究內(nèi)容等。第二章主要敘述嵌入式機器人運動控制器的總體方案設(shè)計。首先介紹了實驗室多關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，然后介紹了嵌入式機器人關(guān)節(jié)運動控制器的總體方案設(shè)計。第三章敘述永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的建立與控制算法研究。其中包括坐標系的設(shè)立、推導(dǎo)電機數(shù)學(xué)模型、矢量控制方法的論述以及其基于粒子群優(yōu)化控制算法研究等。第四章介紹嵌入式機器人運動控制器的硬件設(shè)計。包括嵌入式系統(tǒng)的一般設(shè)計方法，控制器的系統(tǒng)功能劃分、嵌入式處理器及相關(guān)外圍電路的設(shè)計。并針對主要的電路進行了詳細的電路設(shè)計和相關(guān)分析。第五章是嵌入式機器人運動控制器的軟件設(shè)計。主要包括嵌入式實時操作系統(tǒng)的選擇，在上的移植，系統(tǒng)多任務(wù)的劃分及建立，總線通信協(xié)議，多任務(wù)的通信與調(diào)度等。第六章是電磁兼容性設(shè)計，主要闡述了數(shù)字模擬電路設(shè)計中應(yīng)遵循的一般原則，以及應(yīng)注意的重要問題等。堡主堂垡笙奎翌二皇一一絲第七章介紹嵌入式機器人關(guān)節(jié)運動控制器的調(diào)試與運行。主要有硬件和軟件調(diào)試內(nèi)容，調(diào)試的步驟，系統(tǒng)運行效果等。第八章是整個論文的總結(jié)，對論文研究工作進行了總結(jié)，指出了有待改進之處，提出了今后工作的重點和研究方向。本章小結(jié)本章首先回顧了機器人的發(fā)展歷史，并分析了機器人技術(shù)及其關(guān)節(jié)運動控制的發(fā)展趨勢，接著介紹了課題來源及主要研究內(nèi)容，最后介紹了論文的內(nèi)容安排。碩士學(xué)位論文第二章控制器的總體方案設(shè)計第二章控制器的總體方案設(shè)計實驗室四關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)機器人控制系統(tǒng)是機器人系統(tǒng)的核心部分，機器人性能的好壞、功能的強弱、后續(xù)的可擴展性與控制系統(tǒng)息息相關(guān)。在分析對比了多種控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)后，】，我們采用了基于總線通訊技術(shù)的分布式機器人控制系統(tǒng)【。，】。整個控制系統(tǒng)分為三大模塊：主控規(guī)劃模塊、通訊模塊和關(guān)節(jié)運動控制模塊，系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖一所示。每個關(guān)節(jié)的驅(qū)動使用同一系列的電機，每個電機擁有單獨的運動控制器，各個關(guān)節(jié)可以完成同步或異步的運動。基于現(xiàn)場總線控制功能下載的思想，將處理器和現(xiàn)場總線接口嵌入電機運動控制器，進而形成智能型獨立的全數(shù)字控制執(zhí)行單元。將帶有通訊功能的智能單元直接掛接在現(xiàn)場總線上，就形成了新型的異構(gòu)分稚式系統(tǒng)”。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比省卻了介于主控計算機和伺服驅(qū)動單元之間的位置控制板，減少了硬件數(shù)量和信號的傳送。各節(jié)點獨立自主，可與外界以及相互間進行信息交流，而且還可以加掛其它控制設(shè)備，系統(tǒng)的伸縮性好。圖分布式多關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)拓撲圖（）主控規(guī)劃模塊：使用嵌入式工業(yè)計算機，對機器人進行軌跡規(guī)劃、任務(wù)分配、調(diào)度和計算運動學(xué)正逆解，完成機器人系統(tǒng)的監(jiān)控，以及實現(xiàn)人機交互等功能。它通過分析系統(tǒng)狀態(tài)和關(guān)節(jié)運動控制模塊反饋的信息，規(guī)劃機器人的運動軌跡和完成相應(yīng)運動數(shù)據(jù)運算及控制。