專利名稱：重載機器人帶加速度及電流前饋的位置控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種重載機器人帶加速度及電流前饋的位置控制器，屬于機器人控制領域。
背景技術：
高速重載機器人控制是一類復雜的運動控制問題。傳統(tǒng)的單輸入單輸出線性控制方式無法滿足應用要求，因為隨著大負載和高速運行，動力學非線性項將變得十分明顯。單純采用單輸入單輸出的常規(guī)PID控制會遇到性能瓶頸。需要基于動力學模型對其進行非線性解耦和補償，然而目前國內(nèi)的主流機器人控制系統(tǒng)或是用于數(shù)控機床的運動控制系統(tǒng)一般采用工控機加板卡方式，或者直接采用嵌入式系統(tǒng)完成。尚無法滿足高速重載工業(yè)機器人的應用要求。原因主要在以下三個方面(1)控制結(jié)構方面在目前國內(nèi)主流的數(shù)控系統(tǒng)和機器人控制系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動器一般工作在位置或速度模式，控制器完成機器人運動學算法后將運動指令發(fā)送給驅(qū)動器，驅(qū)動器利用內(nèi)部的線性控制器(PD，PI)完成機器人關節(jié)的位置閉環(huán)和速度閉環(huán)。這種方式忽略的多軸耦合的影響，強制將各軸解耦成SISO系統(tǒng)，對于控制器而言，其相當于進行開環(huán)控制。無法滿足高速重載機器人的應用要求，軌跡跟蹤精度較差。(2)控制器計算量問題當若采用(1)中提到的強制解耦方式，位置回路和速度回路的調(diào)節(jié)計算均由伺服驅(qū)動器來完成，控制器僅需完成運動規(guī)劃和機器人正逆解計算，計算量相對較小，所以普通運動控制卡或是嵌入式運動控制系統(tǒng)可以滿足要求，如果要完成非線性解耦控制，這部分算法必然要控制器來完成，則需要強大的計算能力，普通板卡或是嵌入式的處理器將無法滿足要求。(3)控制指令通訊方式當采用(1)中提到的強制解耦方式，由于其只需要傳輸位置指令，所以通訊方式一般采用脈沖加方向的方式。如需進行非線性動力學控制，則需傳輸?shù)男盘柤窗恢眯盘枺职俣群碗娏餍盘?，通訊量較大，且更新頻率很高，因此無法使用脈沖方式。早期部分系統(tǒng)選擇模擬量通訊方式，但是在實際工業(yè)現(xiàn)場干擾較大，可靠性和精度較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決傳統(tǒng)的單輸入單輸出線性控制方式無法滿足應用要求的問題，提供了一種重載機器人帶加速度及電流前饋的位置控制器。本發(fā)明所述重載機器人帶加速度及電流前饋的位置控制器，它包括工控機和η個伺服驅(qū)動器； 工控機包括伺服控制單元和運動規(guī)劃器； 伺服驅(qū)動器包括位置控制器、速度控制器和電流控制器；
運動規(guī)劃器輸出的η個位置信號分別給每個伺服驅(qū)動器；運動規(guī)劃器輸出的η個速度前饋信號分別給每個伺服驅(qū)動器；伺服控制單元輸出的η個電流前饋信號分別給每個伺服驅(qū)動器；每個伺服驅(qū)動器的驅(qū)動信號反饋給伺服控制單元，所述驅(qū)動信號包括位置反饋信號、速度反饋信號和電流反饋信號；每個伺服驅(qū)動器驅(qū)動一個伺服電機，該伺服電機反饋給與其連接的伺服驅(qū)動器反饋位置信號和反饋速度信號；每個伺服驅(qū)動器中的信號控制關系相同，所述位置信號和該伺服驅(qū)動器接收的反饋位置信號相加后作為位置控制器的輸入信號，位置控制器的輸出信號與該伺服驅(qū)動器接收的反饋速度信號和前饋速度信號相加后作為速度控制器的輸入信號，速度控制器的輸出信號與該伺服驅(qū)動器接收的前饋電流信號相加后作為電流控制器的輸入信號，電流控制器的輸出信號控制伺服電機運行，η為大于4的自然數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點在控制結(jié)構方面采用位置模式加速度前饋，電流前饋的方式，對各軸耦合的非線性項進行補償，完成各軸解耦，這樣再利用驅(qū)動器內(nèi)部的線性控制器即可達到較好的控制性能。采用這種方式既能解決動力學多軸耦合的問題，又避免了采用力矩模式帶來的控制指令大計算量，大通訊量和高采樣頻率的問題。


