小型机器人关节控制电路系统的关节位置信息采集和闭环
定位控制实现
摘要：提出一种小型机器人关节位置信息采集及定位控制系统的设计方法，设计方案包括硬件设计和软件设计，核心处理器采用意法半导体32位单片机STM32，采用CAN
总线接收上位机的命令，实现传感器信息采集的反馈。通过双相DMOS全桥驱动电路芯片，结合PID算法实现空心杯直流电机的一种高精度闭环定位控制。选取AS5054磁旋转编
码器实现关节位置信息的采集，以控制关节角度转动误差，进而实现闭环定位控制过程。实验表明，系统软硬件与小型机器人转动关节对电路系统控制的实用要求相符合。
关键词：小型机器人；关节控制电路系统；关节位
置信息采集；闭环定位控制
中图分类号：TN710?34 文献标识码： A 文章编号：1004?373X（2016）10?0146?03
Acquisition of joint position information and implementation of closed?loop positioning control for small robot joint control circuit system
LIU Ying
（Sichuan Information Technology College，Guangyuan
608040，China）
Abstract： A design method of joint control circuit system for small robot is proposed. The scheme is integrated with hardware design and software design. The microcontroller STM32 of 32 bit made by ST Microelectronics is taken as the core processor，which combines with the CAN bus to receive the command from the host computer and realize the feedback of sensor information acquisition. The high precision closed?loop positioning control of coreless DC motor is realized with dual phase DMOS full bridge driver circuit chip and PID algorithm. The AS5054 magnetic rotary encoder is selected to acquire the joint position information，which can control the joint angle rotational error，and realize the closed?loop positioning control process. The method scientifically guides the design of modern small robot joint control circuit system.
Keywords：small robot；joint control circuit system；joint position information acquisition；closed?loop positioning control
0 引言
21世纪的今天，现代化科学技术的成熟发展，推动了小型化机器人的迅速发展，并广泛应用于军事通信以及航空领域等。小型机器人关节转动控制及转动角度定位，始终是机
器人运动控制的核心部分。关节控制电路系统的优化设计对于关节控制的精度、上位机通信等有着极其重要的作用。如何做好小型机器人关节控制电路系统的关节位置信息的采集，并实现闭环定位始终是电子技术行业领域研究的热点之一。因此本文对小型机器人关节控制电路系统的关节位置信息采集和闭环定位控制实现进行研究有一定的现实意义。
1 小型机器人关节控制电路系统的硬件设计
小型机器人关节控制电路系统的设计，基于节能的目的，采取空心杯直流电机提高系统灵敏性，实现电路的稳定运行。为配合硬件系统对电机的精准控制及算法需求，主控器件选用带闪存的32位意法半导体STM32单片机，并根据CAN总线的实时性和可靠性特点，采用CAN总线接口方式与上位机实现双向通信过程[1]。同时考虑了系统的可扩展性，结合磁旋转编码AS5045的高精度，对电机的位置信息进行实时检测，基于A3995的驱动电路体积小，能很好地控制电机。
1.1 微处理器控制电路和驱动模块电路
微处理器控制电路中，应用32位微控制器，对前期电
路采集到的定位及角度转动信息根据程序设计做出计算与
处理，在上位机形式下，通过I/O口实现命令的直接传达与
控制，既能通过上位机合理控制电机转速与角度，同时也保证了系统高效稳定的运行。设计驱动模块电路的同时，也要结合双相DMOS全桥驱动电路芯片，故采取A3995驱动模块
电路结构。其中，通过程序对ARM微处理器STM32的I/O
引脚加以设置，将其作为电机驱动芯片的一种输入控制信息，对电机的动作进行控制。对于电机转动方向的控制，结合PHASE高低电平进行决定，同时电流衰减快慢模式可以应用MODE进行选择[2]。
保护电路的设计主要采取电流检测的方法。基于A3995芯片的电流检测保护电路需要结合软件编程，加强内部电路电压的保护。同时在控制电机正转和反转的过程中，实现流过负载电流大小的直接检测。而保护电路电压比较器的负输入端的直接检测，需要在软件设计中对定时器做好设置，使得PB1端口将PWM信号输出，并在降压之后和VBEF1进行相连[3]。 1.2 CAN通信模块电路
系统的双向通信过程，采用CAN总线通信模式，同时接入多个节点设置，加强小型机器人多关节联动协调应用。由于STM32内部集成有增强型CAN控制器，使用过程中控制
器连接CAN的收发器，支持CAN 2.0B标准接口，识别XAN
报文帧ID时，需要分析识别码特点，在发送帧识别码结构下，合理分析本节点接收滤波器的识别码和本节点的编码应用，进而加强小型机器人关节节点与主机之间的信息交流。本设计采用德州仪器公司生产的3.3 V CAN收发器SN65HVD230，该器件适用于通信速率较高、需求良好抗干扰能力和高可靠性的CAN总线串行通信。SN65HVD230有着多样化的工作模
式，通过硬件方式设置Rs引脚可实现3种工作模式的选择；控制器输出引脚与SN65HVD230数据输入引脚相连接，接收CAN节点数据。工作过程中对Rs引脚电平合理设置，就能完成好整体系统的信号传输[4]。这种通信模式中信号实际的传输速率高达1 Mb/s。