（）通訊模塊：采用總線通訊技術(shù)，（）總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)【。通訊模塊接收各關(guān)節(jié)運碩士學(xué)位論文第二章控制器的總體方案設(shè)計動控制器傳來的信息并送到主控規(guī)劃模塊，主控規(guī)劃模塊根據(jù)先進的控制算法和任務(wù)要求，實時生成各關(guān)節(jié)的任務(wù)規(guī)劃信息，并通過總線傳送到各關(guān)節(jié)運動控制器以控制系統(tǒng)的運行。（）關(guān)節(jié)運動控制模塊：系統(tǒng)中每個關(guān)節(jié)對應(yīng)一個嵌入式機器人關(guān)節(jié)運動控制器，所有的關(guān)節(jié)運動控制器在硬件結(jié)構(gòu)上是完全相同的，只是內(nèi)部的軟件有所不同，這樣提高了互換性。關(guān)節(jié)運動控制器支持總線通訊，通過總線從主控規(guī)劃模塊獲得控制指令和運動數(shù)據(jù)，經(jīng)過控制算法運算處理后輸出控制伺服電機的信號，驅(qū)動關(guān)節(jié)運動。同時采集關(guān)節(jié)實時信息作為控制算法參數(shù)，計算出下一個周期的控制指令。嵌入式機器人關(guān)節(jié)運動控制器的總體方案設(shè)計嵌入式處理器的選擇從硬件方面來講，嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器。目前據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種數(shù)量已經(jīng)超過多種】，流行的體系結(jié)構(gòu)已達幾種。嵌入式處理器一般具有以下特點：（）對實時多任務(wù)操作系統(tǒng)具有很強的支持能力【】；（）具有功能很強的存儲區(qū)保護功能；（）處理器結(jié)構(gòu)可擴展；（）低功耗。近幾年來，嵌入式處理器的主要發(fā)展方向是小體積、高性能和低功耗。根據(jù)現(xiàn)狀，嵌入式處理器一般分成四類，即嵌入式微控制器（，）、嵌入式微處理器（，）、嵌入式處理器（，）和嵌入式片上系統(tǒng)（，）。基于機器人運動控制中大量的信息數(shù)據(jù)處理需要高速運算功能的考慮，我們采用嵌入式處理器作為關(guān)節(jié)運動控制器的嵌入式處理器。嵌入式處理器是專門用于信號處理方面的處理器，采用改進型哈佛結(jié)構(gòu)，指令算法進行了特殊的設(shè)計，具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度，特別適合于需要高速運算處理的場合。比較有代表性的產(chǎn)品是的系列和的系列。使用了后，就可以應(yīng)用自適應(yīng)控制、濾波、狀態(tài)控制等先進的控制算法，使系統(tǒng)的性能大大提高。控制電機的選型目前在機器人的運動控制系統(tǒng)中比較常用的電機有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機。他們的工作原理、特點與控制方式如表所示“。隨著電子技術(shù)、電機技術(shù)、材料科學(xué)、計算機網(wǎng)絡(luò)，傳感器和微處理器的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)已成為高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一【引。在現(xiàn)代交流伺服控制系統(tǒng)中，永磁同步電動機（簡稱）以其優(yōu)異的性能而廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人【、航空航天等要求高精度、高動態(tài)性能的領(lǐng)域。三相交流永磁同步電碩士學(xué)位論文第二章控制器的總體方案啦計表各種電機工作原理、特點與控制方式比較電機工作原理主要特點控制方式控制簡單，直接實現(xiàn)數(shù)字控制。結(jié)構(gòu)簡單，無換向開環(huán)控制，位移步進將數(shù)字式電脈沖信號轉(zhuǎn)換為器和電刷，堅固耐。抗干與脈沖數(shù)成正比，電機機械位移。擾能力強。缺點是能：轉(zhuǎn)按速度與脈沖頻率效率低、易失步、過載能力成正比。；。由定子、轉(zhuǎn)子、電刷珀換向控制簡單；啟動轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速采用電壓直流器構(gòu)成。