DSP的二自由度并联机构控制技术研究图文精.docx
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DSP的二自由度并联机构控制技术研究图文精
南京理工大学
硕士学位论文
基于DSP的二自由度并联机构控制技术研究
姓名:
房黎黎
申请学位级别:
硕士
专业:
兵器发射理论与技术
指导教师:
李开明
20080526
2二自由度并联机构的设计及分析
硕上论文
被动关节置和垦坐标为（嘞,Ypl和（和2,蜘2,可由下式计算:
1%I
2吒l+lcosal
‘
【儿l=Yal+lsinaI1%2
2吒2+lcosa:
气
【Yb2=Y02+lsina2
把式（2.3.5代入式（2.3.1中,得到下式:
X=xbl+/cosA+m
Y=YbI+lsinflt
工=.b2+/cos屐一mY=Yb2+/sin屐
儿l+lsin届,=Yb2+/sin属
为计算方便,上式化为
工一%I—m=leosflIY一儿l=lsinfll
x一%2+,以=lcos压Y—Yb2=lsin属
YbI+/sinA=n2+/sin属
进一步化为:
（2.3.5
（2.3.6
（2.3.7
（2.3.8
由上面公式可看出,当主动关节的角度%和哆确定时,被动关节E和垦坐标
（勃,,蜘。
和（勤:
%2了即可确定,曲柄连杆长度,和m也是确定值,上式中只有
末端执行器中点P的坐标（x,y是未知量,解上述方程组即可求得。
这就是机构运
动学的正解分析。
2.3.2机构位置反解
由机构的运动学关系,有下式成立:
12
pp
=
=
时埘
一
一
O◇++
啷吣
一+
%%
一一
XZ
硕士论文基于DSP的二自由度并联机构控制技术研究我们忽略了连杆对曲柄的作用力,因为这部分的力非常复杂,而且无法用线性方程的形式表示出来,实际上连杆的质量并不大,这部分的力也影响较小,为计算和分析简便,做这一简略处理;v为动平台的的运动速度;q为电机的转动速度。
。
动平台的运动速度为:
V=（三];
c3_4,电机转动速度为q=垒喁;
毛（3.1.5
由前面的运动学分析可知,（耋]=厂1[兰2],厂1为速度反解雅・比矩阵的逆矩阵。
设由此可得:
~=l乏:
乏:
l=E,夏f162・62zl
r2I.
f.2.2一.
当口2=0时,1,=、/x+y=√皖+磋呸,所以得:
二:
匝:
巫吧厶’乞二喁・
脚u嗟讯唁=M毒zjn㈣112嚷嚷……其中liJJ2为,。
1中第一列向量的模的平方。
（3.1.6
（3.1.7
（3.1。
9黔卜M主圳11;112jd2[扩Oo（t]+厂掣
（3.¨。
!
对式（3.1.10进行拉普拉斯变换得式（3.1.11:
.吃.%
地助+十.q.q加助==.X.y
硕士论文基于DSP的二自由度并联机构控制技术研究4.1.2控制系统的总体结构
本论文采用DSP+步进电机组成的数字控制系统。
步进电机是纯粹的数字控制电动机。
它将电脉冲信号转变成角位移,即给一个PWM脉冲信号,步进电机就转动一个角度,当脉冲是连续供给时,运动是连续的。
图4.1.2是本实验设计的开环控制系统总体结构:
图4.1.2开环控制系统总体结构图
4.2.步进电机的选型和特性研究
步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
步进电机和普通电机的主要区别就在于其脉冲驱动形式的灵活,因此可以和现代的数字控制技术相结合,成本明显降低,几乎不必进行系统调整。
不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电机。
而在有些精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机。
步进电机作为一种可以开环使用的数字传动装置,有能快速起动、停止,转速始终与输入频率成正比,能实现精确定位及直接接收数字量等特点。
本系统使用的步进电机是常州创伟电机厂生产的二相混合式步进电机,最大静转矩为O.7Ⅳ・M,步距角是0.9。
并可以进一步细分。
4.2.1步迸电机的运行特性
（1矩频特性
步进电机中最主要的性能指标之一是最大静转矩,这一特性反应了步进电机带动负载的能力,一般要求负载转矩只能是最大静转矩的30%~50%左右。
