DSP的二自由度并聯(lián)機構(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)機構(gòu)控制技術(shù)研究姓名:房黎黎申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):兵器發(fā)射理論與技術(shù)指導(dǎo)教師:李開明20080526 2二自由度并聯(lián)機構(gòu)的設(shè)計及分析碩上論文被動關(guān)節(jié)置和墾坐標為(嘞,Ypl和(和2,蜘2,可由下式計算: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屬進一步化為:由上面公式可看出,當主動關(guān)節(jié)的角度%和哆確定時,被動關(guān)節(jié)E和墾坐標(勃,蜘。和(勤:,%2了即可確定,曲柄連桿長度,和m也是確定值,上式中只有末端執(zhí)行器中點P的坐標(x,y是未知量,解上述方程組即可求得。這就是機構(gòu)運動學(xué)的正解分析。由機構(gòu)的運動學(xué)關(guān)系,有下式成立:12p p=時塒一一O+啷吣一+%一一X Z 碩士論文基于DSP的二自由度并聯(lián)機構(gòu)控制技術(shù)研究我們忽略了連桿對曲柄的作用力,因為這部分的力非常復(fù)雜,而且無法用線性方程的形式表示出來,實際上連桿的質(zhì)量并不大,這部分的力也影響較小,為計算和分析簡便,做這一簡略處理;v

3、為動平臺的的運動速度;q為電機的轉(zhuǎn)動速度。動平臺的運動速度為:V=(三;c3_4,電機轉(zhuǎn)動速度為q=壘喁;由前面的運動學(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 .當口2=0時,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Oo(t+廠掣(3.¨。! 本論文采用DSP+步進電機組成的數(shù)字控制系統(tǒng)。步進電機是純粹的數(shù)字控制電 動機。它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移,即給一個PWM脈

4、沖信號,步進電機就轉(zhuǎn)動一 個角度,當脈沖是連續(xù)供給時,運動是連續(xù)的。步進電機作為執(zhí)行元件,是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用在各種自動化 控制系統(tǒng)中。步進電機和普通電機的主要區(qū)別就在于其脈沖驅(qū)動形式的靈活,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,幾乎不必進行系統(tǒng)調(diào)整。不過步進 電機在控制的精度、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。而在有些精度不是需要特別高的場合就可以使用步進電機。步進電機作為一種 可以開環(huán)使用的數(shù)字傳動裝置,有能快速起動、停止,轉(zhuǎn)速始終與輸入頻率成正比, 能實現(xiàn)精確定位及直接接收數(shù)字量等特點。本系統(tǒng)使用的步進電機是常州創(chuàng)偉電機廠生產(chǎn)的

5、二相混合式步進電機,最大靜轉(zhuǎn) 矩為O.7M,步距角是0.9。并可以進一步細分。(1矩頻特性步進電機中最主要的性能指標之一是最大靜轉(zhuǎn)矩,這一特性反應(yīng)了步進電機帶動 負載的能力,一般要求負載轉(zhuǎn)矩只能是最大靜轉(zhuǎn)矩的30%50%左右。另外一個是動 轉(zhuǎn)矩,是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動情況下的最大輸出轉(zhuǎn)矩值,它與運行的頻率有關(guān)。在高速運行時, 步進電機的轉(zhuǎn)矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降,主要原因是,當步進電機轉(zhuǎn)動時,電機各相 繞組的電感將形成一個反向電動勢,頻率越高,反向電動勢越大,在它的作用下,電 機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)頻率和運行頻率 . 在某一頻率范圍內(nèi),步進電機可以任意運行而不丟步,這一最大頻

6、率稱為響應(yīng)頻 率。通常用起動頻率來作為衡量的指標。它隨負載的增加而顯著下降。頻率連續(xù)上升時,電動機能不失步運行的極限頻率。運行頻率的值也與負載的大 374數(shù)字控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn) 碩:卜論文 小有關(guān)。在相同負載情況下,連續(xù)頻率的值遠大于起動頻率。步進電機的最主要的用途就是實現(xiàn)位置控制。步進電機的位置控制指的是控制步 進電動機帶動執(zhí)行機構(gòu)從一個位置精確的運行到另一個位置。步進電機的位置控制是 步進電機的一大優(yōu)點,它可以不用借助位置傳感器而只需簡單的開環(huán)控制就能達到足 夠的位置精度【怕】。步進電機的位置控制需要兩個參數(shù):第一個是步進電機控制的執(zhí)行機構(gòu)當前的位置參數(shù),我們稱為絕對位置。絕對位 置是有

7、極限的,其極限是執(zhí)行機構(gòu)運動的范圍,超出了這個極限就應(yīng)報警。絕對位置 一般要折算成步進電機的步數(shù)。第二個參數(shù)是從當前位置移動到目標位置的距離,也可以稱為相對位置。也將這 個距離折算成步進電動機的步數(shù),這個參數(shù)是從外部輸入的。對步進電機位置控制的一般做法是:步進電動機每走一步,步數(shù)減l,如果沒有 失步存在,當執(zhí)行機構(gòu)到達目標位置時,步數(shù)正好減到0。因此用步數(shù)等于0來判斷 是否移動到目標位,作為步進電機停止運行的信號。絕對位置參數(shù)可作為人機對話的顯示參數(shù),或作為其他控制目的的重要參數(shù),因 此也必須要給出。它與步進電機的轉(zhuǎn)向有關(guān),當步進電機正轉(zhuǎn)時,步進電機每走一步, 絕對位置加1;當步進電機反轉(zhuǎn)時,