電機加直流電源，借助體積小，重量輕：轉(zhuǎn)述和轉(zhuǎn)控制方式，兩者成伺服于抉向器和電刷的作；，使電流矩容易控制：效率高；需要正比：轉(zhuǎn)矩采；電電機方向隨轉(zhuǎn)予的轉(zhuǎn)動角度而變化，定時維護和更換電刷，使用流控制方式，兩者實現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。壽行短，噪聲火。也成正比。交流按結(jié)構(gòu)分為同步干異步帆。沒有機械拯向器和刷，分為電壓控制伺服無刪直流電機結(jié)構(gòu)與同步電機蔸維護：控制性能好：驅(qū)動和變頻控制兩種電機相同，特性與直流電機相同。電路復(fù)雜價格高。方式。機與三相異步電機相比雖然存在不能直接啟動的問題，但它、需要無功勵磁電流，對于同等容量輸出，功率因數(shù)較高：它山永磁體建立主磁通，不存在轉(zhuǎn)子發(fā)熱的問題：效率較高；轉(zhuǎn)矩大、可靠性高；體積小、魯棒性強等。綜合考慮控制要求、定位精度等多方面的因素，在本系統(tǒng)的研制過程中選用三相交流永磁同步電機作為伺服電機，具體為，公司系列交流伺服電機其主要參數(shù)見表”。袁交流伺服電機主要參數(shù)關(guān)節(jié)名稱電機關(guān)節(jié)名稱電機型號：型號：】小慣量、有鍵槽、制動器小慣昔、有鍵描、制動器輸出功率：輸出功率：輸入電壓：相輸入電壓：相腕關(guān)竹輸入電流：肘關(guān)節(jié)輸入電流：額定速度：額定速艘：，帶增量式編碼器帶增量式編碼器脈沖數(shù)：脈沖數(shù)：分辨率：分辨率：】型號：型號：小慣量、有鍵槽、制動器小慣母、有鍵槽、無制動器輸功率：輸出功率：輸入電壓：相輸入電壓：相肩關(guān)節(jié)輸入電流：脞關(guān)節(jié)輸入電流：額定速度：額定速度：帶增量式編碼器帶增量式編碼器脈沖數(shù)：脈沖數(shù)：分辨率：分辨率：作為機器人運動的執(zhí)行部件，我們選州的電機體積小、重量輕、力矩大低慣性，具有良好的控制性能。調(diào)速性能好：在額定轉(zhuǎn)速以下，為恒力矩調(diào)逮方式；在碩士學(xué)位淪文第二章控制器的總體方案設(shè)計額定轉(zhuǎn)速以上，為恒功率調(diào)速，且抗過載和抗過進性能都很好。高速增量式光電編碼器與電機一體化垃汁，電機每轉(zhuǎn)圈發(fā)出個脈沖，大大方便我們進行精確的運動控制。此外，機器人腕、肘和肩的關(guān)節(jié)執(zhí)行電機還裝有專。的制動器，防止機器人失電狀態(tài)下工作臺的跌落或意外情況下的緊急制動。鍵槽能將電機主軸與工件連接得更緊，有利于增加傳動裝置的剛性。關(guān)節(jié)運動控制器的總體方案根據(jù)實驗室多關(guān)節(jié)機器人的實際控制要求，嵌入式機器人關(guān)節(jié)運動控制器主要由嵌入式處理器、外田接幾電路（主要包括通訊接口、顯示接口、鍵盤接口和接口）組成的控制部分和交一直一交變頻的驅(qū)動部分組成。考慮到驅(qū)動部分中的強電對控制部分弱電的影響，故弱電與強電不在同一塊印制電路板，而是分離采用兩塊電路板（控制板和驅(qū)動扳），兩者之間的信息交換通過銅電纜相連實現(xiàn)。控制器的總體方案如圖所示。一控制電源型雁瞧熙逆變器雹爾傳感器信號濾波與轉(zhuǎn)換嵌入式處理器顯示接口通訊接口鍵盤接口接口再編碼器圖嵌入式機器人關(guān)節(jié)運動控制器的總體方案其巾控制部分的電源對性能要求很高，我們采用開關(guān)電源，它具確體積小重量輕，效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。驅(qū)動部分選用集成的整流模塊和智能功率模塊（），以減小裝置的體積，提高電路的穩(wěn)定性。嵌入式處理器的控制信號經(jīng)過高速光隔后再與逆變器帕連，實現(xiàn)兩者的電氣隔離。關(guān)節(jié)運動控制器具體的硬件電路設(shè)計將存第凹章詳細闡述。本章小結(jié)這一章中，首先介紹了實驗室多關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用了基于總線通訊技術(shù)的分布式系統(tǒng)，接著對其中重要的組成部分一關(guān)節(jié)運動控制器，闡述了基于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計，并對嵌入式處理器和執(zhí)行電機進行了比較選型。