1.3 磁旋转编码器信息采集模块
机器人关节控制系统对传感器有着精确的要求，比如相对较小的尺寸和较高的灵敏度，并保证要有着一定磁化的双极磁铁。此处选取AS5045磁旋转编码器实现机器人关节位置信息的采集。AS5045是一款无接触式磁旋转编码器，作为一个片上系统它可精确测量360°内的角度。结合关节机械结构，在芯片的上方和下方安装磁铁。工作中，合理控制关节旋转带动磁铁，AS5045内部的集成式Hall元件检测磁性大小，经数字信号处理后就可输出较精确的关节角度信息。
在关节处固定AS5045电路板之后，及时测量关节角度，结合关节旋转轴的形式，有效安装圆形磁化双极磁铁[5]。AS5045的数字化数据能够以串行比特流或PWM信号的形式输出，本设计选用串行输出。AS5045对磁场方向进行检测，并对12 b二进制编码进行计算，随着同步串行接口的编码过程，微控制器产生编码器所需的时钟信号和片选信号，并读取AS5045的输出信号。
读取数据的过程，需结合CSn电平设置，初始时设置CSn
为高电平，持续的时间用tCSn表示，准备读取输出数据时，须设置CSn变为逻辑低电平。
2 小型机器人关节控制系统的软件设计
系统软件的设计过程主要是设计服务于电路系统的控制，控制核心选择STM32，使用Keil的编译工具，应用C语言开发代码。对于主要程序的系统初始化，要设置好所有模块的启动，包括AS5045霍尔数据采集模块的处理，PID速度控制模块的应用，CAN通信模块的应用等各个模块。
系统完成初始化状态后，上位机通过CAN总线结构向单片机发送控制命令，Hall传感器对关节位置进行有效检测，经过基础的处理，将关节的实时位置信息及时回传给主控器件，这种目标值和实际的实时值控制过程，就要结合PID调节参数，实现电机转动的控制[6]。
小型机器人关节控制系统的软件设计中，应用PID控制算法的增量式结构实现关节电机转速管理，调节关节控制角度，计算关节角度偏差值，实际的计算过程，如下所示：
4 结语
本文在对STM32处理器为控制核心的小型机器人关节
控制系统的研究中，不仅完成了微处理器外围电路和信号采集电路的设计，同时完成了电机驱动电路的硬件设计，在成品整体电路板面积取值很小的情况下，实施机器人关节转动控制应用调试，取得了较好的关节转动控制效果。系统软硬
件预期功能与小型机器人转动关节对电路系统控制的实用
要求相符合。
参考文献
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双 闭 环 直 流 调 速 系 统 姓名： 学号： 专业：电气工程及其自动化 日期：2015年12月23日
摘要 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。 关键词：双闭环，转速调节器，电流调节器 双闭环直流调速系统的设计 双闭环直流调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。 两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器 ASR 的输出限幅电压*im U 决定了电流给定电压的最大值；电流调节器 ACR 的输出限幅电压cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U 。 由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE ，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
第21卷第1期1999年1月 机器人ROBO T V o l.21,N o.1 Jan.,1999机器人控制器的现状及展望α 范永谭民 (中国科学院自动化研究所北京100080 摘要机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一,它从一定程度上影响着机器人的发展.本文介绍了目前机器人控制器的现状,分析了它们各自的优点和不足,探讨了机器人控制器的发展方向和要着重解决的问题. 关键词机器人控制器,开放式结构,模块化 1引言 从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有50年了,在这短短的几年里,伴随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步,机器人的发展已经历了3代[1]: (1可编程的示教再现型机器人;(2基于传感器控制具有一定自主能力的机器人;(3智能机器人.作为机器人的核心部分,机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一.它从一定程度上影响着机器人的发展.目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步,使得机器人的研究在高水平上进行,同时也为机器人控制器的性能提出更高的要求. 对于不同类型的机器人,如有腿的步行机器人与关节型工业机器人,控制系统的综合方法有较大差别,控制器的设计方案也不一样.本文仅讨论工业机器人控制器问题. 2机器人控制器类型
机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置,它是机器人的心脏,决定了机器人性能的优劣. 从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种结构类型. 211串行处理结构 所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理.对于这种类型的控制器,从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种[2]. (1单CPU结构、集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部控制功能.在早期的机器人中,如H ero2I,Robo t2I等,就采用这种结构,但控制过程中需要许多计算(如坐标变换,因此这种控制结构速度较慢. (2二级CPU结构、主从式控制方式 一级CPU为主机,担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能,同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补,并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存,供二级CPU读取;二级CPU完成全部关节位置数字控制.这类系统的两个CPU总线之间基本没有联系,仅通过公用内存交换数据,是一个松耦合的关系.对采用更多的CPU进一步分散 α1998-09-03收稿 67机器人1999年1月 功能是很困难的.日本于70年代生产的M o tom an机器人(5关节,直流电机驱动的计算机系统就属于这种主从式结构. (3多CPU结构、分布式控制方式
