基于单片机的伺服舵机跟踪控制技术研究.pdf

基于单片机的伺服舵机跟踪控制技术研究蔡华祥吴兴校蒋 昕葛红岩(.国家精密微特电机工程技术研究中心贵州 贵阳.贵州航天林泉电机有限公司贵州 贵阳)摘 要:伺服舵机是一种可控制角度、速度的集成化机构组件 其内部集成了减速器、传感器、驱动器和电机等 由于其体积小、结构紧凑导致其存在传动回差、传感器精度低等问题 为满足系统要求本文针对伺服舵机的硬件电路传感器电路作了详细设计介绍同时根据系统需求针对伺服舵机定点跟踪以及特定位置路径跟踪分别设计了不同的软件算法 最后通过试验证明本文所提出的硬件电路设计及软件算法设计切实有效可完成系统的功能需求关键词:伺服舵机 传感器 定点跟踪 集成化中图分类号:文献标识码:文章编号:():.:引言伺服舵机是一种能够精确控制角度位置的电机它通过内部的反馈机制能够实时感知自身的位置和速度并根据控制信号进行调整使得输出的角度位置精度高达.伺服舵机通常由电机、减速器、编码器、控制器等组成其中控制器是关键部件它能够根据输入的控制信号计算出电机需要转动的角度和速度并通过 信号控制电机的转动 伺服舵机具有响应速度快、精度高、可靠性强等优点广泛应用于机器人、航空航天、医疗器械等领域总的来说伺服舵机和伺服电机都是现代工业中不可或缺的电机它们具有高精度、高可靠性、高效率等优点能够满足各种工业应用的需求 随着科技的不断发展伺服电机和伺服舵机的应用范围将会越来越广泛为工业自动化带来更多的便利和效益本论文主要针对应用于机器人关节系统中低成本伺服舵机的驱动器关键技术进行研究主要包括驱动器中核心单片机最小系统设计 驱动电路设计位置传感器电路设计软件设计路径规划算法设计等所设计的系统通过试验测试可以较好地跟踪所给定的位置信号并实现定位控制能够满足系统的使用要求 伺服舵机组成及功能需求.伺服舵机测试系统组成整个伺服舵机测试系统包含:位高精度旋变、伺服舵机、联轴节、测功机等各部分功能描述如下本课题所研制的伺服舵机是双端输出即舵机左端和右端都可以连接负载 所搭建的测试系统中有减速器、驱动器、电机、传感器集成与伺服舵机内部 伺服舵机的左端通过联轴节连接到 位高精度旋变右端通过联轴节连接到测功机 位高精度旋变主要用于检测舵机最终执行的速度和位置信号通过旋变信号判断伺服舵机速度跟踪和位置跟踪精度是否满足系统要求测功机主要用于给伺服舵机加载验证舵机的带载性能和功率指标是否满足系统要求.功能需求根据系统要求本课题研制的伺服舵机主要工作于两个工作模式:位置定点工作模式和随动位置跟随控制模式 所搭建的测试系统主要用于测试舵机的定点跟踪精度以及随动位置跟随性能LH图 舵机及测试系统 硬件设计.最小系统设计主控 芯 片 选 择 峰 岹 公 司 单 片 机/是一款集成 内核和电机控制引擎()的电机驱动专用芯片 内核处理常规事务 处理电机实时事务双核协同工作实现各种高性能电机控制 其中 内核大部分指令周期为 或 芯片内部集成有高速运算放大器、比较器、(除外)、高速、高速乘/除法器、多种、等功能内置高压 适用于/电机的方波、/、驱动控制 内部集成了电源转换芯片其输入电压为 内部可以输出 电压供通信电路和 采样电路使用.位置传感电路电机位置传感器选用的是电感式编码器 为获得高精度位置信号项目中采用 公司的 作为位置解码芯片 是一款采用线圈感应技术的非接触式高速、高精度编码器芯片由它为核心并结合多组电感线圈的 定子板、特定形状的 转子板组成完整的角度编码器 芯片输出电流驱动激励线圈和外部电容元件组成的 谐振网络其典型设置震荡频率为 .转子影响激励线圈和接收线圈的耦合关系当转子旋转时激励线圈的交变电磁场在转子金属内部产生涡流场并在接收线圈上引起感应电动势的变化从而在接收线圈上得到和转子位置相关的电压信号曲线 其和转子位置相关的电压信号经 芯片解调滤波并放大之后由内部的模数转换电路对其信号进行采样专有的硬件电路进行角度运算最后输出位置信号 的分辨率达到 个比特每个圆周可以产生 个角度增量信号零位信号的位置可通过 接口编程最高支持 可支持多种位置信号输出方式如 方式、接口、接口等本项目采用 方式输出位置信号.驱动电路设计驱动器母线电压为 考虑到温升对 的影响以及驱动器的结构尺寸本项目选择微硕公司的 马达驱动芯片该芯片封装为体积小集成了功率管以外的驱动电路只需采用主控芯片的 输出即可进行驱动 该芯片最大输入电压范围为 可承受.导通电流能够满足技术指标要求硬件设计电路如图 所示 软件设计.