8、絕對位置每次步進減1。步進電機本身的精度比較高,但是容易出現(xiàn)失步,使實際位置和理論位置出現(xiàn)偏 差。根據(jù)對步進電機特性的研究,總結(jié)了以下提高步進電機精度的辦法:(1采取步距角細分的辦法,本實驗中使用的步距角在0.9。的基礎(chǔ)上可以再細分, 步距角越小精度越高;(2在電機減速器和機構(gòu)組成的系統(tǒng)中,如負載過大,相應(yīng)的運動慣性增大,步進 電機容易出現(xiàn)失步,因此在機構(gòu)樣機的設(shè)計中要考慮到這一點,盡量使機構(gòu)的質(zhì)量減 小:(3步進電機的啟動和停止要注意的問題一般情況下,電機的極限啟動頻率是比較低的,而系統(tǒng)要求的運行速度比較高。 如果系統(tǒng)以要求的速度直接啟動,一般該速度已超過極限啟動頻率,不能正常啟動, 就會發(fā)

9、生丟步或啟動不了。電機由靜止啟動,由于啟動慣性,電機還沒來得及移動一 個步距,脈沖可能已經(jīng)到了第二個了,這時存在兩種情況:電機脈沖不大的情況下, 電機能順利啟動;但脈沖頻率過高的話,轉(zhuǎn)子不能達到脈沖對應(yīng)位移特性,造成失步 。或動不起來。39碩士論文 基于DSP的二自由度并聯(lián)機構(gòu)控制技術(shù)研究系統(tǒng)運行起來以后,如果達到終點時立即停止發(fā)脈沖串,令其立即停止,則因為 系統(tǒng)慣性的原因,會發(fā)生過沖現(xiàn)象。因此,在點位控制中,運行速度都需有一個加速、 恒速、減速、低恒速、停止的過程。升速的過程一般有兩種,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)律升速時加速度是恒定的,因此電機產(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. 在步進電機變速過程中,步進電機的角速度由wl轉(zhuǎn)到w2轉(zhuǎn)變時,如果要求電機 立即由A點的角速度wl轉(zhuǎn)到B點的角速度w2時,這個轉(zhuǎn)變過程必須在一步之內(nèi)完成, 否則就會丟步,因為它的運行必須與輸入脈沖保持一致。但是在這樣轉(zhuǎn)換過后,電機 將立即以w運行數(shù)秒,停止過后,電機肯定偏離了位置B,這樣就產(chǎn)生了誤差,將 會給位置控制帶來很大的影響。4數(shù)字控制系統(tǒng)的研究j實現(xiàn) 碩士論文是,在A、B兩點之間采用

11、線性插值的方法確定出速度為零的中點M,將A、B之間 的位移以M點為界線,分成位移相等的兩部分,前一部分電機按A的角速度wl運行, 后一部分按B的角速度w2運行,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)色算出步進電機以各個速度所運行 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)電機在各時間段內(nèi)所移動的角位移可得:氏一舅=w1(t。一t1島一巳=%(t2一t。免=巫:掣罌 (4“2 聽+嵋綜上所述,我們發(fā)現(xiàn)步進電機應(yīng)用于位置控制時,需要檢驗兩相鄰點的的角速度 進行判別,通過下列等式進行判別:4.3控制系統(tǒng)的主控制器硬件選擇

12、與實現(xiàn)該控制系統(tǒng)的主控板是一個可擴展的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)字信號處理采用專用的數(shù) 字信號處理器(DSP芯片實現(xiàn)。采用DSP器件主要是基于以下的優(yōu)點考慮的。 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、同步串口和標準異步串 口。有的片內(nèi)集成了AID和采樣/保持電路,可提供PWM輸出。DSP器件采用改進碩士論文 基于DSP的二自由度并聯(lián)機構(gòu)控制技術(shù)研究的哈佛結(jié)構(gòu),具有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間,允許同時存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的

13、硬 件乘法器,增強的多級流水線,使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運算能力。DSP器件比 16位MCU單指令執(zhí)行時間快8"-'10倍,完成一次乘加運算快16'-'30倍。DSP器件 還提供了高度專業(yè)化的指令集,提高了FFT快速傅里葉變換和濾波器的運算速度。 此外,DSP器件提供JTAG接口,具有更先進的開發(fā)手段,批量生產(chǎn)測試更方便,開 發(fā)工具可實現(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。綜合這些特點決定了在快速和大量的信號處理領(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是定點高速數(shù)字信號處理器,最高工作頻率是150MHz,片內(nèi)內(nèi) 置128K*16位FLASH,18K*16位SRAM,片外擴展256K*16位SRAM,此外芯片上 還整合了快速的A/D轉(zhuǎn)換、增強的CAN模