另外一个是动转矩,是指转子转动情况下的最大输出转矩值,它与运行的频率有关。
在高速运行时,步进电机的转矩会随转速的升高而下降,主要原因是,当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势,频率越高,反向电动势越大,在它的作用下,电机随频率增大而相电流减小,从而导致转矩下降。
（2响应频率和运行频率.在某一频率范围内,步进电机可以任意运行而不丢步,这一最大频率称为响应频率。
通常用起动频率来作为衡量的指标。
它随负载的增加而显著下降。
频率连续上升时,电动机能不失步运行的极限频率。
运行频率的值也与负载的大37
4数字控制系统的研究与实现硕:
卜论文小有关。
在相同负载情况下,连续频率的值远大于起动频率。
4.2.2步进电机的位置控制
步进电机的最主要的用途就是实现位置控制。
步进电机的位置控制指的是控制步进电动机带动执行机构从一个位置精确的运行到另一个位置。
步进电机的位置控制是步进电机的一大优点,它可以不用借助位置传感器而只需简单的开环控制就能达到足够的位置精度【怕】。
步进电机的位置控制需要两个参数:
第一个是步进电机控制的执行机构当前的位置参数,我们称为绝对位置。
绝对位置是有极限的,其极限是执行机构运动的范围,超出了这个极限就应报警。
绝对位置一般要折算成步进电机的步数。
第二个参数是从当前位置移动到目标位置的距离,也可以称为相对位置。
也将这个距离折算成步进电动机的步数,这个参数是从外部输入的。
对步进电机位置控制的一般做法是:
步进电动机每走一步,步数减l,如果没有失步存在,当执行机构到达目标位置时,步数正好减到0。
因此用步数等于0来判断是否移动到目标位,作为步进电机停止运行的信号。
绝对位置参数可作为人机对话的显示参数,或作为其他控制目的的重要参数,因此也必须要给出。
它与步进电机的转向有关,当步进电机正转时,步进电机每走一步,绝对位置加1;当步进电机反转时,绝对位置每次步进减1。
4.2.3步进电机位置精度问题的研究
步进电机本身的精度比较高,但是容易出现失步,使实际位置和理论位置出现偏差。
根据对步进电机特性的研究,总结了以下提高步进电机精度的办法:
（1采取步距角细分的办法,本实验中使用的步距角在0.9。
的基础上可以再细分,步距角越小精度越高;
（2在电机减速器和机构组成的系统中,如负载过大,相应的运动惯性增大,步进电机容易出现失步,因此在机构样机的设计中要考虑到这一点,尽量使机构的质量减小:
（3步进电机的启动和停止要注意的问题
一般情况下,电机的极限启动频率是比较低的,而系统要求的运行速度比较高。
如果系统以要求的速度直接启动,一般该速度已超过极限启动频率,不能正常启动,就会发生丢步或启动不了。
电机由静止启动,由于启动惯性,电机还没来得及移动一个步距,脉冲可能已经到了第二个了,这时存在两种情况:
电机脉冲不大的情况下,电机能顺利启动;但脉冲频率过高的话,转子不能达到脉冲对应位移特性,造成失步。
或动不起来。
39
硕士论文基于DSP的二自由度并联机构控制技术研究
系统运行起来以后,如果达到终点时立即停止发脉冲串,令其立即停止,则因为系统惯性的原因,会发生过冲现象。
因此,在点位控制中,运行速度都需有一个加速、恒速、减速、低恒速、停止的过程。
升速的过程一般有两种,一是按照直线规律升速,二是按照指数规律升速。
按直线规律升速时加速度是恒定的,因此电机产生的转矩也需要是恒定的。
按指数规律升速,加速度是逐渐下降的,接近电机输出转矩随转速变化的规律。
（4在控制策略上减小误差
由于控制系统是步进电机的组成的开环控制系统,无法像闭环控制系统那样监测到实际的电机运行误差,精度偏低。
在对精度要求不高的场合可以使用,另外,针对某种特定的运行轨迹,通过对控制策略的研究和不断完善以及多次实验可以人工减少误差,所以针对这种固定轨迹的场合步进电机还是有一定的优势,但是通用性不强。
4.2.4步进电机的轨迹规划
隅.
在现实的轨迹规划中,经常遇到这样的问题:
00]假设轨迹中有相邻两点位置相同,但电机的转向相反,电机如何由么（B,w1运行到B（岛,w2。
即要求电机的速度由正到零再变到为负,电机的角位移为零,如图4.2.1所示。
W10诈2‘闩厶.