仿真设计报告
转速、电流双闭环直流调速系统的Simulink仿真设计 一、系统设计目的 直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。根据直流电动机的工作原理建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，设计了一套实验用双闭环直流调速系统。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB 软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真，同时查看仿真波形，以此验证设计的调速系统是否可行。 二、系统理论分析 2.1双闭环直流调速系统工作原理 电动机在启动阶段，电动机的实际转速低于给定值，速度调节器的输入端偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态，速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号直流电压迅速上升，电流也随即增大直到最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流可通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零，速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动，速度调节器输入端偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相应变化校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数，还能对因电网波动引起的电枢电流的变化进行快速调节，可在电动机转速还未来得及发生改变时，迅速使电流恢
第二章机器人系统简介 2.1 机器人的运动机构（执行机构） 机器人的运动机构是机器人实现对象操作及移动自身功能的载体，可以大体 分为操作手（包括臂和手）和移动机构两类。对机器人的操作手而言，它应该象 人的手臂那样，能把（抓持装工具的）手依次伸到预定的操作位置，并保持相应 的姿态，完成给定的操作；或者能够以一定速度，沿预定空间曲线移动并保持手 的姿态，并在运动过程中完成预定的操作。移动机构应能将机器人移动到任意位置，并保持预定方位姿势。为此，它应能实现前进、后退、各方向的转弯等基本 移动功能。在结构上它可以象人、兽、昆虫，具有二足、四足或六足的步行机构，也可以象车或坦克那样采用轮或履带结构 2.1.1 机器人的臂结构 机器人的臂通常采用关节——连杆链形结构，它由连杆和连杆间的关节组 成。关节，又称运动副，是两个构件组成相对运动的联接。在关节的约束下，两 连杆间只能有简单的相对运动。机器人中常用的关节主要有两类： (1) 滑动关节(Prismatic joint): 与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直 线位移运动，移动的距离是滑动关节的主要变量，滑动轴一般和杆的轴线重合或 平行。 (2)转动关节(Revolute joint): 与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对 旋转运动，其转动角度是关节的主要变量，转动轴的方向通常与轴线重合或垂 直。 杆件和关节的构成方法大致可分为两种：(1) 杆件和手臂串联连接，开链机 械手(2) 杆件和手臂串联连接，闭链机械手。 以操作对象为理想刚体为例，物体的位置和姿态各需要3 个独立变量来描 述。我们将确定物体在坐标系中位姿的独立坐标数目称为自由度（DOF（degree of freedom））。而机器人的自由度是由有关节数和每个关节所具有的自由度数决定的（每个关节可以有一个或多个自由度，通常为1 个）。机器人的自由度是独立的单独运动的数目，是表示机器人运动灵活性的尺度。（由驱动器能产生主动 动作的自由度称为主动自由度，不能产生驱动力的自由度称为被动自由度。通常 开链机构仅使用主动自由度）机器人自由度的构成，取决于它应能保证完成与目 标作业相适应的动作。分析可知，为使机器人能任意操纵物体的位姿，至少须 6DOF，通常用三个自由度确定手的空间位置（手臂），三个自由度确定手的姿态（手）。比较而言，人的臂有七个自由度，手有二十个自由度，其中肩3DOF，肘2 DOF，碗2DOF。这种比6 还多的自由度称为冗余自由度。人的臂由于有这样的冗余性，在固定手的位置和姿态的情况下，肘的位置不唯一。因此人的手臂能灵 活回避障碍物。对机器人而言，冗余自由度的设置易于增强运动的灵活性，但由 于存在多解，需要在约束条件下寻优，计算量和控制的难度相对增大。 典型的机器人臂结构有以下几种： (1)直角坐标型(Cartesian/rectanglar/gantry) (3P) 由三个线性滑动关节组成。 三个关节的滑动方向分别和直角坐标轴x,y,z 平行。 工作空间是个立方体 (2)圆柱坐标型(cylindrical)(R2P) 由一个转动关节和两个滑动关节组成。 两个滑动关节分别对应于圆柱坐标的径向和垂直方向位置，一个旋 转关节对应关于圆柱轴线的转角。 工作区域为矩形截面的旋转体。 (3) 球坐标型(spherical) (2RP) 两个转动关节和一个滑动关节分别实现手的左右，上下及前后运动。 工作区域是扇形旋转体。 (4)关节坐标型(articulated/anthropomorphic)(3R)
机器人的位置PD 控制、直接力控制、阻抗控制 对于机器相关控制问题，笔者采用一种位置控制的算法——角度的PD 控制实现，之后探讨了机器人的两种力控制方式——直接力控制与阻抗控制。 1.1 机器人模型的建立 为了读者更简单的理解这三种控制方式，笔者采用二连杆模型，在Matlab/Simmechanics 中建立机器人的模型，设置好相关环境参数——重力加速度设定为-9.8m/s2，连杆的重心位于连杆的中间。 1.2 角度的PD 控制 对于机器人的位置控制方式，采用最简单的PD 控制。分别在机器人的肘关节与腕关节处各安装一个角度传感器用来检测肘关节与腕关节处的转角。角度PD 控制的控制律如式1.1所示： ()()()=+P D de T G K e K K dt θθθθ++ 式中，T 为机器人肘关节与腕关节处的输入力矩，第一项为补偿机器人的重力，可以成静态重力补偿项，第二项与第三项为PD 控制项，最后一项用于消除系统的动态误差。搭建的角度PD 控制的simulink 框图见下载处。 1.3机器人的直接力控制 机器人的直接力控制的效果是让机器人顺应外力的运动，这种控制方式多用于穿戴式外骨骼，例如伯克利大学的BLEEX 就是采用的这种控制方式最为其穿戴控制方式。 具体的控制框图如图所示。 图1.1 机器人的直接力控制 直接力控制控制律如式1.2所示： ()() T a D T J K G θτθθ=-+ 式中，()J θ表示机器人的雅克比接矩阵，τ 为加载与机器人上的合外力。 1.4机器人的阻抗控制