碩士學(xué)位論文第三章永磁同步電機數(shù)學(xué)建模與控制算法的研究第三章永磁同步電機數(shù)學(xué)建模與控制算法研究永磁同步電機的數(shù)學(xué)建模坐標系設(shè)立在研究三相交流永磁同步電機（）數(shù)學(xué)模型的特性及進行控制時，最終控制對象是定子側(cè)的電流或電壓。但是，三相交流電機的各物理量（電壓、電流、磁鏈等）都是交流量，其空間矢量在空間以同步角頻率緲旋轉(zhuǎn)。如果直接在三相坐標系下進行研究，對其進行計算、控制都非常困難。若能將這些空間矢量變換到兩相平面坐標系下進行研究，則計算與控制都能得到很大的簡化。因此，需要對三相交流電機參考坐標系進行變換，即坐標變換。三相交流電機坐標變換主要用到以下三種坐標系：（）三相靜止（定子）坐標系（爿坐標系），如圖所示。相圖三相靜止（定子）坐標系三相交流電機定子繞組的軸線分別為爿、，彼此相差，組成三相靜止坐標系。假使在三相交流電機的定子三相繞組中通以時間上互差的三相平衡正弦電流、。、。，可以產(chǎn)生以同步角頻率旋轉(zhuǎn)的三相定子合成磁動勢空間矢量。（）兩相靜止（定子）坐標系（口坐標系），如圖所示。假定有兩相固定繞組，這兩相繞組的軸線分別為，其空間位置相差電角度，組成、聲兩相靜止坐標系（軸逆時針超前軸電角度）。當(dāng)在此兩相固定繞組、中，通以在時間上相差電角度的兩相平衡交流電流。、時，同樣也可以產(chǎn)生與前述三相定子合成磁動勢空間矢量相同的，以同步角頻率旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢空間矢量只。？，碩士學(xué)位論文第三章永磁同步電機數(shù)學(xué)建模與控制算法的研究圖兩相靜止（定子）坐標系（）兩相旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)子）坐標系（坐標系），如圖所示。么八一一，士甘蝤婦圖兩相旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)于）坐標系前述坐標系都是靜止不動的，而如圖所示，假定有兩相繞組，其軸線分別為、，空間位置相差電角度，構(gòu)成、兩相坐標系（印坐標軸逆時針超前坐標軸電角度）。如果在該相互垂直的繞組、中通入直流電流、，將分別產(chǎn)生兩個固定磁動勢乃、，如果讓、坐標系同時以同步角頻率旋轉(zhuǎn)，則乃、也隨之旋轉(zhuǎn)，同樣也可以產(chǎn)生與前述三相定子合成磁動勢空問矢量等效的、以同步角頻率旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢空間矢量。因此，通過坐標之問的變換就可以將三相交流電機定子側(cè)的空間矢量變換到所需的兩相坐標系下，進行控制及計算。電機數(shù)學(xué)模型永磁同步電機轉(zhuǎn)子采用高磁能積的稀土永磁體作磁極，從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)和電刷。轉(zhuǎn)子磁極在氣隙中產(chǎn)生正弦磁場，在定子繞組中感應(yīng)出正弦電動勢波形。其定子與同步電機定子基本相同，輸入三相弦交流電流。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，按馮，、，碩士學(xué)位論文第三章永磁同步電機數(shù)學(xué)建模與控制算法的研究永磁體安裝形式分類有面貼式、插入式和內(nèi)裝式。用于伺服控制的一般采用面貼式結(jié)構(gòu)，其凸極效應(yīng)較弱，氣隙均勻且有效氣隙大。電機數(shù)學(xué)模型的建立是基于以下假設(shè)的：（）電機是線性的，參數(shù)不隨溫度等變化；（）永磁材料的電導(dǎo)率為零；（）不考慮電機的渦流損耗和磁滯損耗：（）轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組和啟動繞組，永磁體沒有阻尼作用：（）相繞組中感應(yīng)電動勢波形是正弦波。基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標系（坐標系）的永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型可表述為電壓方程丟。，國定子磁鏈方程妒妒電磁轉(zhuǎn)矩方程（）（）（）（）（）（￥一）。