机器人作动系统及其控制方法与流程

本发明是有关机器人作动系统，且特别是有关于集成控制式机器人作动系统。

背景技术：

机器人作动系统，通过控制执行机构的运行来间接或直接地控制目标的运动，从而达到操纵者的目的。无论是应用于哪个领域的机器人，其机器人的各个机械臂的驱动离不开伺服系统，机械臂关节越多，对机器人的控制精准度要求也越高。另外从市场占率来看，目前国外伺服控制系统在我国的市场占有率高达80％。其中，日本品牌占比为50％，欧美品牌占比达30％，而国产品牌只占据了20％左右的市场份额。由此可见，国内伺服驱动器仍然和国外伺服驱动器有很大差距。随着智能机器人不断往小型化方向发展，因此对机器人作动系统提出了尺寸小、低功耗、高功率密度、响应快、精度高等要求。

技术实现要素：

本发明提出了一种单个控制器集中控制四台机械臂的机器人作动系统，实现了控制系统的精简和集成，并且提供了一种集中式控制算法实现对机器人作动系统中的四台机械臂高精度位置伺服控制，解决了程序容易溢出跑飞的问题。本发明的另外方面和优点部分将在后面的描述中阐述，还有部分可从描述中明显地看出，或者可以在本发明的实践中得到。

本发明提供一种机器人作动系统，包括一数字控制器、多个电源变换电路、多个机械臂，所述数字控制器采集所述每个机械臂的状态信号，并使用矢量控制方法集中计算出所述电源变换电路中开关器件的驱动信号，经过隔离电路传输给每个所述电源变换电路，所述电源变换电路分别为所述机械臂提供驱动电能。

本发明一优选实施例中，所述机器人作动系统包括第一至第四电源变换电路和第一至第四机械臂，所述第一至第四电源变换电路分别为所述第一至第四机械臂提供驱动电能。

本发明一优选实施例中，数字控制器包括数字芯片和逻辑芯片，所述数字芯片计算出驱动信号后输出给逻辑芯片，逻辑芯片再进行逻辑运算后经过隔离电路输出所述多个电源变换电路。

本发明一优选实施例中，所述电源变换电路为桥式逆变器。

本发明一优选实施例中，所述机械臂包括永磁同步电机、旋转变压器、位移传感器以及滚柱丝杠，所述位移传感器检测永磁同步电机的位移信号，所述位移传感器一端与所述机械臂底端固定连接，另一端与所述滚珠丝杠连接，整体与机械臂呈平行，当所述机械臂运动时，所述滚珠丝杠产生位移，所述位移传感器的活动端与之一起移动，进而输出转子位移信号。所述旋转变压器检测永磁同步电机的转子角度信号。

本发明一优选实施例中，所述数字控制器通过一解码电路分别采集一所述旋转变压器输出的转子角度信号，所有所述解码电路接收相同的时钟输入信号。

本发明一优选实施例中，所述解码电路为所述旋转变压器提供激励信号，一个所述解码电路经过激励放大电路为至少两个所述旋转变压器提供激励信号。

本发明一优选实施例中，所述数字控制器使用数据总线的方式读取所述解码电路的输出信号。

本发明还提供一种机器人作动系统控制方法，使用检测电路检测所述机器人作动系统中电机的输入电流信号，经过clark变换转变为静止坐标系中电流信号，再结合检测到的转子角度信号，进行park变换计算出旋转坐标系中电流信号id和iq，使用id和iq作为电流内环的反馈值；使用检测电路检测所述机器人作动系统中电机的转子位移信号，结合转子位移信号参考值，经过位置调节器计算出旋转坐标系中电流信号iq的参考值iq*，电流信号id结合参考值id*经过第一电流调节器计算出旋转坐标系中开关控制参考信号ud，iq和iq*经过第二电流调节器计算出旋转坐标系中开关控制参考信号uq，再结合转子角度信号，并经过park逆变换计算出旋转坐标系中开关控制参考信号，经过驱动信号发生器产生电源变换电路中开关器件的驱动信号，控制所述机械臂中电机的输入电能。

