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驱控一体化多轴机器人运动控制系统的研究与开发

杨启杰  
【摘要】:本文基于驱控一体化多轴机器人运动控制系统这一技术背景,以多轴机器人运动控制系统中的软硬件平台的设计和实现为核心,针对多轴机器人运动控制系统的硬件设计、软件开发、电机的三环控制以及机器人的上位机控制平台等内容进行了研究。首先,本文着重介绍了运动控制和驱控一体化控制的技术背景。在这个部分详细介绍了工业多轴机器人技术、运动控制技术以及电机的矢量控制技术,详细分析了驱控一体化控制在多轴机器人控制领域的优势。其次,本文详细介绍了驱控一体化多轴机器人运动控制系统的硬件设计以及集成。对运动控制系统的各个硬件组成模块进行了详细说明,包括运动控制芯片的选择、编码器位置信息反馈模块、电流采集反馈模块、芯片间的连接方式和网络通讯模块等。同时也对驱动器和交流伺服电机进行了介绍。之后,对多轴机器人控制系统的软件设计和开发流程进行了详细的介绍。本控制系统的软件开发根据开发平台的不同可以分为三个部分。首先对基于FPGA的SoC平台的软件开发进行了介绍和说明,实现了电流环的矢量控制;其次介绍了DSP平台的基于SYS/BIOS系统的软件开发,实现了三个主要的功能;最后介绍了上位机PC端基于RTX的实时开发环境,并利用微软的软件开发工具开发出了基于上位机的运动控制软件解决方案,实现了界面控制、运动控制算法以及以太网通信。进一步,基于前文介绍的硬件平台和软件平台,对多轴机器人运动控制系统中使用的永磁同步交流伺服电机的三环控制进行了设计并加以实现。对于电流环,介绍了电气角初始值的确定方法,给出了电流环传递函数的推导过程,并进行了电流环的仿真实验以及实际的电流环阶跃响应实验。对于速度环,给出了速度调节器的设计和实现方法,并使用分段积分算法对速度环的响应进行了优化,最后通过实验验证了算法的有效性。对于位置环,给出了位置环调节器的设计和实现方法,并通过实验测量了位置环的稳态误差。最后,介绍了前文设计并实现的多轴机器人运动控制系统在具体机器人上的应用。首先介绍了系统使用的Delta机器人,然后针对Delta机器人,给出了开发完成的上位机控制软件的介绍和说明,之后介绍了上位机端的运动规划算法,借此实现了对Delta机器人的点到点位置控制和连续轨迹运动控制,最后通过实验对Delta机器人的位置误差进行了测量,并就结果进行了说明与分析。


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