舵机控制原理根据系统采用的直流有刷电机可知其数学模型如下:图 舵机硬件原理图 ()()()()()()其中、分别代表输入电压和电机反电势、分别代表电机的电感和电阻 表示电机的电流表示反电势系数 和 分别代表负载角位置和角速度表示电机输入力矩 为电机的阻尼系数表示系统中的转矩系数 表示系统的加速度为满足系统高精度定位以及快速响应的需求系统拟采用位置、速度双环控制算法 此外考虑增加前馈控制算法以加快系统的响应特性 根据收到的位置信号提前计算出给定位置轨迹的速度轨迹以此作为速度环的速度前馈信号 以确保速度位置信号能够快速准确地跟踪给定轨迹 位置环路和速度环路分别采用 控制算法 所采用的控制方法的控制原理框图如图 所示GCW-T3+T#5OSFGSFG?TO,U,F$QT4$WT5GWT图 舵机结构框图图中()、()分别为速度环和位置环的控制器 位置给定和速度给定分别为系统给定根据不同的工作模式来选择执行给定速度还是给定位置 位置反馈信号选用磁编码器来获取速度信号根据得到的位置信号通过差分的方式来得到 电流反馈信号通过电流传感器采集得到从图 可以看出控制系统主要包括两个环路速度环和位置环 速度环的输出为 占空比信号 速度信号主要通过位置信号的微分获取并经过低通滤波作为速度环的反馈信号 速度环控制器采用 控制器位置环控制器采用 控制器.定点 型曲线轨迹路径控制根据项目需求当舵机工作于位置加速度模式时将会收到系统整机发过来的信号有位置角度信号、最大速度信号、加速度信号和减速度信号 此时舵机将运动出类似于 形曲线的路径 系统要求的 形曲线如图 所示Tc?QXN?QXN图 形曲线运动轨迹为完成以上功能当舵机处于位置加速度模式时对舵机从一个角度运动到另一个角度时的位置信号的路径进行规划主要由以下四个步骤来实现步骤一:接收系统发送的控制指令根据指令实时计算出舵机控制器中所需的状态 舵机控制器所需的状态包括舵机的四分之一位置信号、四分之三位置信号、舵机的 增量信号以及舵机的最大速度信号其中舵机的 增量信号由给定的加速度信号来计算忽略舵机自身的阻尼情况下 /()从而可以得到一个粗略的 增量信号步骤二:实时读取舵机位置传感器输出的位置信号同时根据位置信号计算出当前舵机的速度信号 位置信号由舵机位置传感器输出由舵机控制器主控芯片读取速度信号通过位置信号来计算可通过微分、测速法、测速法以及/测速法等方式获取步骤三:将舵机的速度信号和位置信号与舵机接收到的速度信号和位置信号做比较判断出当前舵机所处的控制状态 将舵机的速度信号和位置信号与舵机接收到的速度信号和位置信号做比较 当舵机实际位置信号小于给定位置信号的四分之一且当前舵机速度小于给定最大速度时则增加固定的 增量若舵机速度信号大于给定最大速度则保持最大速度运行不再增加 增量 当舵机实际位置信号大于给定位置信号的四分之一且小于给定位置信号的四分之三时则保持当前速度运行不再增加 增量当舵机实际位置信号大于给定位置信号的四分之三时则减小固定的 增量步骤四:比较舵机实时的位置信号与给定的位置信号若误差在 以内则切换执行 控制环舵机控制器输出信号由 控制决定与 增量无关 控制器输入为给定位置信号与舵机实际位置信号的误差值 控制器的参数根据舵机实际测试时适当调整 控制器的输出作为舵机控制的占空比从而确保舵机最终的精确定位精度.已知路径规划算法在舵机按着系统整机发送的信号执行连续动作时此时要求系统能够平滑的完成收到的轨迹信号若按 形路径去规划则可能出现响应不够及时的情况为此对已知路径需采用不同的控制算法 在一个运动周期()内对不同时间段的速度信号按要求规划为不同的运动路线如公式()所示根据该公式舵机系统运动的轨迹曲线如图 所示(/)()()().)()()()()其它()()()比例控制器()()()实验测试.定点位置跟踪当舵机处于某一固定位置时如 时如发送位置给定命令使其运动到给定位置信号 实时监测舵机位置传感器观察其是否能响应到给定的位置信号(图)UTc?图 定点跟踪位置信号从实验结果来看舵机当前位置为 给定位置为 时舵机能够平滑地到达给定的位置信号舵机最终稳定位置为.误差为.满足项目指标要求的 以内.给定拟合信号跟踪为验证舵机前馈双环控制算法的性能通过上位机将给定的拟合信号实时发送给舵机 测试结果表明舵机基本能实时且平滑地跟踪给定的位置信号如图 所示UTX cT图 舵机跟踪给定拟合信号 结论本项目的开展对于机器人舵机方面的研究有了更深刻的认识对后续相关领域的项目有着较为重要的借鉴指导意义 在技术方面主要表现为以下两方面:)低成本小体积国产化硬件电路设计 通过该项目的开发掌握了包括基于低成本 的控制器设计可控制直流有刷电机、直流无刷电机和永磁同步电机)基于 型曲线规划设计 对于伺服系统路径的规划有了进一步认识通过位置和速度信号的配合规划舵机轨迹参考文献 谢道成.再入飞行器末制导与控制技术研究.长沙:国防科学技术大学.刘璠璟.一种船舶无人驾驶导航及 控制方法研究.工业控制计算机():.皇甫宜耿刘卫国马瑞卿等.基于鲁棒高阶滑模的电动舵机伺服控制.火力与指挥控制():.张元.基于 的小型电动舵机伺服控制系统研究.南京理工大学.韩颖权渭锋李楠.旋变数字转换器在制导雷达伺服系统中的应用.自动化技术与应用():.胡嘉.一种多模式驱动外转子无刷直流电机的电路:.作者简介:蔡华祥()男博士高级工程师任职于贵州航天林泉电机有限公司和国家精密微特电机工程技术研究中心主要从事高精度伺服控制技术研究收稿日期: