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基于直流伺服电机的模块化机械臂运动控制研究

曹磊  
【摘要】:模块化机械臂与传统机械臂相比具有开发周期短,工作范围广,易于维修等优势,已经成为国内外研究的热点。本文涉及到的模块化机械臂,一共有六个自由度,采用了直流伺服电机作为关节处的动力设备。机械臂沿着期望轨迹抓取或者移动就是靠六个关节的电机共同配合来完成的。提高每个电机的位置伺服控制精度,就可以改善整个机械臂的运动状态,更有效地跟踪期望的轨迹。当前国内对模块化机械臂的研究重点主要是硬件设计、软件设计及算法仿真,而对提高单个电机位置伺服控制精度的研究则比较少。本文通过实际的电机调试,最终设计了一套实现高精度位置伺服的控制方法。主要工作有: 1.分析了当前国内外模块化机械臂研究的现状,阐述了控制的关键问题和对其拟采用的办法。介绍了模块化设计、控制系统、PID算法、CAN总线、直流电机、PWM原理、DSP等相关知识背景。 2.针对模块化机械臂的关节,设计了系统硬件,编写了软件并测试验证其有效性。实现了电机的速度伺服和位置伺服控制功能。本系统的驱动器由TMS320LF2407型号的DSP和外围电路构成,关节模块的动力设备是直流伺服电机。 3.为了保证模块化机械臂沿着指定轨迹运行时的平稳性、作业精确性,提出了一个在50毫秒内跟踪到指定位置的问题。通过实验,发现了一种现象:当系统固定的情况下,对于同样的PID参数,系统在任何阶跃信号作用下的上升时间都是固定的,而且在这段时间内,曲线近似于直线;更进一步地,当系统固定的情况下,对于同样的PID参数,系统在任何分段常量信号作用下的跳变时间都是固定的,而且在这段时间内,曲线近似于直线。 4.根据上面的实验现象设计了一套实现高精度位置伺服的控制方法,在PID控制算法的调节时间之内,找到了速度的可控时间区域,实现了对速度的有效控制。实际的电机调试证明,设计的程序可以控制电机在50ms内同时实现对电机速度和位置的精确控制,速度变化平滑,与理想构思相吻合,达到了预期的目标。由于机械臂的模块化设计,高质量的程序可以移植到其他设备上,减少了成本和开发周期。


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