DSP的二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制技術(shù)研究

1、南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文基于DSP的二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制技術(shù)研究姓名:房黎黎申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專(zhuān)業(yè):兵器發(fā)射理論與技術(shù)指導(dǎo)教師:李開(kāi)明20080526 2二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及分析碩上論文被動(dòng)關(guān)節(jié)置和墾坐標(biāo)為(嘞,Ypl和(和2,蜘2,可由下式計(jì)算:1%I2吒l+lcosal【兒l=Yal+lsinaI 1%22吒2+lcosa:氣【Yb2=Y02+lsina2X=xbl+/cosA+mY=YbI+lsinflt工=.b2+/cos屐一m Y=Yb2+/sin屐兒l+lsin屆,=Yb2+/sin屬為計(jì)算方便,上式化為工一%Im=leosflI Y一兒l=lsinfllx一%2+,以=lco

2、s壓YYb2=lsin屬YbI+/sinA=n2+/sin屬進(jìn)一步化為:由上面公式可看出,當(dāng)主動(dòng)關(guān)節(jié)的角度%和哆確定時(shí),被動(dòng)關(guān)節(jié)E和墾坐標(biāo)(勃,蜘。和(勤:,%2了即可確定,曲柄連桿長(zhǎng)度,和m也是確定值,上式中只有末端執(zhí)行器中點(diǎn)P的坐標(biāo)(x,y是未知量,解上述方程組即可求得。這就是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的正解分析。由機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系,有下式成立:12p p=時(shí)塒一一O+啷吣一+%一一X Z 碩士論文基于DSP的二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制技術(shù)研究我們忽略了連桿對(duì)曲柄的作用力,因?yàn)檫@部分的力非常復(fù)雜,而且無(wú)法用線性方程的形式表示出來(lái),實(shí)際上連桿的質(zhì)量并不大,這部分的力也影響較小,為計(jì)算和分析簡(jiǎn)便,做這一簡(jiǎn)略處理;v

3、為動(dòng)平臺(tái)的的運(yùn)動(dòng)速度;q為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度為:V=(三;c3_4,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度為q=壘喁;由前面的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知,(耋=廠1蘭2,廠1為速度反解雅比矩陣的逆矩陣。設(shè)由此可得:,=l乏:乏:l=E,夏f 16262zlr 2I .當(dāng)口2=0時(shí),1,=、/x+y =皖+磋呸,所以得:二:匝:巫吧厶乞二喁腳u嗟訊唁=M毒zj n112嚷嚷其中l(wèi)iJJ2為,。1中第一列向量的模的平方。(3.1。9黔卜M主圳11;112jd2擴(kuò)Oo(t+廠掣(3.¨。! 本論文采用DSP+步進(jìn)電機(jī)組成的數(shù)字控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電 動(dòng)機(jī)。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移,即給一個(gè)PWM脈

4、沖信號(hào),步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一 個(gè)角度,當(dāng)脈沖是連續(xù)供給時(shí),運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件,是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化 控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的主要區(qū)別就在于其脈沖驅(qū)動(dòng)形式的靈活,因此可 以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合,成本明顯降低,幾乎不必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。不過(guò)步進(jìn) 電機(jī)在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服 電機(jī)。而在有些精度不是需要特別高的場(chǎng)合就可以使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)作為一種 可以開(kāi)環(huán)使用的數(shù)字傳動(dòng)裝置,有能快速起動(dòng)、停止,轉(zhuǎn)速始終與輸入頻率成正比, 能實(shí)現(xiàn)精確定位及直接接收數(shù)字量等特點(diǎn)。本系統(tǒng)使用的步進(jìn)電機(jī)是常州創(chuàng)偉電機(jī)廠生產(chǎn)的

5、二相混合式步進(jìn)電機(jī),最大靜轉(zhuǎn) 矩為O.7M,步距角是0.9。并可以進(jìn)一步細(xì)分。(1矩頻特性步進(jìn)電機(jī)中最主要的性能指標(biāo)之一是最大靜轉(zhuǎn)矩,這一特性反應(yīng)了步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng) 負(fù)載的能力,一般要求負(fù)載轉(zhuǎn)矩只能是最大靜轉(zhuǎn)矩的30%50%左右。另外一個(gè)是動(dòng) 轉(zhuǎn)矩,是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)情況下的最大輸出轉(zhuǎn)矩值,它與運(yùn)行的頻率有關(guān)。在高速運(yùn)行時(shí), 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降,主要原因是,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電機(jī)各相 繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì),頻率越高,反向電動(dòng)勢(shì)越大,在它的作用下,電 機(jī)隨頻率增大而相電流減小,從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩下降。(2響應(yīng)頻率和運(yùn)行頻率 . 在某一頻率范圍內(nèi),步進(jìn)電機(jī)可以任意運(yùn)行而不丟步,這一最大頻

