工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文關(guān)鍵詞：伺服，機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)，工業(yè)，設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文簡介：本文由職稱網(wǎng)提供，如需效勞，請您聯(lián)絡(luò)我們，熱線咨詢QQ：81981178，投稿郵箱qwfbw@163工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文內(nèi)容：

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摘要：交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人設(shè)備動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的核心，通過電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力驅(qū)開工業(yè)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)完成相應(yīng)制定的動(dòng)作目的，因此設(shè)計(jì)科學(xué)、完善的工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是進(jìn)步工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，進(jìn)步我國機(jī)械制造強(qiáng)國戰(zhàn)略目的的重要途徑。本文以某公司電機(jī)專用芯片TMS320F2812作為核心控制器，設(shè)計(jì)了工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；交流伺服驅(qū)動(dòng)；設(shè)計(jì)；永磁同步電機(jī)

引言

隨著工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)越來越被人們所重視，甚至工業(yè)機(jī)器人技術(shù)成為衡量國家綜合實(shí)力的重要指標(biāo)。工業(yè)機(jī)器人所具備的自動(dòng)化技術(shù)及應(yīng)用靈敏的特點(diǎn)可以適應(yīng)各種復(fù)雜的消費(fèi)環(huán)境，機(jī)器人動(dòng)作的完成主要是依靠伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成，因此機(jī)器人性能好壞與伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)有著直接的關(guān)系。交流永磁同步電動(dòng)機(jī)可以滿足機(jī)器人技術(shù)對交流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)，因此該電機(jī)成為交流伺服驅(qū)動(dòng)的首要選擇。

1交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的概述

隨著電機(jī)技術(shù)的不斷開展以及各種材料的不斷完善，新型永磁同步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)被各行所廣泛應(yīng)用，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要采取閉環(huán)控制方式。根據(jù)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開展現(xiàn)狀，其將來開展趨勢主要呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：〔1〕數(shù)字化，隨著微電子技術(shù)的開展，控制芯片的體積越來越小，抗干擾才能越來越強(qiáng)，其實(shí)現(xiàn)控制構(gòu)造越來越便利，可以隨時(shí)通過編程對軟件程序進(jìn)展控制，因此其數(shù)字化技術(shù)越來越高；〔2〕智能化，隨著工業(yè)消費(fèi)環(huán)境的不斷惡化，要求交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要適應(yīng)不同的環(huán)境，因此需要其具有智能化的特點(diǎn)，減少人工參與；〔3〕通用化，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般配有多種控制功能參數(shù)，這樣做的目的就是不改變硬件電路的根底上實(shí)現(xiàn)不同形式的工作，保證其符合多種工作環(huán)境。

使用交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)展伺服控制的策略主要包括：一是恒壓頻比控制。此種方法在工業(yè)控制領(lǐng)域中非常普遍，其主要是控制輸出電壓和頻率保證電機(jī)的磁通量為定值，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的控制。然而由于該控制方法不能直接控制電磁矩，因此其主要適應(yīng)在對動(dòng)態(tài)性要求低的工作環(huán)境中；二是矢量控制。矢量控制技術(shù)是交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開展的理論根底，矢量技術(shù)原理簡單、動(dòng)態(tài)性能良好，因此其在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛；三是直接轉(zhuǎn)矩控制。該技術(shù)的主要特點(diǎn)就是轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)響應(yīng)快，其廣泛的應(yīng)用到變頻器中；四是智能控制。智能控制是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及大數(shù)據(jù)技術(shù)的開展而產(chǎn)生的，智能控制是當(dāng)前機(jī)器人控制技術(shù)的核心，其相比上述技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，因此該技術(shù)直接應(yīng)用到交流伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中。

2機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

交流伺服驅(qū)動(dòng)硬件電路是系統(tǒng)運(yùn)行的根底，其中包括主電路、核心控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路以及通訊接口等〔見圖1〕，其詳細(xì)的工作流程是首先由上位機(jī)向DSP控制器發(fā)出伺服指令，經(jīng)過特殊處理之后，DSP控制器將收到的指令進(jìn)展控制指令輸出，并且控制相應(yīng)的頻率實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行，電機(jī)再利用傳感器輸出電流等信息，這些信息在經(jīng)過處理之后再返回DSP控制器。

