農(nóng)業(yè)機(jī)器人不僅可以解決勞動(dòng)力的不足，還可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究在國內(nèi)外受到廣泛重視。控制系統(tǒng)是機(jī)器人的核心，決定機(jī)器人的性能和作業(yè)效果。基于pc104工控機(jī)和pmac2-104多軸
運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式控制平臺(tái)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛，但價(jià)格昂貴。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的購買對(duì)象為農(nóng)戶，這就要求機(jī)器人的價(jià)格低廉。本課題的研究目標(biāo)是以實(shí)驗(yàn)室已有的有四個(gè)關(guān)節(jié)和一個(gè)末端執(zhí)行器的采摘機(jī)器人為控制對(duì)象，研制四關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高精度控制，同時(shí)盡量降低控制器的成本，以降低機(jī)器人的整體成本，從而促進(jìn)將來農(nóng)業(yè)機(jī)器人的推廣和應(yīng)用。
農(nóng)業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器的方案選擇
控制精度高、響應(yīng)速度快、價(jià)格低廉是農(nóng)業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器三個(gè)最重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。由于永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)。本研究采用安川公司的交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)。 機(jī)器人控制系統(tǒng)需要完成的任務(wù)相當(dāng)大，對(duì)控制系統(tǒng)的硬、軟件都提出了較高的要求，本課題所研究的控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)二級(jí)分布式結(jié)構(gòu)。
利用pc機(jī)作為上位機(jī)，主要完成整個(gè)系統(tǒng)的管理、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算以及通信任務(wù);下位機(jī)控制器由4個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)控制器組成，各關(guān)節(jié)控制器負(fù)責(zé)本關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制和反饋信號(hào)的處理，它們是并行工作的。
dsp（digital signal processor）芯片，如tms320x240x系列，內(nèi)部集成了專用外設(shè)、具有硬件乘法器，采用哈佛結(jié)構(gòu)，采用流水線操作的指令系統(tǒng)，并且采用特殊的dsp指令，從而具有快速指令周期，高速運(yùn)算和進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理的能力，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法。因此，本研究采用ti公司的tms320lf2407a芯片作為下位機(jī)的處理器，用來完成clarke變換、park變換、park逆變換、pid控制等功能。
該控制系統(tǒng)中采用三閉環(huán)（電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)）位置伺服控制方案，以保證控制系統(tǒng)的位置精度。系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)控制框圖
本研究中采用直軸電樞電流為零的控制策略[7]即pmsm定子電樞電流在控制過程中始終等于0，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)空間矢量正交，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電樞電流幅值成正比，控制轉(zhuǎn)矩的大小實(shí)際上就落實(shí)到控制定子電流幅值的大小。本課題采用的交流伺服電機(jī)是表面凸極式pmsm，采用直軸電樞電流為零的控制策略時(shí)，單位定子電流可獲得最大的轉(zhuǎn)矩，銅耗下降，效率有所提高。
機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于本課題采用矢量控制方法來控制伺服電機(jī)，每個(gè)電機(jī)需要6個(gè)pwm信號(hào)來控制智能
功率模塊ipm中igbt的通斷，而每片dsp芯片只含有兩個(gè)事件管理器，最多只能控制兩個(gè)
伺服電機(jī)。本課題制作了2塊基于dsp的運(yùn)動(dòng)控制板，以控制四個(gè)交流伺服電機(jī)。圖2為關(guān)節(jié)控制器硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2 關(guān)節(jié)控制器硬件結(jié)構(gòu)示意圖
機(jī)器人關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)在硬件上分為兩部分:基于dsp控制器的控制電路和基于ipm的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。