本发明一优选实施例中，所述驱动信号发生器使用矢量控制pwm调制方法确定开关信号驱动的占空比。

有益效果，本发明使用一个数字控制器实现机器人作动系统的集中控制，便于机器人作动系统中每台机械臂同步协调控制，电路结构简单易实现，提高了系统的功率密度。

为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例框图。

图2为本发明的一具体实施例的示意图。

图3为机械臂示意图。

图4为本发明位置信号采集的具体实施例。

图5为位置信号读取方案流程图。

图6为本发明机器人作动系统的控制方案图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种机器人作动系统及其控制方法，采用集中式控制方案，使用一个数字控制器控制四个机械臂，保证系统的可靠性、快速性，并提高了系统的功率密度。以下特举实施例作为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在图式及实施方式中使用相同标号的组件/构件/步骤，系代表相同或类似部件。

图1为本发明实施例框图，所述机器人作动系统包括数字控制器11、第一机械臂121、第二机械臂122、第三机械臂123和第四机械臂124，第一电源变换电路131、第二电源变换电路132、第三电源变换电路133、第四电源变换电路134，所述数字控制器11控制所述第一机械臂121、第二机械臂122、第三机械臂123和第四机械臂124，所述第一至第四电源变换电路分别为所述第一至第四机械臂提供驱动电源，所述数字控制器采集所述第一至第四机械臂的状态信号，所述状态信号优选的有输入电流信号、转子位移信号和转子角度信号，并输出第一至第四电源变换电路中开关器件的驱动信号，实现集中式控制方案，提高机器人作动系统的功率密度。

如图2所示为本发明一具体实施例，优选的，所述第一至第四电源变换电路为桥式逆变器电路，所述数字控制器通过第一至第四采样电路采样第一至第四机械臂的驱动电流信号i和机械臂的转子位移信号l，通过第二采样电路采样所述机械臂的转子角度信号，所述数字控制器计算出所述第一至第四电源变换电路的驱动信号，经过隔离电路传输给所述第一至第四电源变换电路，驱动其中的开关器件的开通和关断，从而调节其输出的驱动电流，达到控制机械臂的目的。

更具体的说，本发明的数字控制器21包括数字芯片和逻辑芯片，所述数字芯片计算出驱动信号后输出给逻辑芯片，逻辑芯片再进行逻辑运算后经过隔离电路输出给第一至第四电源变换电路。所述数字芯片可以是dsp28335，所述逻辑芯片可以是cpld，以此为例，单个dsp28335的epwm模块最多能发出12路独立pwm信号，仅能驱动两台机械臂，而驱动四台机械臂需要12对独立的pwm驱动信号，即24路pwm信号。因此将dsp与cpld结合，增加pwm信号数量另外，驱动信号通过逻辑控制器进行逻辑运算后提高驱动的稳定性。

如图3所示机械臂示意图，所述机械臂主要由正弦波永磁同步电机3201结合旋转变压器3202、位移传感器3203以及滚柱丝杠3204机械结构组成。所述位移传感器3203检测永磁同步电机3201的位移信号，举例说明，位移传感器3203为15v供电的电压型位移传感器，输出信号为0～15v电压信号，对应其0～75mm的位移。所述位移传感器3203一端与所述机械臂底端固定连接，另一端与所述滚珠丝杠3204连接，整体与机械臂呈平行，当所述机械臂运动时，所述滚珠丝杠3204产生位移，所述位移传感器3203的活动端与之一起移动，进而输出转子位移信号。所述旋转变压器3202用于检测永磁同步电机的旋转角度，图4所示为所述旋转变压3202器并口硬件连接示意图。晶振产生的时钟信号通过芯片nb3n551进行分频得到四路同频时钟信号，这既能保证时钟信号的驱动能力又能保证四个旋变解码电路工作的同步性。每个机械臂包含一个旋转变压器，所述机器人作动系统包含四个旋转变压器，经过四片解码电路，例如ads1200，对四台正弦波永磁同步电机的转子位置进行快速准确读取。其中两个旋转变压器共用一组激磁信号，然后反馈各自正余弦模拟信号到相应的解码电路，解码电路将正余弦模拟信号转换为相应的12位二进制数字信号。该方式减少了硬件电路元器件数量，有利于提高控制器的功率密度。为了提高数据的传输的实时性以及数字控制器程序执行快速性将四片解码电路的12位数据线组成一组数据总线。然后数字控制器通过cs和rd使能信号顺序选取相应解码电路，通过并口方式读取12位数据，经过数字芯片数据处理后顺序得到四台电机的转子角度信号，以便用于矢量控制算法中，数字芯片读取转子角度信号的程序流程如图5所示。cs1＝0，rd1＝1读取第一机械臂的旋转变压器的转子角度信号，cs1＝1，rd1＝0，cs2＝0，rd2＝1读取第二机械臂的旋转变压器的转子角度信，cs2＝1，rd2＝0，cs3＝0，rd3＝1读取第三机械臂的旋转变压器的转子角度信，cs3＝1，rd3＝0，cs4＝0，rd4＝1读取第四机械臂的旋转变压器的转子角度信。