将阻抗控制应用于机器人当中的效果可以从两方面进行阐述：一是可以牺牲一定的位置误差来控制机器人与环境的接触力在系统设的范围内；二是将位置误差通过阻抗公式转换为控制机器人运动的力矩从而消除位置误差。 阻抗控制的控制律如式1.3所示。 ()()()()1 111,T a d e T D J X M Bd x Kdx J J D J M F C G θθθθθθθ----??????=++---++ ? ????????? 其中，M ，B ，K 表示期望的惯性、阻尼与刚度矩阵，具体的值需要根据模型进行调整。 天太冷啦。写的太简单，simulink 框图链接如下。 链接: https://https://www.doczj.com/doc/8015688570.html,/s/1nwpuZsX 密码: 5xkb 链接: https://https://www.doczj.com/doc/8015688570.html,/s/1nwpuZsX 密码: 5xkb 链接: https://https://www.doczj.com/doc/8015688570.html,/s/1smq8LWx 密码: mxcq
& 《运动控制系统》课程设计 ) 题目:转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计，
转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计 ？ 1. 设计题目 转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计 2. 设计任务 已知某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下： 1）直流电动机：160V、120A、1000r/min、C e=r，允许过载倍数λ= 2）晶闸管装置放大系数：K s=30 3）电枢回路总电阻：R=Ω 4）时间常数：T l=，T m=，转速滤波环节时间常数T on取 5）\ 6）电压调节器和电流调节器的给定电压均为10V 试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器，并用Simulink建立系统模型，给出仿真结果。 系统要求： 1）稳态指标：无静差 2）动态指标：电流超调量σi ≤5%；空载起动到额定转速时超调量σn ≤10% 3. 设计要求 根据电力拖动自动控制理论，按工程设计方法设计双闭环调速系统的步骤如下： 1）设计电流调节器的结构和参数，将电流环校正成典型I型系统； 2）| 3）在简化电流环的条件下，设计速度调节器的结构和参数，将速度环校正成典型II型系统； 4）进行Simulink仿真，验证设计的有效性。 4.设计内容
1）设计思路： 带转速负反馈的单闭环系统，由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化，所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降。 当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时，它依靠被调量的偏差进行控制的，因此是有静差率的调速系统，而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速，实现无静差调速。 对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流，可以用附带电流截止负反馈作限流保护，但这并不能控制电流的动态波形。按反馈的控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该基本量基本不变，采用电流负反馈就应该能够得到近似的恒流过程。 另外，在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器的参数调速。例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中，同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节，调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质。 } 按照电机理想运行特性，应该在启动过程中只有电流负反馈，达到稳态转速后，又希望只有转速反馈，双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大电流时，转速负反馈起主要作用，当电流达到最大值时，电流负反馈起主要作用，得到电流的自动保护。 2)双闭环调速系统的组成： a.系统电路原理图 图2-1为转速、电流双闭环调速系统的原理图。图中两个调节器ASR和ACR 分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。 两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅什U im 决定了电流调节器ACR 的给定电压最大值U im ，对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压U cm 限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角α。
课程设计报告 课程课程设计 课题双闭环控制系统设计 班级 姓名 学号
