CN102156485A - 重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器 - Google Patents

重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器 Download PDF

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孔民秀
游玮
李瑞峰
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Abstract

重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器，属于机器人控制领域，本发明为解决传统的单输入单输出线性控制方式无法满足应用要求的问题。本发明包括工控机和n个伺服驱动器；工控机包括伺服控制单元和运动规划器；伺服驱动器包括位置控制器、速度控制器和电流控制器；工控机输出的n个位置、速度前馈和电流前馈信号，并分别给每个伺服驱动器；每个伺服控制单元接收反馈位置和反馈速度信号；每个伺服驱动器的控制相同，位置信号和反馈位置信号相加后作为位置控制器的输入，位置控制器的输出与反馈速度信号和前馈速度信号相加作为速度控制器的输入，速度控制器的输出与前馈电流信号相加后作为电流控制器的输入，电流控制器的输出控制伺服电机运行。

Description

重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器
技术领域
本发明涉及一种重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器，属于机器人控制领域。
背景技术
高速重载机器人控制是一类复杂的运动控制问题。传统的单输入单输出线性控制方式无法满足应用要求，因为随着大负载和高速运行，动力学非线性项将变得十分明显。单纯采用单输入单输出的常规PID控制会遇到性能瓶颈。需要基于动力学模型对其进行非线性解耦和补偿，然而目前国内的主流机器人控制系统或是用于数控机床的运动控制系统一般采用工控机加板卡方式，或者直接采用嵌入式系统完成。尚无法满足高速重载工业机器人的应用要求。原因主要在以下三个方面：
(1)控制结构方面
在目前国内主流的数控系统和机器人控制系统中，伺服驱动器一般工作在位置或速度模式，控制器完成机器人运动学算法后将运动指令发送给驱动器，驱动器利用内部的线性控制器(PD，PI)完成机器人关节的位置闭环和速度闭环。这种方式忽略的多轴耦合的影响，强制将各轴解耦成SISO系统，对于控制器而言，其相当于进行开环控制。无法满足高速重载机器人的应用要求，轨迹跟踪精度较差。
(2)控制器计算量问题
当若采用(1)中提到的强制解耦方式，位置回路和速度回路的调节计算均由伺服驱动器来完成，控制器仅需完成运动规划和机器人正逆解计算，计算量相对较小，所以普通运动控制卡或是嵌入式运动控制系统可以满足要求，如果要完成非线性解耦控制，这部分算法必然要控制器来完成，则需要强大的计算能力，普通板卡或是嵌入式的处理器将无法满足要求。
(3)控制指令通讯方式
当采用(1)中提到的强制解耦方式，由于其只需要传输位置指令，所以通讯方式一般采用脉冲加方向的方式。如需进行非线性动力学控制，则需传输的信号即包含位置信号，又包含速度和电流信号，通讯量较大，且更新频率很高，因此无法使用脉冲方式。早期部分系统选择模拟量通讯方式，但是在实际工业现场干扰较大，可靠性和精度较差。
发明内容
本发明目的是为了解决传统的单输入单输出线性控制方式无法满足应用要求的问题，提供了一种重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器。
本发明所述重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器，它包括工控机和n个伺服驱动器；
工控机包括伺服控制单元和运动规划器；
伺服驱动器包括位置控制器、速度控制器和电流控制器；
运动规划器输出的n个位置信号分别给每个伺服驱动器；运动规划器输出的n个速度前馈信号分别给每个伺服驱动器；伺服控制单元输出的n个电流前馈信号分别给每个伺服驱动器；每个伺服驱动器的驱动信号反馈给伺服控制单元，所述驱动信号包括位置反馈信号、速度反馈信号和电流反馈信号；每个伺服驱动器驱动一个伺服电机，该伺服电机反馈给与其连接的伺服驱动器反馈位置信号和反馈速度信号；
每个伺服驱动器中的信号控制关系相同，所述位置信号和该伺服驱动器接收的反馈位置信号相加后作为位置控制器的输入信号，位置控制器的输出信号与该伺服驱动器接收的反馈速度信号和前馈速度信号相加后作为速度控制器的输入信号，速度控制器的输出信号与该伺服驱动器接收的前馈电流信号相加后作为电流控制器的输入信号，电流控制器的输出信号控制伺服电机运行，n为大于4的自然数。
本发明的优点：在控制结构方面采用位置模式加速度前馈，电流前馈的方式，对各轴耦合的非线性项进行补偿，完成各轴解耦，这样再利用驱动器内部的线性控制器即可达到较好的控制性能。采用这种方式既能解决动力学多轴耦合的问题，又避免了采用力矩模式带来的控制指令大计算量，大通讯量和高采样频率的问题。
附图说明
图1为重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器，它包括工控机1和n个伺服驱动器2；
工控机1包括伺服控制单元1-1和运动规划器1-2；
伺服驱动器2包括位置控制器2-1、速度控制器2-2和电流控制器2-3；
运动规划器1-2输出的n个位置信号分别给每个伺服驱动器2；运动规划器1-2输出的n个速度前馈信号分别给每个伺服驱动器2；伺服控制单元1-1输出的n个电流前馈信号分别给每个伺服驱动器2；每个伺服驱动器2的驱动信号反馈给伺服控制单元1-1，所述驱动信号包括位置反馈信号、速度反馈信号和电流反馈信号；每个伺服驱动器2驱动一个伺服电机，该伺服电机反馈给与其连接的伺服驱动器2反馈位置信号和反馈速度信号；
每个伺服驱动器2中的信号控制关系相同，所述位置信号和该伺服驱动器2接收的反馈位置信号相加后作为位置控制器2-1的输入信号，位置控制器2-1的输出信号与该伺服驱动器2接收的反馈速度信号和前馈速度信号相加后作为速度控制器2-2的输入信号，速度控制器2-2的输出信号与该伺服驱动器2接收的前馈电流信号相加后作为电流控制器2-3的输入信号，电流控制器2-3的输出信号控制伺服电机运行，n为大于4的自然数。
工控机1选用PC处理器。在控制器方面，选择含有性能强大的PC处理器(如Intel 高主频双核)工控机作为控制器，并在其上运行强实时系统(如V xWorks，TwinCAT，Windows RTX)。实时系统的精确定时将工控机1的改造成一个或多个性能强大软PLC单元。每个PLC完成一定的实时控制计算任务。工控机强大的处理器和内存单元可以满足绝大部分复杂控制算法的计算要求。
信号通信方式采用EtherCAT总线方式。在指令通讯方式上采用EtherCAT总线，EtherCAT总线是一种目前性能最强的工业现场总线，其充分利用了以太网的带宽，以及其他高性能总线的协议(如Sercos，CANopen)6个驱动器作为从站进行位置模式控制时，最小循环时间可以设到62.5微秒。其通讯速率已经能达到伺服控制要求。
具体实施方式二：本实施方式给出一个具体的实施例，n＝6，即该控制器具有6个伺服驱动器2。所述重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器，它包括工控机1和6个伺服驱动器2；
工控机1包括伺服控制单元1-1和运动规划器1-2；
伺服驱动器2包括位置控制器2-1、速度控制器2-2和电流控制器2-3；
运动规划器1-2输出的位置信号分别给每个伺服驱动器2；运动规划器1-2输出的速度前馈信号分别给每个伺服驱动器2；伺服控制单元1-1输出的电流前馈信号分别给每个伺服驱动器2；每个伺服驱动器2的驱动信号反馈给伺服控制单元1-1，所述驱动信号包括位置反馈信号、速度反馈信号和电流反馈信号；每个伺服驱动器2驱动一个伺服电机，该伺服电机反馈给与其连接的伺服驱动器2反馈位置信号和反馈速度信号；
每个伺服驱动器2中的信号控制关系相同，所述位置信号和该伺服驱动器2接收的反馈位置信号相加后作为位置控制器2-1的输入信号，位置控制器2-1的输出信号与该伺服驱动器2接收的反馈速度信号和前馈速度信号相加后作为速度控制器2-2的输入信号，速度控制器2-2的输出信号与该伺服驱动器2接收的前馈电流信号相加后作为电流控制器2-3的输入信号，电流控制器2-3的输出信号控制伺服电机运行，伺服电机输出反馈位置信号和反馈速度信号给本组的伺服驱动器2来完成闭环控制。在控制结构方面采用位置模式加速度前馈，电流前馈的方式，对各轴耦合的非线性项进行补偿，完成各轴解耦，这样再利用驱动器内部的线性控制器即可达到较好的控制性能。采用这种方式既能解决动力学多轴耦合的问题，又避免了采用力矩模式带来的控制指令大计算量，大通讯量和高采样频率的问题。