圖1為重載機器人帶加速度及電流前饋的位置控制器的結(jié)構示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述重載機器人帶加速度及電流前饋的位置控制器，它包括工控機1和η個伺服驅(qū)動器2 ；工控機1包括伺服控制單元1-1和運動規(guī)劃器1-2 ；伺服驅(qū)動器2包括位置控制器2-1、速度控制器2-2和電流控制器2_3 ；運動規(guī)劃器1-2輸出的η個位置信號分別給每個伺服驅(qū)動器2 ；運動規(guī)劃器1_2輸出的η個速度前饋信號分別給每個伺服驅(qū)動器2 ；伺服控制單元1-1輸出的η個電流前饋信號分別給每個伺服驅(qū)動器2 ；每個伺服驅(qū)動器2的驅(qū)動信號反饋給伺服控制單元1-1，所述驅(qū)動信號包括位置反饋信號、速度反饋信號和電流反饋信號；每個伺服驅(qū)動器2驅(qū)動一個伺服電機，該伺服電機反饋給與其連接的伺服驅(qū)動器2反饋位置信號和反饋速度信號；每個伺服驅(qū)動器2中的信號控制關系相同，所述位置信號和該伺服驅(qū)動器2接收的反饋位置信號相加后作為位置控制器2-1的輸入信號，位置控制器2-1的輸出信號與該伺服驅(qū)動器2接收的反饋速度信號和前饋速度信號相加后作為速度控制器2-2的輸入信號，速度控制器2-2的輸出信號與該伺服驅(qū)動器2接收的前饋電流信號相加后作為電流控制器2-3的輸入信號，電流控制器2-3的輸出信號控制伺服電機運行，η為大于4的自然數(shù)。工控機1選用PC處理器。在控制器方面，選擇含有性能強大的PC處理器(如 Intel高主頻雙核)工控機作為控制器，并在其上運行強實時系統(tǒng)(如V xfforks,TwinCAT, Windows RTX)。實時系統(tǒng)的精確定時將工控機1的改造成一個或多個性能強大軟PLC單元。 每個PLC完成一定的實時控制計算任務。工控機強大的處理器和內(nèi)存單元可以滿足絕大部分復雜控制算法的計算要求。信號通信方式采用EtherCAT總線方式。在指令通訊方式上采用EtherCAT總線，EtherCAT總線是一種目前性能最強的工業(yè)現(xiàn)場總線，其充分利用了以太網(wǎng)的帶寬，以及其他高性能總線的協(xié)議(如krcos，CANopen) 6個驅(qū)動器作為從站進行位置模式控制時，最小循環(huán)時間可以設到62. 5微秒。其通訊速率已經(jīng)能達到伺服控制要求。
具體實施方式
二 本實施方式給出一個具體的實施例，η = 6，即該控制器具有6個伺服驅(qū)動器2。所述重載機器人帶加速度及電流前饋的位置控制器，它包括工控機1和6個伺服驅(qū)動器2 ；工控機1包括伺服控制單元1-1和運動規(guī)劃器1-2 ；伺服驅(qū)動器2包括位置控制器2-1、速度控制器2-2和電流控制器2_3 ；運動規(guī)劃器1-2輸出的位置信號分別給每個伺服驅(qū)動器2 ；運動規(guī)劃器1-2輸出的速度前饋信號分別給每個伺服驅(qū)動器2 ；伺服控制單元1-1輸出的電流前饋信號分別給每個伺服驅(qū)動器2 ；每個伺服驅(qū)動器2的驅(qū)動信號反饋給伺服控制單元1-1，所述驅(qū)動信號包括位置反饋信號、速度反饋信號和電流反饋信號；每個伺服驅(qū)動器2驅(qū)動一個伺服電機， 