目录 第1章双闭环系统分析 (1) 1.1系统介绍 (1) 1.2系统原理 (1) 1.3双闭环的优点 (1) 第2章系统参数设计 (2) 2.1电流调节器的设计 (2) 2.1.1时间参数选择 (2) 2.1.2计算电流调节参数 (2) 2.1.3校验近似条件 (3) 2.2转速调节器的设计 (3) 2.2.1电流环等效时间常数： (3) 2.2.2转速环截止频率为 (5) 2.2.3计算控制器的电阻电容值 (5) 第3章仿真模块 (6) 3.1电流环模块 (6) 3.2转速环模块 (6) 第4章仿真结果 (7) 4.1电流环仿真结果 (7) 4.2转速环仿真结果 (7) 4.4稳定性指标的分析 (8) 4.4.1电流环的稳定性 (8) 4.4.2转速环的稳定性 (8) 结论 (9) 参考文献 (10)
第1章双闭环系统分析 1.1系统介绍 整流电路可从很多角度进行分类，主要分类方法是：按组成的器件可分为不可控,半控和全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相?数分可分为单相、双相、三相和多相电路；按控制方法又可分为相控整流和斩波?控制整流电路。? 本系统采用的是三相全控桥式晶闸管相控整流电路。这是因为电机容量相对?较大，并且要求直流脉动小、容易滤波。其交流侧由三相电网直接供电，直流侧?输出脉动很小的直流电。在分析时把直流电机当成阻感性加反电势负载。因为电?机电流连续所以分析方法与阻感性负载相同，各参量计算公式亦相同。 1.2系统原理 ASR（速度调节器）根据速度指令Un*和速度反馈Un的偏差进行调节，其输出是电流指令的给定信号Ui*（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。? ACR(电流调节器)根据Ui*和电流反馈Ui的偏差进行调节，其输出是UPE（功率变换器件的）的控制信号Uc。进而调节UPE的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te与TL不相等转速会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，转速不变后，达到稳定。 1.3双闭环的优点 双闭环调速系统属于多环控制系统，每一环都有调节器，构成一个完整的闭环系统。工程设计方法遵循先内环后外环的原则。步骤为：先设计电流环（内环），对其进行必要的变换和近似处理，然后依照电流环的控制要求确定把它校正成哪一种典型系统，再根据控制对象确定其调节器的类型，最后根据动态性能指标的要求来确定其调节器的有关参数。电流环设计完成以后，把电流环看成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。? 在电流检测信号中常有交流分量，为了不让它影响调节器的输入，加入了低通滤波器，然而滤波环节可以使反馈信号延迟，为了消除此延迟在给定位置加一个相同时间常数的惯性环节。同理，由测速发电机得到的转速反馈电压常含有换向纹波，因此也在给定和反馈环节加入滤波环节。
案例5.3-转速、电流双闭环直流调速系统
案例5.3 转速、电流双闭环直流调速系统 一、概述 晶闸管电动机直流调速系统在工业生产中获得广 泛应用。国内外晶闸管—电动机直流调速装置品种繁多。现以ZCC1系列晶闸管—电动机直流调速装置（简称ZCC1系列）为例，来阐述晶闸管—电动机直流调速系统分析、调试的一般方法与步骤。ZCC1系列晶闸管—电动机直流调速装置为三相全控桥不可逆直流调速装置，是以Z2、Z3系列直流电动机电枢供电为主要用途的、通用的晶闸管—电动机调速装置。该装置的基本性能如下： (1)装置的负荷性质按连续工作制考核。 (2)装置在长期额定负荷下，允许150%额定负荷持续二分钟，200%额定负荷持续10秒钟，其重复周期不少于1小时。 (3)装置在交流进线端的电压为（0.9~1.05）380伏时，保证装置输出端处输出额定电压和额定电流。电网电压下降超过10%范围时输出额定电压同电源电压成正比例下降。 (4)装置在采用转速反馈情况下，调速范围为20∶1，在电动机负载从10%~100%额定电流变化时，转速偏差为最高转速的0.5%（最高转速包括电动机弱磁的转速）。转速反馈元件采用ZYS型永磁直流测速发电机。 (5)装置在采用电动势反馈（电压负反馈、电流正
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由图3-1可知，控制系统主要由给定积分器（GJ）、速度（转速）调节器（ASR）、电流调节器（ACR）、触发输入及保护单元（CSR）、触发器（CF）、速度变换器（SB）、电流变换器（LB）等组成。速度（转速）调速器的输出作为电流调节器的给定电压，电流调节器的输出作为触发装置的移相控制电压，速度（转速）调节器和电流调节器采用PI调节器。 ZCC1系列晶闸管直流调速装置各单元的电气原理图如图3-2至图3-9所示。 三、直流调速系统简单工作原理 下面结合整个系统对不可逆直流调速系统停车、正向启动、减速各种运行工作过程进行分析。 (1)停车状态电动机停车时，开关S打开，给定电 压U gn =0，速度（转速）调节器单元中A 1 速度比较器输出 一个大于+8V的推β信号电压，使速度（转速）调节器 输出电压为负向限幅值-U gi ，电流调节器输出电压为正 向限幅值U Kmax ，通过触发输入单元CSR、触发器CF，使晶 闸管变流器控制角处于最小逆变角β min ，电动机处于停车状态。 (2)电动机正向启动运行当开关S闭合，给出负的 正向速度给定电压（U gn =-），当速度给定电压U g >0.2时 A 1 速度比较器迅速翻转输出为负电压，使速度（转速） 调节器迅速退出负限幅值-U gi 并开始按速度偏差信号进
本月初上海国际机器人展示会，展出的几乎都是进口设备，国产的机器人演示的速度与精度远低于进口的，在上海电视台的采访中，国产厂家（机器人与伺服电机厂家）也坦言关键技术受制于人，尤其是精密伺服电机减速箱，基本都被日本公司控制，其实这跟我们的发展是在学日本人有关，伺服电机的编码器的使用都是装在了电机尾部，这种安装形式优点是增量脉冲信号对于速度贡献的精度高，动态响应好，同时输出的UVW信号提供电机换相信号，我也经常被问到有没有国产的绝对值编码器可以替换现在装在伺服电机尾部的增量编码器, 伺服电机 要选用绝对值编码器，如果还是装在电机尾部，那样的编码器要求分辨率很高（为满足伺服电机的动态特性要求，最少17位以上）、信号输出响应要求快（比如EnDat等专用信号），这对于绝对值编码器国产化以及成本要求带来了很大的难度。但是这种安装对于最终的机械输出的精度还是要取决于精密减速箱与机械传动上的精度，而这个恰恰又是日本及德国的加工强项。如果照样学习日本的（德国的成本更贵，我们国内较少有人去学的），那就必然钻进了日本精密机械加工的圈了。实际上装绝对值编码器与原来已经使用的增量编码器并没有对立，而一定要替换掉，其实这次展会，就算是日本的尼康公司，也提出了仅仅在伺服电机高速端装编码器不够的弊端，欧洲早有在低速端加装绝对值编码器补充信号提高精度，电机高速端用增量编码器确保电机动态特性的使用方法。