6、率稱為響應(yīng)頻 率。通常用起動(dòng)頻率來(lái)作為衡量的指標(biāo)。它隨負(fù)載的增加而顯著下降。頻率連續(xù)上升時(shí),電動(dòng)機(jī)能不失步運(yùn)行的極限頻率。運(yùn)行頻率的值也與負(fù)載的大 374數(shù)字控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) 碩:卜論文 小有關(guān)。在相同負(fù)載情況下,連續(xù)頻率的值遠(yuǎn)大于起動(dòng)頻率。步進(jìn)電機(jī)的最主要的用途就是實(shí)現(xiàn)位置控制。步進(jìn)電機(jī)的位置控制指的是控制步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個(gè)位置精確的運(yùn)行到另一個(gè)位置。步進(jìn)電機(jī)的位置控制是 步進(jìn)電機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn),它可以不用借助位置傳感器而只需簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制就能達(dá)到足 夠的位置精度【怕】。步進(jìn)電機(jī)的位置控制需要兩個(gè)參數(shù):第一個(gè)是步進(jìn)電機(jī)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù),我們稱為絕對(duì)位置。絕對(duì)位 置是有

7、極限的,其極限是執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的范圍,超出了這個(gè)極限就應(yīng)報(bào)警。絕對(duì)位置 一般要折算成步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)。第二個(gè)參數(shù)是從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置的距離,也可以稱為相對(duì)位置。也將這 個(gè)距離折算成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步數(shù),這個(gè)參數(shù)是從外部輸入的。對(duì)步進(jìn)電機(jī)位置控制的一般做法是:步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步,步數(shù)減l,如果沒(méi)有 失步存在,當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí),步數(shù)正好減到0。因此用步數(shù)等于0來(lái)判斷 是否移動(dòng)到目標(biāo)位,作為步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行的信號(hào)。絕對(duì)位置參數(shù)可作為人機(jī)對(duì)話的顯示參數(shù),或作為其他控制目的的重要參數(shù),因 此也必須要給出。它與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向有關(guān),當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí),步進(jìn)電機(jī)每走一步, 絕對(duì)位置加1;當(dāng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí),

8、絕對(duì)位置每次步進(jìn)減1。步進(jìn)電機(jī)本身的精度比較高,但是容易出現(xiàn)失步,使實(shí)際位置和理論位置出現(xiàn)偏 差。根據(jù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)特性的研究,總結(jié)了以下提高步進(jìn)電機(jī)精度的辦法:(1采取步距角細(xì)分的辦法,本實(shí)驗(yàn)中使用的步距角在0.9。的基礎(chǔ)上可以再細(xì)分, 步距角越小精度越高;(2在電機(jī)減速器和機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)中,如負(fù)載過(guò)大,相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)慣性增大,步進(jìn) 電機(jī)容易出現(xiàn)失步,因此在機(jī)構(gòu)樣機(jī)的設(shè)計(jì)中要考慮到這一點(diǎn),盡量使機(jī)構(gòu)的質(zhì)量減 小:(3步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止要注意的問(wèn)題一般情況下,電機(jī)的極限啟動(dòng)頻率是比較低的,而系統(tǒng)要求的運(yùn)行速度比較高。 如果系統(tǒng)以要求的速度直接啟動(dòng),一般該速度已超過(guò)極限啟動(dòng)頻率,不能正常啟動(dòng), 就會(huì)發(fā)

9、生丟步或啟動(dòng)不了。電機(jī)由靜止啟動(dòng),由于啟動(dòng)慣性,電機(jī)還沒(méi)來(lái)得及移動(dòng)一 個(gè)步距,脈沖可能已經(jīng)到了第二個(gè)了,這時(shí)存在兩種情況:電機(jī)脈沖不大的情況下, 電機(jī)能順利啟動(dòng);但脈沖頻率過(guò)高的話,轉(zhuǎn)子不能達(dá)到脈沖對(duì)應(yīng)位移特性,造成失步 。或動(dòng)不起來(lái)。39碩士論文 基于DSP的二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制技術(shù)研究系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)以后,如果達(dá)到終點(diǎn)時(shí)立即停止發(fā)脈沖串,令其立即停止,則因?yàn)?系統(tǒng)慣性的原因,會(huì)發(fā)生過(guò)沖現(xiàn)象。因此,在點(diǎn)位控制中,運(yùn)行速度都需有一個(gè)加速、 恒速、減速、低恒速、停止的過(guò)程。升速的過(guò)程一般有兩種,一是按照直線規(guī)律升速, 二是按照指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律升速時(shí)加速度是恒定的,因此電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也 需要是