（）一（）】（）運動方程瓦：，），乙（）式中，、為軸定子電流分量，“、，。為吐軸定子電壓分量，為定子電樞繞組電阻，妙、。為氣隙磁鏈，為轉(zhuǎn)子磁鋼在定子繞組中產(chǎn)生的耦合磁鏈，厶、。為電機，軸的主電感，胛。為電機轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)，為轉(zhuǎn)子與負載的轉(zhuǎn)動慣量、為摩擦系數(shù)、乙為電機負載的轉(zhuǎn)矩，為角速度、，為電角速度，且珊。，為轉(zhuǎn)子的機械位置與起始點的夾角。矢量控制方法年，德國的等人提出了交流電機磁場定向控制的原理，后來經(jīng)過多年的發(fā)展，逐漸形成了比較完整的矢量控制理論體系”，到目前已達到成熟階段。矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流伺服系統(tǒng)逐步具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動態(tài)響應(yīng)快等良好的性能。矢量控制技術(shù)利用坐標變換的方法，將三相交流電機定子側(cè)各空間矢量從坐標系變換到坐標系，從而可以將在空間以同步角頻率旋轉(zhuǎn)的各空間矢量變換為直流量以便進行控制。在三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)時，如果站在坐標系上看，交流電機的各空間矢量都變成了靜止矢量，其在坐標系上的各分量都是直流量，故易于確定轉(zhuǎn)矩和被控矢量各分量之間的關(guān)碩士學(xué)位論文第三章永磁同步電機數(shù)學(xué)建模與控制算法的研究系，實時計算出被控矢量各分量（直流給定量）的值。由于這些被控矢量的直流分量在物理上是不存在的，不可能直接控制交流電機，故還需進行坐標反變換，從坐標系回到坐標系，將以上各種直流給定量變換成物理上存在的交流給定量，在一坐標系下對交流電機的交流量進行控制。矢量控制算法有很多種形式，對于永磁同步電機，最常用的是轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制（）算法。對于彤兩相靜止坐標系，其軸與定子相繞組軸線重合：對于兩相旋轉(zhuǎn)坐標系，其軸和轉(zhuǎn)子磁場方向重合，旋轉(zhuǎn)速度等于電角速度。：為軸相對于軸逆時針旋轉(zhuǎn)的角度，且。，如圖所示。群儀）定孑愛組電流在印坐標系的空間矢量定義為每配、婚一、式中，、口及為三相定子繞組的相電流的瞬時值，代表相軸線方向單位矢量，七：。，薩代表相軸線方向單位矢量，：。，和如分別為在口、口兩個坐標軸上的投影。由此定義可知，在各相繞組軸線上的投影等于各相電流的瞬時值。對于三相平衡系統(tǒng)，零序電流分量為零，即硝礦。因此，由上述關(guān)系式可推出三相到兩相的變換方程卜”一）（）設(shè)定子電流在坐標系表達的空間矢量為，則可得式中，白和分別為在，兩個坐標軸上的投影。坐標到旋轉(zhuǎn)坐標的變換方程（）這樣可以得到由兩相靜止碩士學(xué)位論文第三章永磁同步電機數(shù)學(xué)建模與控制算法的研究，（）（）（）一口（）（）以及由兩相旋轉(zhuǎn)坐標到靜止坐標的逆變換方程憶，（）一，（）（一）（）？（）對于轉(zhuǎn)子是凸極式的永磁同步電機，厶。，則電磁轉(zhuǎn)矩方程式（）可以變換為正三（）對于永磁電機，妙，為一常數(shù)。因此，通過控制。的交軸分量就可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)控制；如果保持直軸分量，則可以用最小的電流幅值得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩，就達到了矢量控制的目的，實現(xiàn)三相永磁同步電機轉(zhuǎn)矩的線性化控制。脈寬調(diào)制上我們采用適合于數(shù)字控制的電壓空間矢量脈寬調(diào)制（，簡稱，）技術(shù)，】，其原理如圖所示。是以三相正弦波屹（）（）爪。勰（）厲，。固一蠔（）圖電壓空間矢量脈寬調(diào)制原理圖電壓供電時交流電機的理想磁通軌跡為基準，用逆變器的八種開關(guān)模式產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準磁通圓，使電機獲得幅值恒定的圓形磁場即正弦磁通，從而達到較高的控制性能。合成電壓矢量的計算公式為腎等孚。