2.1主電路設(shè)計(jì)

在整個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中主電路主要采取交直拓?fù)錁?gòu)造，電流經(jīng)過濾波、整流、穩(wěn)壓再經(jīng)過逆變器逆變，最終得到按照要求輸出的三相交流電。同時(shí)基于工業(yè)機(jī)器人在應(yīng)用過程中存在的頻繁操作啟停的現(xiàn)象，需要在主電路中設(shè)置能耗制動(dòng)模塊，防止直流母線上的泵升電壓過高的問題。在設(shè)置能耗制動(dòng)模塊時(shí)需要計(jì)算制動(dòng)電阻的功率，以此選擇相應(yīng)制動(dòng)電阻，由于本系統(tǒng)提供的電源為220V，因此我們應(yīng)該將制動(dòng)電壓門檻值設(shè)定380V，以此保證當(dāng)直流母線電壓大于制動(dòng)電壓門檻值時(shí)，能耗制動(dòng)模塊可以及時(shí)進(jìn)展能耗制動(dòng)。

2.2電流電壓檢測電路

該局部主要包括電流檢測和電壓檢測：一是電流檢測是進(jìn)展矢量控制的重要根據(jù)，本設(shè)計(jì)選擇霍爾電流感應(yīng)器HDC010G/S作為電流采樣元件，這是因?yàn)樵搨鞲衅骶哂辛己玫姆€(wěn)定性和可靠性特點(diǎn)，可以完全隔離主電路和檢測電路；二是電壓檢測。在矢量控制計(jì)算方法中需要將直流母線電壓作為參考，因此設(shè)計(jì)的直流母線電壓檢測電路如圖2所示，首先確定該直流母線電壓為220V，通過電阻分壓的方式獲得采樣電壓，然后再使用高線性度模擬信號(hào)光電隔離器件HCNR200使采樣電壓無衰減的送到控制電路側(cè)，從而把主電路與控制電路進(jìn)展隔離，實(shí)現(xiàn)將隔離后采集的電壓送到DSP的ADC接口進(jìn)展采樣并且計(jì)算電壓，為軟件制動(dòng)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

2.3ADC校正電路設(shè)計(jì)

ADC信號(hào)轉(zhuǎn)換電路是模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵電路，但是在理論中由于存在無功損耗，因此ADC的轉(zhuǎn)化結(jié)果存在一定的誤差，為進(jìn)步控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性需要對這些信號(hào)進(jìn)展靈敏的應(yīng)用，詳細(xì)校正模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路的步驟為：

〔1〕獲得硬件電路輸出的參考電壓信號(hào)的xL和xM的對應(yīng)轉(zhuǎn)換值yL、yM；〔2〕利用方程式y(tǒng)=x×ma-b及的參考值〔xL，yL〕和〔xM，yM〕計(jì)算實(shí)際增益和失調(diào)誤差；實(shí)際增益值：ma=〔yM-yL〕/〔xM-xL〕；失調(diào)誤差值：b=yL-xL×ma；〔3〕根據(jù)計(jì)算結(jié)果對ADC的其他應(yīng)用通道進(jìn)展校正，應(yīng)用經(jīng)過校正處理后的采樣數(shù)據(jù)。

3工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)的核心，一旦硬件電路確定之后就很難在進(jìn)展更改，而軟件系統(tǒng)那么可以進(jìn)展更改，根據(jù)不同的環(huán)境要求進(jìn)展指令的調(diào)整。軟件系統(tǒng)主要包括主控制程序和中斷子程序設(shè)計(jì)，根據(jù)硬件線路設(shè)計(jì)的要求，本文設(shè)計(jì)的軟件主要是采取某公司發(fā)布的DSP集成編譯環(huán)境CCS4.12，使用C語言編程。

3.1主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是完成對控制器各存放器的初始化，實(shí)現(xiàn)對ADC采樣通道軟件的校正，詳細(xì)構(gòu)造為：開始——變量初始化——I/O接口初始化——A/D通道檢測及校正處理——調(diào)用各子程序初始化函數(shù)——狀態(tài)檢測——循環(huán)等待中斷。