該伺服電機反饋給與其連接的伺服驅(qū)動器2反饋位置信號和反饋速度信號；每個伺服驅(qū)動器2中的信號控制關系相同，所述位置信號和該伺服驅(qū)動器2接收的反饋位置信號相加后作為位置控制器2-1的輸入信號，位置控制器2-1的輸出信號與該伺服驅(qū)動器2接收的反饋速度信號和前饋速度信號相加后作為速度控制器2-2的輸入信號，速度控制器2-2的輸出信號與該伺服驅(qū)動器2接收的前饋電流信號相加后作為電流控制器2-3的輸入信號，電流控制器2-3的輸出信號控制伺服電機運行，伺服電機輸出反饋位置信號和反饋速度信號給本組的伺服驅(qū)動器2來完成閉環(huán)控制。在控制結(jié)構方面采用位置模式加速度前饋，電流前饋的方式，對各軸耦合的非線性項進行補償，完成各軸解耦，這樣再利用驅(qū)動器內(nèi)部的線性控制器即可達到較好的控制性能。采用這種方式既能解決動力學多軸耦合的問題，又避免了采用力矩模式帶來的控制指令大計算量，大通訊量和高采樣頻率的問題。
權利要求
1.重載機器人帶加速度及電流前饋的位置控制器，其特征在于，它包括工控機(1)和η 個伺服驅(qū)動器O)；工控機(1)包括伺服控制單元(1-1)和運動規(guī)劃器(1-2)；伺服驅(qū)動器( 包括位置控制器0-1)、速度控制器(2- 和電流控制器0-3)；運動規(guī)劃器(1-2)輸出的η個位置信號分別給每個伺服驅(qū)動器；運動規(guī)劃器(1-2) 輸出的η個速度前饋信號分別給每個伺服驅(qū)動器；伺服控制單元(1-1)輸出的η個電流前饋信號分別給每個伺服驅(qū)動器；每個伺服驅(qū)動器的驅(qū)動信號反饋給伺服控制單元(1-1)，所述驅(qū)動信號包括位置反饋信號、速度反饋信號和電流反饋信號；每個伺服驅(qū)動器(2)驅(qū)動一個伺服電機，該伺服電機反饋給與其連接的伺服驅(qū)動器(2)反饋位置信號和反饋速度信號；每個伺服驅(qū)動器中的信號控制關系相同，所述位置信號和該伺服驅(qū)動器(2)接收的反饋位置信號相加后作為位置控制器的輸入信號，位置控制器的輸出信號與該伺服驅(qū)動器( 接收的反饋速度信號和前饋速度信號相加后作為速度控制器(2-2)的輸入信號，速度控制器0-2)的輸出信號與該伺服驅(qū)動器( 接收的前饋電流信號相加后作為電流控制器0-3)的輸入信號，電流控制器0-3)的輸出信號控制伺服電機運行，η為大于4的自然數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的重載機器人帶加速度及電流前饋的位置控制器，其特征在于，η = 6。
3.根據(jù)權利要求1所述的重載機器人帶加速度及電流前饋的位置控制器，其特征在于，工控機(1)選用PC處理器。
4.根據(jù)權利要求1所述的重載機器人帶加速度及電流前饋的位置控制器，其特征在于，信號通信方式采用EtherCAT總線方式。
全文摘要
重載機器人帶加速度及電流前饋的位置控制器，屬于機器人控制領域，本發(fā)明為解決傳統(tǒng)的單輸入單輸出線性控制方式無法滿足應用要求的問題。本發(fā)明包括工控機和n個伺服驅(qū)動器；工控機包括伺服控制單元和運動規(guī)劃器；伺服驅(qū)動器包括位置控制器、速度控制器和電流控制器；工控機輸出的n個位置、速度前饋和電流前饋信號，并分別給每個伺服驅(qū)動器；每個伺服控制單元接收反饋位置和反饋速度信號；每個伺服驅(qū)動器的控制相同，位置信號和反饋位置信號相加后作為位置控制器的輸入，位置控制器的輸出與反饋速度信號和前饋速度信號相加作為速度控制器的輸入，速度控制器的輸出與前饋電流信號相加后作為電流控制器的輸入，電流控制器的輸出控制伺服電機運行。
文檔編號G05D3/12GK102156485SQ201110102600
公開日2011年8月17日 申請日期2011年4月22日 優(yōu)先權日2011年4月22日
發(fā)明者孔民秀, 李瑞峰, 游瑋 申請人:哈爾濱工業(yè)大學