10、恒定的。按指數(shù)規(guī)律升速,加速度是逐漸下降的,接近電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變 化的規(guī)律。(4在控制策略上減小誤差隅.W1 0詐2 閂厶 .二斗三7占m島-VM一&舟>B。.t-一、jk 1 Q (b. 在步進(jìn)電機(jī)變速過(guò)程中,步進(jìn)電機(jī)的角速度由wl轉(zhuǎn)到w2轉(zhuǎn)變時(shí),如果要求電機(jī) 立即由A點(diǎn)的角速度wl轉(zhuǎn)到B點(diǎn)的角速度w2時(shí),這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程必須在一步之內(nèi)完成, 否則就會(huì)丟步,因?yàn)樗倪\(yùn)行必須與輸入脈沖保持一致。但是在這樣轉(zhuǎn)換過(guò)后,電機(jī) 將立即以w運(yùn)行數(shù)秒,停止過(guò)后,電機(jī)肯定偏離了位置B,這樣就產(chǎn)生了誤差,將 會(huì)給位置控制帶來(lái)很大的影響。4數(shù)字控制系統(tǒng)的研究j實(shí)現(xiàn) 碩士論文是,在A、B兩點(diǎn)之間采用

11、線性插值的方法確定出速度為零的中點(diǎn)M,將A、B之間 的位移以M點(diǎn)為界線,分成位移相等的兩部分,前一部分電機(jī)按A的角速度wl運(yùn)行, 后一部分按B的角速度w2運(yùn)行,速度曲線按圖(a中AMB曲線變化,這樣就可保證 位置變化的準(zhǔn)確性。 現(xiàn)在根據(jù)上圖求位置以,這樣我們就可根據(jù)色算出步進(jìn)電機(jī)以各個(gè)速度所運(yùn)行 的脈沖數(shù)。根據(jù)圖(a,利用AB直線的線性方程可得:根據(jù)電機(jī)在各時(shí)間段內(nèi)所移動(dòng)的角位移可得:氏一舅=w1(t。一t1島一巳=%(t2一t。免=巫:掣罌 (4“2 聽(tīng)+嵋綜上所述,我們發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于位置控制時(shí),需要檢驗(yàn)兩相鄰點(diǎn)的的角速度 進(jìn)行判別,通過(guò)下列等式進(jìn)行判別:4.3控制系統(tǒng)的主控制器硬件選擇

12、與實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)的主控板是一個(gè)可擴(kuò)展的DSP系統(tǒng)板,主要由DSP主控芯片和一些 基本的外圍電路組成。主控器件是本控制系統(tǒng)的重要組成部分。本控制系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理采用專(zhuān)用的數(shù) 字信號(hào)處理器(DSP芯片實(shí)現(xiàn)。采用DSP器件主要是基于以下的優(yōu)點(diǎn)考慮的。 與MCU相比,DSP器件具有較高的集成度。DSP具有更快的CPU,更大容量 的存儲(chǔ)器,內(nèi)置有波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器。提供高速、同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串 口。有的片內(nèi)集成了AID和采樣/保持電路,可提供PWM輸出。DSP器件采用改進(jìn)碩士論文 基于DSP的二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制技術(shù)研究的哈佛結(jié)構(gòu),具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間,允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的

13、硬 件乘法器,增強(qiáng)的多級(jí)流水線,使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。DSP器件比 16位MCU單指令執(zhí)行時(shí)間快8"-'10倍,完成一次乘加運(yùn)算快16'-'30倍。DSP器件 還提供了高度專(zhuān)業(yè)化的指令集,提高了FFT快速傅里葉變換和濾波器的運(yùn)算速度。 此外,DSP器件提供JTAG接口,具有更先進(jìn)的開(kāi)發(fā)手段,批量生產(chǎn)測(cè)試更方便,開(kāi) 發(fā)工具可實(shí)現(xiàn)全空間透明仿真,不占用用戶任何資源。軟件配有匯編/鏈接c編譯器、 C源碼調(diào)試器。綜合這些特點(diǎn)決定了在快速和大量的信號(hào)處理領(lǐng)域DSP被廣泛的應(yīng) 用。本控制系統(tǒng)采用TI的TMS320F2812系列的DSP,下面介紹TMS320F2812的內(nèi) 核結(jié)構(gòu)和外圍接口。TMS320F2812是定點(diǎn)高速數(shù)字信號(hào)處理器,最高工作頻率是150MHz,片內(nèi)內(nèi) 置128K*16位FLASH,18K*16位SRAM,片外擴(kuò)展256K*16位SRAM,此外芯片上 還整合了快速的A/D轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)的CAN模