3.2矢量控制程序

矢量控制的主要目的就是在進(jìn)入矢量控制中斷程序之后，需要對現(xiàn)場進(jìn)展保護(hù)，并且對電機(jī)母線電壓、定子電流信號(hào)采樣，實(shí)現(xiàn)速度算法，進(jìn)展坐標(biāo)變換，最后輸出空間矢量電壓，恢復(fù)現(xiàn)場退出中斷。詳細(xì)的程序流程見圖3。

3.3空間矢量調(diào)制〔SVPWM〕程序

該程序是整個(gè)系統(tǒng)的核心，因此控制算法也是該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。首先經(jīng)過Park逆變換獲得兩相靜止電壓矢量UarefUbref，再經(jīng)過Clarke逆變換得到三相靜止電壓值，根據(jù)電壓值判斷此時(shí)合成電壓矢量所處的扇區(qū)，然后在計(jì)算合成電壓矢量在相應(yīng)扇區(qū)中兩相鄰電壓矢量上的導(dǎo)通時(shí)間t1、t2，經(jīng)過飽和判斷以后再計(jì)算出電壓空間矢量的切換點(diǎn)時(shí)刻taon、tbon、tcon，根據(jù)此計(jì)算結(jié)果對控制器比擬存放器進(jìn)展賦值，完成矢量調(diào)制電壓波形的輸出。

4工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測試

4.1電流環(huán)測試

電流環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制系統(tǒng)的性能，通過電流環(huán)跟蹤測試可以看出在給定正負(fù)2A電流時(shí)，反響電流最大超調(diào)只有±390mA。綜觀整個(gè)電流環(huán)響應(yīng)曲線，其上升時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差均有良好的特性，可以滿足工業(yè)機(jī)器人高性能伺服控制系統(tǒng)的要求。

4.2速度環(huán)測試

速度調(diào)節(jié)是機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)的最重要的環(huán)節(jié)，直接決定了伺服控制系統(tǒng)的性能。一是帶固定小負(fù)載時(shí)的速度跟蹤。以5Hz為頻率，周期性的給定速度1500r/min，電機(jī)空載，此時(shí)的速度跟蹤曲線如圖4所示。從圖中可以看出此時(shí)的速度上升時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差均有良好的效果，符合系統(tǒng)的要求。二是帶固定負(fù)載時(shí)的速度跟蹤。用磁粉制動(dòng)器周期性的對伺服控制系統(tǒng)加2N.M的固定負(fù)載，此時(shí)檢測的結(jié)果表現(xiàn)速度的上升時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差均效果良好，符合機(jī)器人高精度伺服的要求。三是恒定轉(zhuǎn)速突加負(fù)載速度跟蹤。電機(jī)在小負(fù)載1500r/min時(shí)，Q軸穩(wěn)態(tài)電流為200mA左右，轉(zhuǎn)速恒定為1500r/min，突加2N.M的負(fù)載后，Q軸電流馬上上升到2.99A左右，受負(fù)載影響轉(zhuǎn)速下降到1420r/min左右，系統(tǒng)用了50mS的時(shí)間又將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到了1500r/min?？梢娍刂葡到y(tǒng)在抗負(fù)載波動(dòng)方面效果良好。

4.3位置環(huán)測試

一是帶固定小負(fù)載時(shí)的定位測試。通過檢測出電機(jī)僅用了200mS就到達(dá)了29998脈沖。在電機(jī)從零位置啟動(dòng)時(shí)，速度為0，一直以加速上升到最高速度限制在2000r/min，然后恒速運(yùn)行，當(dāng)接近指定位置時(shí)開始減速運(yùn)行，一直到位置差為小于2脈沖時(shí)，速度下降為0。由此可見伺服控制系統(tǒng)在速度限制、速度響應(yīng)和定位精度方面都有優(yōu)異的性能。二是帶可變負(fù)載時(shí)的定位測試。當(dāng)給交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)加0-2N.M的可變負(fù)載，給定30000脈沖定位指令，在伺服控制系統(tǒng)在可變負(fù)載的定位時(shí)間比固定小負(fù)載時(shí)長40mS左右，而且無超調(diào)，定位誤差為零。

本文以TMS320F281