工业机器人的分布控制系统采用上、下两级控制器实现系统的全部控制功能。上一级控制器负责整个系统管理以及坐标变换、轨迹插补和系统自诊断等功能；下一级控制器由多个微控制器（MCU）组成，每一个MCU控制一个关节运动，它们并行完成各个关节的伺服控制任务。上下级控制器之间通过总线进行通信。

典型的工业机器人是具有六个自由度的关节型机器人。从控制的角度来说，工业机器人是一个典型的强耦合、非线性系统，控制难度大。本章主要介绍工业机器人腕关节控制系统的基本原理，系统组成和各部分的主要功能。控制系统性能在很大程度上决定了机器人的性能。一个良好的控制系统要有灵活、方便的操作方式，多样的运动控制方式和可靠性。主要构成为人机接口、控制器、驱动器、传感器系统。

用传感器感受速度变化后，经由单片机传送到显示系统，输出转速。单片机输出控制信号，控制驱动电路使得步进电机转动。利用单片机输出时钟信号和控制信号，电机转轴上有磁力片与霍尔传感器接近，霍尔传感器把磁场变化转变为电压脉冲变化，最终经单片机处理后输出到数码管显示转速。

上述这种关节伺服系统把每一个关节作为单纯的单输入单输出系统来处理，所以结构简单，现在的工业机器人大部分都由这种关节伺服系统来控制。把这些耦合当作外部干扰来处理，在精度要求不高时也能满足要求。但因重力引起的静常偏差不可避免，因此需要加入积分项：

也可在PD控制基础上增加重力补偿消除静差：

工业机器人的速度控制指的是对机器人的速度反馈控制，若关节的控制量是

，

就可组成速度伺服控制系统。作业任务：按一定方向移动或绕规定轴转动，则有： ， 。考虑到对此式反复迭代有累积误差，计算出考虑末端误差 的 ，并把这个 作为各关节速度伺服系统的目标值进行控制。

如果关节的控制量是引入了加速度量纲 ，就可组成如图所示的加速度伺服控制系统。

可简化计算量：

如果控制量是引入了加速度 量纲 ，就可组成如图所示的加速度伺服控制系统。

在腕关节伺服系统设计中进行硬件、软件的设计。包括系统总体方案设计，控制芯片应用系统设计，驱动电路设计，测量电路设计等。本节将使用AT89C51运动控制器使手腕关节达到相应的位置、速度及反向控制，采用DSP和FPGA／CPLD技术，可编程伺服采样周期以实现3个伺服轴并行执行手腕三个关节的控制。考虑到基本PID控制在控制系统中已经能够取得基本满意的效果，首先讨论了直流伺服系统基本PID控制算法、参数整定及控制算法的实现方法。并讨论了基于ADRC的PMSM运动控制系统的算法并用MATLAB仿真比较了两种控制的控制效果。

2.1 工业机器人腕关节控制方案系统设计

硬件元器件选型

一般机器人控制系统的硬件平台采用基于PC总线的系统。近年来，随着PC机性能的快速发展，可靠性大为提高，价格却大幅度降低，以PC机为核心的控制系统已广泛被机器人控制领域所接受。基于PC机控制系统一般包括单PC控制模式，PC+PC，PC+分布式控制器，PC+DSP运动控制卡等三种，由于DSP高速处理能力与运算能力，可同时控制多轴运动，实现复杂的控制算法并获得优良的伺服性能，笔者选定PC+ DSP运动控制卡的控制模式。

图5-1 控制系统框图

本系统选用众研IPC-610L工控机作为机器人中心控制系统,主频233MHz,内存128MB，32位数据总线。芯片筛选严格；芯片驱动能力较强；整机内部结构属于工业加强型，具有较强的防震和抗干扰性能；对环境（如温度、湿度、灰尘等）的要求低。

伺服电动机与伺服系统

伺服系统是使物体的机械参数，位移、角度、力、转矩、速度、加速度等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）任意变化的自动控制系统，又称之为随动系统或自动跟踪系统，由检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成。通常分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统按电动机种类又可分为同步型和异步型（感应）AC 伺服系统两种。两种类型的 AC 伺服电动机与 DC 伺服电动机的主要性能比较见表 3-3

表 3-3 DC 伺服电动机与 AC 伺服电动机的比较

交流伺服电动机主要由转子、定子和编码器三大部分组成，定子主要包括电枢铁心和三相（或多相）对称电枢绕组，绕组嵌放在铁心的槽中，转子主要由永磁体、导磁轭和转轴构成。永磁体贴在导磁轭上，导磁轭为圆筒形，套在转轴上；当转子直径较小时，可以直接把永磁体贴在导磁轴上。转子同轴连接有光电编码器，用于检测转子磁极相对于定子绕组的相对位置及转子转速。当永磁同步电动机的电枢绕组中通过对称的三相电流时，定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场，在稳态情况下，转子的转速恒为磁场的同步转速。于是，定子旋转磁场与转子的永磁体产生的磁场保持静止，它们之间相互作用，产生电磁转矩，拖动转子旋转，进行机电能量转换