所述旋转变压器需要激励输入才能够产生信号输出，本发明使用两个旋转变压器共用一组激励放大电路，第一激励放大电路包括第一正极放大电路和第一负极放大电路，第一正极放大电路放大第一激励电能正极输入的电能，并提供给第一机械臂和第二机械臂的旋转变压器的激励转子一端，第一负极放大电路放大第一激励电能负极输入的电能，并提供给第一机械臂和第二机械臂的旋转变压器的激励转子的另一端。同样，第二激励放大电路包括第一正极放大电路和第一负极放大电路，第一正极放大电路放大第一激励电能正极输入的电能，并提供给第三机械臂和第四机械臂的旋转变压器的激励转子一端，第一负极放大电路放大第一激励电能负极输入的电能，并提供给第三机械臂和第四机械臂的旋转变压器的激励转子的另一端。所述激励放大电路为一运算放大器结合电阻和电容构成的比例积分放大电路。

本发明所采用的两个旋转变压器共用一组激励电路的方式减少了硬件电路元器件数量，从而进一步提高了功率密度。同时位置读取的结构提高了位置读取的实时性，并减少数字控制器读取电机位置信息的执行时间。

位移传感器和旋转变压器输出的信号经过第一采样电路和第二采样电路后转换成数字控制器能承受的电压信号并送往数字控制器的数据处理单元。使用数字控制器中的ad转换模块对采集的数据进行处理，将模拟量转换为控制系统能够识别的数字量，同时对信号进行数据控制处理实现软件上的控制，并输出电源变换电路中开关器件的驱动控制信号，以控制电源变换电路的输出电流，从而控制机械臂中电机的转速。本发明特举实施例，使用dsp28335中的epwm模块实现驱动控制信号pwm波的生成。

图6为单台机械臂的位置伺服控制算法的框图。控制器采用矢量控制的方法，对系统进行双闭环控制，即内环电流环和外环位置环。检测电路检测到电机的电流信号i(ia，ib，ic)以及转子角度信号θ，经过clark变换转变为静止坐标系中电流信号iα和iβ，再结合转子位置信号θ，进行park变换计算出旋转坐标系中电流信号id，iq，使用id和iq作为电流内环的反馈值。检测电路检测位移传感器的位移信号l，作为位移反馈值结合位移信号参考值l*，经过位置调节器，采用比例调节器计算出旋转坐标系中电流信号iq的参考值iq*，本实施例优选id*＝0，id和id*经过第一电流调节器计算出旋转坐标系中开关控制参考信号ud，iq和iq*经过第二电流调节器计算出旋转坐标系中开关控制参考信号uq，所述电流调节器采用比例积分调节器，再结合转子位置信号θ，并经过park逆变换计算出旋转坐标系中开关控制参考信号uα和uβ，经过驱动信号发生器产生电源调节器中开关器件的开关信号，控制所述机械臂中电机的输入电流。所述驱动信号发生器使用svpwm调制方法(矢量控制pwm)确定开关信号驱动的占空比。

本发明具有非常好的效果：实现了用一个控制器对四台机械臂的独立位置伺服控制，保证了系统的可靠性、快速性，并提高了系统的功率密度。其中基于矢量控制策略的双闭环控制结构(外环位置环，内环电流环)可满足高性能的位置伺服控制要求，同时达到精简软件算法的目的，保证了单个数字控制器可内置四个机械臂的位置伺服控制算法。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。