这样可以避开减速箱精密性问题，实现用绝对值编码器的确定绝对位置的重复精度，但那样机械设计与电气增加绝对值编码器信号接口就要重新考虑设计了，在国内普遍只会照样子学国外而不愿冒险创新，或者嫌麻烦不愿重新设计机械结构，这种想法恐怕也就一闪而过了。于是，明年的展会上我们国产的厂家可能还是在抱怨精密减速箱。 仿人机器人关节的电机伺服系统 摘要：本文围绕电机伺服系统在仿人机器人上的应用，简要介绍了电机伺服系统各部件的发展现状和几款适用于仿人机器人的电机伺服系统，并在此基础上分析了系统选型时须要重点考虑的因素。指出了今后仿人机器人关节电机伺服系统发展的方向和应着重研究的方面。 关键词：电气传动；仿人机器人；伺服系统；永磁同步电机 0 引言 2000 年，日本本田公司发布的仿人机器人ASIMO 吸引了全世界的目光。过去十年里，得益于计算机、电气工程、材料工程、传感器科学等相关学科的发展，仿人机器人技术也有了长足的发展[1]。世界范围内，各个公司、大学、研究所开发了数以百计的仿人机器人。其中较为突出的有日本本田公司、美国麻省理工大学、俄亥俄州立大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等[2]。仿人机器人由控制系统、关节伺服系统、传感器系统、能源系统和本体结构五部分组成。关节伺服系统按驱动方式可以分为液压伺服、气动伺服、电机伺服、压电伺服等。这几种系统中，液压伺服抗污染能力差、调试维护困难、瞬间过载能力低；气动伺服非线性程度高、定位刚度小；电机伺服通常需要减速机构，使其体积增大；压电伺服一般不需要减速机构，易于实现微型化，但其驱动电路复杂，多用于微型
Buck 电路双闭环控制 一 引言 BUCK 电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo 总是小于输出电压U D 。通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L 以及电容C 的数值。 简单的BUCK 电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，加入补偿网络，可实现闭环控制，通过采样环节得到所需电压/电流信号，再与基准值进行比较，通过闭环控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK 电路闭环控制系统。Buck 电路的闭环控制有电压环控制、电流环控制以及二者结合的双闭环控制，此处采用双闭环控制：电流内环，电压外环。根据相关的电路设计适当的补偿网络对电路进行校正，提高电路系统输出性能。 二 BUCK 变换器主电路参数设计 2.1 设计及内容及要求 1） 输入直流电压(in V )：50V 2） 额定输出电压(o V )：15V 3） 额定输出电流(o I )：1.67A 4） 输出电压纹波峰-峰值：mV V o 016.02≤? 5） 电感电流纹波峰峰值：A I L 42.02≤? 5） 锯齿波幅值(p V )：2.5V 6） 开关频率(s f )：100kHz 7） 输出电压采样网络传函3/1)(=s H
2.2主电路设计 根据以上的对课题的分析设计主电路如下： 图2-1 Buck 电路原理图 1）占空比计算 3.015 50=== o in V V D ，进而有S f D DT t s s on μ3/=== 2）滤波电感设计 由L L u dt di L =可知，)1(1 2D T V L I s o L -= ?，代入数值得mH L 25.0=，考虑到 电感寄生电阻，取Ωm 1。 3）滤波电容设计 由c c i dt du C =可知，L s o I T C V ????=?22112，代入数值得uF C 83.20=，考虑到 电容的等效串联电阻，Ω=01.0ESR R 。 三 Buck 变换器控制器参数设计 3.1 电路双闭环控制结构 整个系统的双闭环控制结构图如图3-1。 图3-1 系统总控制框图 图中Gv 、Gi 网络传函需根据各环传函的特性设计相应的零极点以及增益值，使系统传函达到我们的目标函数。 下面对电路进行分析，从电流内环的设计到电压外环的设计。
小型机器人关节控制电路系统的关节位置信息采集和闭环 定位控制实现 摘要：提出一种小型机器人关节位置信息采集及定位控制系统的设计方法，设计方案包括硬件设计和软件设计，核心处理器采用意法半导体32位单片机STM32，采用CAN 总线接收上位机的命令，实现传感器信息采集的反馈。通过双相DMOS全桥驱动电路芯片，结合PID算法实现空心杯直流电机的一种高精度闭环定位控制。选取AS5054磁旋转编 码器实现关节位置信息的采集，以控制关节角度转动误差，进而实现闭环定位控制过程。实验表明，系统软硬件与小型机器人转动关节对电路系统控制的实用要求相符合。 关键词：小型机器人；关节控制电路系统；关节位 置信息采集；闭环定位控制 中图分类号：TN710?34 文献标识码： A 文章编号：1004?373X（2016）10?0146?03 Acquisition of joint position information and implementation of closed?loop positioning control for small robot joint control circuit system LIU Ying （Sichuan Information Technology College，Guangyuan
608040，China） Abstract： A design method of joint control circuit system for small robot is proposed. The scheme is integrated with hardware design and software design. The microcontroller STM32 of 32 bit made by ST Microelectronics is taken as the core processor，which combines with the CAN bus to receive the command from the host computer and realize the feedback of sensor information acquisition. The high precision closed?loop positioning control of coreless DC motor is realized with dual phase DMOS full bridge driver circuit chip and PID