永磁同步交流伺服电动机结构紧凑，相同功率或尺寸的同步电动机扭矩比异步电动机大 60%，转子转动惯量低，可以满足高动态特性控制，低速特性十分优良，可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广，效率很高。永磁同步电动机在转子上装有永磁材料，用以产生恒定磁场。不同几何形状的永磁体产生的磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，在当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种，一种为正弦波，另一种为梯形波。前者称为正弦波永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor简称PMSM），后者称为无刷直流电动机（The Brush-less DC Motor简称BLDCM）。因此选作机器人手腕的控制电机。永磁同步电动机与驱动器外形见图 3-27。

图 3-28  永磁同步电动机结构示意图

交流伺服电动机采用闭环控制，其控制精度与反馈元件有直接的关系。最常用的反馈元件有增量式编码器与绝对值编码器。

图 3-27  正弦波永磁同步电机

永磁同步交流伺服系统

永磁同步交流伺服系统主要由控制器，伺服电动机驱动器及交流伺服电动机组成。

永磁同步电机伺服控制系统的构成如图 3-29 所示。系统的基本部分由永磁同步电机（PMSM）、电压型 PWM 逆变器、电流传感器、速度、位置传感器、电流控制器等部分构成。如果需要进行速度和位置控制、还需要各种传感器和控制器。通常使用的是光电编码器。

图 3-29  永磁同步电机伺服控制系统结构

图 3-30 所示为一种交流伺服电机常用控制模型，其中电流环的等效传递函数为一阶系统函数，L 为电动机电枢电感，R 为电动机电枢阻抗。速度环的闭环传递函数为二阶系统函数，其中包括电动机的一阶惯性环节，J 为电动机转子的转动惯量，B 为电动机的阻尼。

图 3-30  交流伺服电动机控制模型

对于速度环构成的二阶系统，电动机与负载因素会影响其动态性能，同时速度控制器的参数比例增益与积分时间也会影响二阶系统的性能，增加比例增益会增加系统的带宽，快速的积分会减小系统的静态误差，但是也会增加系统的阻尼。过小的阻尼会使二阶系统在截止频率处产生谐振。对于二阶系统，理想的系统阻尼为0.707。与交流伺服系统中位置环、速度环、电流环相对应交流伺服电动机通常有三种控制模式，位置控制、速度控制、转矩控制等。

伺服驱动器

伺服驱动器是上位控制器与交流伺服电动机的联系环节，接收控制器的指令并经变换、功率放大后驱动交流伺服电动机，有时也称为放大器。伺服电动机必须要伺服驱动器配合 才能正常工作。

通用型交流伺服驱动器具有丰富的接口，用于连接控制器与电动机，主要有：电源接口。电动机驱动接口。接伺服电动机 U、V、W 接线端。信号反馈接口。接编码器或旋转变压器，有多种形式。脉冲接口。接收脉冲控制，与步进电动机相同，脉冲数代表位移，脉冲频率代表速度。模拟接口。接收和反馈模拟量，用模拟量大小代表速度或扭矩。通讯指令接口。利用 RS232C 或 RS485 串行通讯口，可接上位机或组网。数字量接口。数字量接口又可分为输入接口与输出接口。如伺服使能信号。

本文选用的 maxon 公司的伺服控制器，该控制器可以满足两种工作模式： 转速控制、力矩调节。该控制器上具有数字输入输出和模拟量输入输出，可以控制调节电机，制动器，编码器。伺服控制器如图 2-8 所示，伺服控制器参数如表

2-9 所示。图 2-8 中的 USB 接口，可以通过数据线与计算机连接，由计算机的

ESCON 软件对电机进行参数调试，界面如图 2-9 所示。

表 2-9  伺服控制器参数

图 2-9 ESCON 参数调试界面

伺服控制器无法独立使用，需配合母板使用，以扩展外部供电设备及电机的接口。Maxon 公司提供伺服控制器配套母板尺寸参数为 72×110 mm，而本文设计的提升钢丝绳巡检机器人，伺服控制器及配套母板设计安放在两个基座之间，可供伺服控制器及母板使用的尺寸空间为 46×79×28 mm，无法满足 Maxon 公司母板的安装尺寸需求。而且，母板上的霍尔传感器通道未使用到，电机设计四个通道，本文只用到两个通道，数字输入输出端，模拟量输入输出端都有多余通道。所以根据本文设计需求开发伺服控制器母板。

实际上当 Lphase 计算结果为负时，不需要加电机扼流器。但是附加电机扼流器还有使损失的电流减小、屏蔽电磁和饱和电流变高的优点，而且还可以保证电机的负载电流一直比额定电流小。如果采用不同的附加电感，还需调整滤波元件，所以本文采用了相同的附加电感，电感值为 22 μH 。

此伺服控制器母板上具有电源，电机，编码器，数字输入输出端等连接器， 具体连接情况如图 2-10 所示。J1 为电源连接器，J2 为电机连接器，J4 为编码器连接器，J5 为数字输入输出端连接器，J6 为模拟量输入输出端连接器，P1、P2 为与伺服控制器装配的排针母座，各个排针管脚配置如表 2-10 所示。

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