.二∑斗三7
占
m
岛
-V
M
一
&舟>B。
.
t-一、、jk1Q（b
图4.2.1电机的角速度和位置曲线
.在步进电机变速过程中,步进电机的角速度由wl转到w2转变时,如果要求电机立即由A点的角速度wl转到B点的角速度w2时,这个转变过程必须在一步之内完成,否则就会丢步,因为它的运行必须与输入脉冲保持一致。
但是在这样转换过后,电机将立即以w’运行数秒,停止过后,电机肯定偏离了位置B,这样就产生了误差,将会给位置控制带来很大的影响。
步进电机在遇到这样的情况下,我们不能立即改变电机的速度,而必须在两速度之间内有一过渡过程,图中虚线为未做过渡的转交,从图4.2.1可看出,电机并未达到与A点同位是的B点,而是到了图中Q点,明显产生了误差。
而产生过渡的方法。
39
4数字控制系统的研究’j实现硕士论文
是,在A、B两点之间采用线性插值的方法确定出速度为零的中点M,将A、B之间的位移以M点为界线,分成位移相等的两部分,前一部分电机按A的角速度wl运行,后一部分按B的角速度w2运行,速度曲线按图（a中AMB曲线变化,这样就可保证位置变化的准确性。
~
现在根据上图求位置以,这样我们就可根据色算出步进电机以各个速度所运行的脉冲数。
根据图（a,利用AB直线的线性方程可得:
“r:
竖f+—w2t,-—w,t2（4.2.1fl一乞‘一‘2
根据电机在各时间段内所移动的角位移可得:
氏一舅=w1（t。
一t1
岛一巳=%（t2一t。
由式（4.2.1、（4.2.2、（4.2.3可得到速度为零的位置巳:
（4.2.2（4.2.3
免=巫:
掣罂（4“2听+嵋
综上所述,我们发现步进电机应用于位置控制时,需要检验两相邻点的的角速度进行判别,通过下列等式进行判别:
・IⅥ+w『+,I--1w,l+1w,+,I.（4.2.5如果式4.2.5成立,则表示两点的角速度同方向:
如果不成立,则表示反方向,应根据等式（4.2.4确定零速度点所对应的角位移以,那么,原路径点只（wj,B,C+,（wf+l,B+。
应变为只（%,吼,只+。
（w,+l,B+。
一既,这样经过上述处理,误差才会被削弱。
在后面的控制程序将有所体现。
4.3控制系统的主控制器硬件选择与实现
4.3.1主控板DSP芯片的选型.
该控制系统的主控板是一个可扩展的DSP系统板,主要由DSP主控芯片和一些基本的外围电路组成。
主控器件是本控制系统的重要组成部分。
本控制系统数字信号处理采用专用的数字信号处理器（DSP芯片实现。
采用DSP器件主要是基于以下的优点考虑的。
与MCU相比,DSP器件具有较高的集成度。
DSP具有更快的CPU,更大容量的存储器,内置有波特率发生器和FIFO缓冲器。
提供高速、同步串口和标准异步串口。
有的片内集成了AID和采样/保持电路,可提供PWM输出。
DSP器件采用改进
硕士论文基于DSP的二自由度并联机构控制技术研究
的哈佛结构,具有独立的程序和数据空间,允许同时存取程序和数据。
内置高速的硬件乘法器,增强的多级流水线,使DSP器件具有高速的数据运算能力。
DSP器件比16位MCU单指令执行时间快8"-'10倍,完成一次乘加运算快16'--'30倍。
DSP器件还提供了高度专业化的指令集,提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。
此外,DSP器件提供JTAG接口,具有更先进的开发手段,批量生产测试更方便,开发工具可实现全空间透明仿真,不占用用户任何资源。
软件配有汇编/链接c编译器、C源码调试器。
综合这些特点决定了在快速和大量的信号处理领域DSP被广泛的应用。
本控制系统采用TI的TMS320F2812系列的DSP,下面介绍TMS320F2812的内核结构和外围接口。
TMS320F2812是定点高速数字信号处理器,最高工作频率是150MHz,’片内内置128K*16位FLASH,18K*16位SRAM,片外扩展256K*16位SRAM,此外芯片上还整合了快速的A/D转换、增强的CAN模块、事件管理器、正交编码电路接口、多通道缓冲串121等外设,便于开发高性能的数字控制系统。
这款DSP芯片是目前控制领域性能非常高的处理器芯片,.具有微控制器和高性能的DSP的特点于一身,具有强大的控制和信号处理能力,能够实现复杂的控制算法。
USB2.0
接口
・图4.3.1TMS320F2812功能框图
TMS320F2812内核主要包括中央处理单元（CPU、测试单元和存储器及外设的接口单元三个部分。
CPU单元包括算术逻辑单元、乘法器、移位器、寻址运算单元4l
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