等式中，為參考電壓矢量，匕、為相鄰的分矢量，為零矢量（）為周期，疋、為分矢量的作用時間，為零矢量的作用時間。與傳統(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制（）相比，的開關(guān)次數(shù)可以減少，直流電壓的利用率可提高，能獲得較好的諧波抑制效果，且易于實現(xiàn)全數(shù)字化控制。碩士學(xué)位論文第三章永磁同步電機數(shù)學(xué)建模與控制算法的研究在面貼式永磁同步電機中，電機的參數(shù)三。和相等，而在矢量控制中，代入式（一）、式（）可得確偽（）蚴厶（）若以軸定子電壓分量“。和負載轉(zhuǎn)矩乙為輸入量，以轉(zhuǎn)子位罨為輸出量，由式（）、式（）和式（）可得出永磁同步電機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖所示。圖永磁同步電機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖永磁同步電機伺服系統(tǒng)可采用典型的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)口，中環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。我們采用的矢量控制的結(jié)構(gòu)如圖所示。圖三相水磁同步電機矢量控制結(jié)構(gòu)簡圖在永磁同步電機伺服系統(tǒng)中，電流環(huán)必須保證定子電流對矢量控制指令的準確跟蹤，我們采用調(diào)節(jié)器，以使系統(tǒng)快速響應(yīng)，消除靜態(tài)誤差。速度環(huán)的實現(xiàn)目標是：在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，盡量擴展調(diào)速范圍，加快動態(tài)響應(yīng)，保證速度控制的快速準確，同時還要抑制參數(shù)變化和負載變化引起的擾動。采用積分分離算法，即當(dāng)速度偏差較大時，為加快動態(tài)響應(yīng)，防止積分飽和，取消積分作用，只采用控制；當(dāng)速度偏差減小到設(shè)定閩值時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。由于伺服系統(tǒng)的負載變化范圍大且變化頻繁，如果速碩士學(xué)位論文第三章永磁同步電機數(shù)學(xué)建模與控制算法的研究度調(diào)節(jié)器采用固定的控制參數(shù)，當(dāng)輸入給定或系統(tǒng)參數(shù)變化時，很難得到令人滿意的動態(tài)響應(yīng)特性。需要使參數(shù)隨著速度和負載變化實時在線尋優(yōu)，以提高系統(tǒng)的速度控制性能。系統(tǒng)的位置控制要求響應(yīng)迅速，無超調(diào)或超調(diào)非常小，穩(wěn)態(tài)誤差為個脈沖，采用參數(shù)定時更新的最優(yōu)不完全微分控制。電流環(huán)調(diào)節(jié)周期是，速度環(huán)調(diào)節(jié)周期是，位置環(huán)的調(diào)節(jié)時間為。系統(tǒng)的控制過程為：給定位置信號與反饋回來的轉(zhuǎn)子位置信號相比較，經(jīng)過位置調(diào)節(jié)器的調(diào)整，輸出速度指令信號。速度指令信號與反饋回來的轉(zhuǎn)子速度信號相比較，經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器的調(diào)整，輸出作為轉(zhuǎn)矩控制的電流軸參考分量氏。同時，定予反饋的三相電流經(jīng)過計算處理與坐標變換，得到旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流分量、氏。、氏。（值為零）與電流反饋量良。、氏的偏差經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器調(diào)整，分別輸出旋轉(zhuǎn)坐標系中的相電壓分量蠔。和蠔。蠔。和。通過逆變換轉(zhuǎn)換成直角坐標系中的定子相電壓矢量的分量和以。，通過調(diào)制技術(shù)輸出六路驅(qū)動智能功率模塊，產(chǎn)生可變頻率和幅值的三相正弦電流輸入電機定子。基于粒子群優(yōu)化控制算法研究比例一積分一微分（）控制是歷