algorithm. The AS5054 magnetic rotary encoder is selected to acquire the joint position information，which can control the joint angle rotational error，and realize the closed?loop positioning control process. The method scientifically guides the design of modern small robot joint control circuit system. Keywords：small robot；joint control circuit system；joint position information acquisition；closed?loop positioning control 0 引言 21世纪的今天，现代化科学技术的成熟发展，推动了小型化机器人的迅速发展，并广泛应用于军事通信以及航空领域等。小型机器人关节转动控制及转动角度定位，始终是机
机器人控制的基本方法 机器人的控制方法，根据控制量、控制算法的不同分为多种类型。下面分别针对不同的类型，介绍常用的机器人控制方法。 一、根据控制量分类 按照控制量所处空间的不同，机器人控制可以分为关节空间的控制和笛卡尔空间的控制。对于串联式多关节机器人，关节空间的控制是针对机器人各个关节的变量进行的控制，笛卡尔空间控制是针对机器人末端的变量进行的控制。按照控制量的不同，机器人控制可以分为：位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力位混合控制等。这些控制可以是关节空间的控制，也可以是末端笛卡尔空间的控制。 位置控制的目标是使被控机器人的关节或末端达到期望的位置。下面以关节空间位置控制为例，说明机器人的位置控制。如图1-1所示，关节位置给定值与当前值比较得到的误差作为位置控制器的输入量，经过位置控制器的运算后，其输出作为关节速度控制的给定值。关节位置控制器常采用PID算法，也可以采用模糊控制算法。 图1-1 关节位置控制示意图 在图1-1中，去掉位置外环，即为机器人的关节速度控制框图。通常，在目标跟踪任务中，采用机器人的速度控制。此外，对于机器人末端笛卡尔空间的位置、速度控制，其基本原理与关节空间的位置和速度控制类似。 图1-2 加速度控制示意图 图1-2所示为分解加速度运动控制示意图。首先，计算出末端工具的控制加速度。然后，根据末端的位置，速度和加速度期望值，以及当前的末端位置、关节位置与速度，分解出各关节相应的加速度，再利用动力学方程计算出控制力矩。
分解加速度控制，需要针对各个关节进行力矩控制。 图1-3 关节力/力矩控制示意图 图1-3为关节的力/力矩控制框图。由于关节力/力矩不易直接测量，而关节电机的电流又能够较好的反映关节电机的力矩，所以常采用关节电机的电流表示当前关节力/力矩的测量值。力控制器根据力/力矩的期望值与测量值之间的偏差，控制关节电机，使之表现出期望的力/力矩特性。 图1-4 力位混合控制框图 图1-4所示为一种力位混合控制的框图，它由位置控制和力控制两部分组成。位置控制为PI控制，给定为机器人末端的笛卡尔空间位置，末端的笛卡尔空间位置反馈由关节空间的位置经过运动学计算得到。图中，T为机器人的运动学模型，J为机器人的雅克比矩阵。末端位置的给定值与当前值之差，利用雅克比矩阵的逆矩阵转换为关节空间的位置增量，再经过PI运算后，作为关节位置增量的一部分。力控制同样为PI控制，给定为机器人末端的笛卡尔空间力/力矩，反馈由力/力矩传感器测量获得。末端力/力矩的给定值与当前值之差，利用雅克比矩阵的转置矩阵转换为关节空间的力/力矩。关节空间的力/力矩经过PI运算后，作为关节位置增量的另一部分。位置控制部分和力控制部分的输出，相加后作为机器人关节的位置增量期望值。机器人利用增量控制，对其各个关节的位置进行控制。图1-5所示的力位混合控制，只是力位混合控制中的一种简单方案，是 R-C（Raibert-Craig）力位混合控制的简化形式，在实际应用中应针对具体环境进行一些必要的修正。 二、根据控制算法分类 按照控制算法的不同，机器人的控制方法可以分为PID控制、变结构控制、
第 10卷第 31期 2010年 11月 1671— 1815(2010 31-7661-04 科学技术与工程 Science Technology and Engineering Vol. 10No. 31Nov. 2010 2010Sci. Tech. Engng. 双足步行机器人控制电路设计与实现 毕 盛 闵华清 温正东 陈 强 朱金辉 (华南理工大学计算机科学与工程学院 , 广州 510006 摘要提出和实现了一种具有语音控制和无线下载功能的双足步行教育机器人的控制电路。系统采用双单片机处理系 统 , 其中包括步行控制电路、红外避障电路、超声波测距电路、语音发音识别电路和电脑无线通讯电路。基于此控制电路的双足步行机器人 , 具有很好的学习扩展性和新颖性。关键词 双足机器人 控制电路
单片机中图法分类号 TP242．6; 文献标志码 A 2010年 8月 13日收到国家自然科学基金 (60873078 、广州市科技计划项目 (2009KP0008 资助 第一作者简介 :毕 盛 (1978— , 男 , 甘肃开水人 , 博士研究生 , 讲 师 , 研究方向 :仿人机器人。
目前越来越多的机器人出现在我们的身边。从日本本田公司的 ASIMO 仿人机器人。美国的火星登陆车到 IRobot 公司的家庭清洁机器人。 WoWee 公司的玩具机器人 , 机器人已经逐步进入到了我们的生活中。同时越来越多的人 , 也开始对机器人技术感兴趣。设计出一种机器人的通用平台 , 来让人们了解和学习机器人原理和技术 , 变得越来越重要。 著名的双足步行机器人有日本的 ASIMO 仿人机器人和法国的 Nao 仿人机器人 , 但这些机器人的成本很高 , 作为展示和研究平台很好 , 但作为向大众推广的学习平台并不适合。所以设计出一款成本低廉的双足机器人学习平台很有必要。 目前国内推广教育用的机器人控制平台主要是针对机器小车的。对于教育用的双足机器人控制平台设计的并不多 , 并主要是针对机器人的运动控制上 , 在机器人的人机交互和智能控制上没有考虑。本文设计的控制平台除了可控制机器人行走、避障、测距功能外 , 还能通过语音控制机器人和人进行交互 , 并可实现无线下载功能 , 方便二次开发学习 , 具有一定的技术先进性。 1机器人控制电路总体结构 这种双足步行机器人 (见图 1 通过巧妙的机械 设计 , 只用了分布在腿部和身体部位的两个舵机 , 就可以巧妙地控制机器人步行。其中一个舵机控制机器人左右摇摆 , 另一个舵机控制机器人前后摇摆。通过控制这些摇摆动作 , 如先控制机器人向右摆动 , 此时左腿抬起 ; 接着控制左腿向前摆动 , 这样机器人就向前跨了一步。通过一系列组合动作 , 机器人就能够走起来