關(guān)節(jié)控制器控制電路包括三大部分:tms320lf2407a最小系統(tǒng)部分、系統(tǒng)擴(kuò)展部分和接口電路部分。其中最小系統(tǒng)部分包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路;系統(tǒng)擴(kuò)展部分包括存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、總線擴(kuò)展、顯示電路;接口電路部分包括rs232接口電路、jtag仿真接口。
功率驅(qū)動(dòng)電路板主要實(shí)現(xiàn)pwm逆變器功能，實(shí)現(xiàn)電機(jī)相電流的檢測(cè)和位置檢測(cè)。功率驅(qū)動(dòng)電路主要有電源部分、逆變部分、隔離部分和電流采集部分。本研究中選擇三菱公司的智能功率模塊pm15csj060作為逆變模塊，使用m57140模塊為其提供4路15v的電壓，采用hcpl4504作為光耦隔離器件，進(jìn)行了電源電路，隔離電路和電流采集電路的設(shè)計(jì)。
機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器軟件設(shè)計(jì)
機(jī)器人關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)軟件包括基于pc機(jī)的上位機(jī)控制器軟件和基于dsp控制板的下位機(jī)控制軟件兩部分。
上位機(jī)程序
上位機(jī)軟件在microsoft visual c++環(huán)境下開發(fā)，主要包括4部分:人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)主程序、運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫和通訊接口函數(shù)。上位機(jī)主程序工作在pc機(jī)上，用來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的管理、控制工作。運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫是在實(shí)驗(yàn)室其他成員研究的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及求解結(jié)論的基礎(chǔ)上，編寫了相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算函數(shù)。通訊接口程序?qū)崿F(xiàn)上位pc機(jī)與dsp控制板之間的通訊，把上位機(jī)的運(yùn)算結(jié)果傳送到下位機(jī)，本課題采用的是api函數(shù)編程方式。
下位機(jī)程序
下位機(jī)控制器軟件部分的設(shè)計(jì)是基于dsp的關(guān)節(jié)控制板，在ccs2.0開發(fā)環(huán)境下編寫。下位機(jī)控制器軟件主要包括3部分:初始化模塊、主程序模塊、中斷模塊。
系統(tǒng)初始化主要完成對(duì)dsp內(nèi)核、事件管理器、通用i/o、sci和adc轉(zhuǎn)換器等資源的寄存器進(jìn)行設(shè)置。
主程序部分負(fù)責(zé)整個(gè)關(guān)節(jié)控制器的管理，設(shè)計(jì)成循環(huán)等待方式，在初始化和關(guān)節(jié)復(fù)位工作完成后，就等待各中斷信號(hào)，如果有中斷產(chǎn)生，則調(diào)用相關(guān)的中斷程序。
中斷模塊:本課題使用了4個(gè)中斷，功率保護(hù)中斷、cap3中斷、定時(shí)器1下溢中斷和串口通信中斷。其中，定時(shí)器1下溢中斷子程序（int2）在定時(shí)器1計(jì)數(shù)溢出時(shí)被響應(yīng)，用來調(diào)用控制算法，執(zhí)行系統(tǒng)的矢量控制程序，每一個(gè)載波周期完成一次。
實(shí)驗(yàn)
為了測(cè)試本課題研究的農(nóng)業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器的性能，對(duì)所研制的控制系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。
試驗(yàn)用的4個(gè)
交流伺服電機(jī)的型號(hào)為sgmah02a （2個(gè)）、sgmah01a、sgmaha5a 。將上位pc機(jī)、dsp下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制板、功率驅(qū)動(dòng)板和伺服電機(jī)按設(shè)計(jì)要求連接好，接通電源，啟動(dòng)pc機(jī)，進(jìn)入用vc++設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面。單個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境如圖3所示。
圖3 單個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境
試驗(yàn)中設(shè)定各關(guān)節(jié)電機(jī)需要運(yùn)行的圈數(shù)、速度和運(yùn)轉(zhuǎn)方向，點(diǎn)擊“啟動(dòng)”鍵，電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。試驗(yàn)過程中分別對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行了調(diào)試，試驗(yàn)結(jié)果表明本課題所研制的關(guān)節(jié)控制器能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和速度調(diào)節(jié)。在電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，dsp控制電路板和基于ipm的功率驅(qū)動(dòng)板狀態(tài)良好。