Claims (4)

1.重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器，其特征在于，它包括工控机(1)和n个伺服驱动器(2)；
工控机(1)包括伺服控制单元(1-1)和运动规划器(1-2)；
伺服驱动器(2)包括位置控制器(2-1)、速度控制器(2-2)和电流控制器(2-3)；
运动规划器(1-2)输出的n个位置信号分别给每个伺服驱动器(2)；运动规划器(1-2)输出的n个速度前馈信号分别给每个伺服驱动器(2)；伺服控制单元(1-1)输出的n个电流前馈信号分别给每个伺服驱动器(2)；每个伺服驱动器(2)的驱动信号反馈给伺服控制单元(1-1)，所述驱动信号包括位置反馈信号、速度反馈信号和电流反馈信号；每个伺服驱动器(2)驱动一个伺服电机，该伺服电机反馈给与其连接的伺服驱动器(2)反馈位置信号和反馈速度信号；
每个伺服驱动器(2)中的信号控制关系相同，所述位置信号和该伺服驱动器(2)接收的反馈位置信号相加后作为位置控制器(2-1)的输入信号，位置控制器(2-1)的输出信号与该伺服驱动器(2)接收的反馈速度信号和前馈速度信号相加后作为速度控制器(2-2)的输入信号，速度控制器(2-2)的输出信号与该伺服驱动器(2)接收的前馈电流信号相加后作为电流控制器(2-3)的输入信号，电流控制器(2-3)的输出信号控制伺服电机运行，n为大于4的自然数。
2.根据权利要求1所述的重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器，其特征在于，n＝6。
3.根据权利要求1所述的重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器，其特征在于，工控机(1)选用PC处理器。
4.根据权利要求1所述的重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器，其特征在于，信号通信方式采用EtherCAT总线方式。
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