第一章 调速系统的方案选择 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的的应用。近年来，虽然高性能的交流调速技术发展很快，交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流拖动控制系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。 直流电动机的稳态转速可以表示为 n = U?IR K e ? （1-1） 式中：n ——转速（r/min ）； U ——电枢电压（V ）； I ——电枢电流（A ）； R ——电枢回路总电阻（Ω）； ?——励磁磁通（Wb ）； K e ——由电机结构决定的电动势常数。 由上式可以看出，有三种调速电动机的方法： 1. 调节电枢供电电压U ； 2. 减弱励磁磁通?； 3. 改变电枢回路电阻R 。 对于要求在一定范围内无级平滑调速系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。因此，采用变压调速来控制直流电动机。 1.1 直流电动机的选择 直流电动机的额定参数为： 额定功率KW P N 67=，额定电压V U N 230=，额定电流A I N 291=，额定转速min 1450r n N =， 电动机的过载系数2=λ，电枢电阻Ω=2.0a R 1.2 电动机供电方案的选择 电动机采用三相桥式全控整流电路供电，三相桥式全控整流电路输出的电压脉动较小，带负载容量较大，其原理图如图1所示。三相桥式全控整流电路的特点： 一般变压器一次侧接成三角形，二次侧接成星型，晶闸管分为共阴极和共阳极。
直流双闭环调速系统设计 1设计任务说明书 某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为： 直流电动机：V U N 750=,A I N 780=,min 375r n N =，04.0=a R ，电枢电路总电阻R=0.1Ω,电枢电路总电感mH L 0.3=,电流允许过载倍数5.1=λ， 折算到电动机轴的飞轮惯量224.11094 Nm GD =。 晶闸管整流装置放大倍数75=s K ，滞后时间常数s T s 0017.0= 电流反馈系数??? ??≈=N I V A V 5.11201.0β 电压反馈系数??? ? ?=N n V r V 12min 032.0α 滤波时间常数.02.0,002.0s T s T on oi == V U U U cm im nm 12===* *；调节器输入电阻Ω=K R O 40。 设计要求： 稳态指标：无静差 动态指标：电流超调量005≤i σ；空载起动到额定转速时的转速超调量 0010≤n σ。
目录 1设计任务与分析..................................................................................................................... 2调速系统总体设计................................................................................................................. 3直流双闭环调速系统电路设计............................................................................................. 3.1晶闸管-电动机主电路的设计.......................................... 3.1.1主电路设计................................................... 3.1.2主电路参数计算............................................... 3.2转速、电流调节器的设计............................................. 3.2.1电流调节器................................................... 3.2.1.1电流调节器设计.......................................... 3.2.1.2电流调节器参数选择...................................... 3.2.2转速调节器................................................... 3.2.2.1转速调节器设计.......................................... 3.2.2.2转速调节器参数选择...................................... 4计算机仿真............................................................................................................................. 4.1空载起动........................................................................................................................................... 4.2突加负载........................................................................................................................................... 4.3突减负载 5设计小结与体会.......................................................... 6参考文献.................................................................................................................................