工业机器人交流伺服运动控制系统软件开发

摘要

交流伺服系统是工业机器人核心部件之一。本文以国产工业机器人交流伺服系统研究和高速重载机器人技术为背景，系统分析了工业机器人交流伺服系统的技术特点，论述了具有空间矢量控制与直接转矩控制两种控制方式的交流伺服运动控制系统软件的开发工作，探索应对工业机器人发展过程中的新需求。
　　交流伺服常用的控制方法有空间矢量控制和直接转矩控制。前者具有精度高的优点，常用于位置与速度控制;后者具有转矩响应快、转矩脉动低等优点，适用于电机的转矩控制。本文论述的交流伺服运动控制系统以高性能DSP为控制核心，支持空间矢量控制与直接转矩控制两种控制方式，并可方便地进行软件切换;上位PC机运行CANopen伺服管理软件，采用WinForm控件开发。
　　文中首先介绍了交流伺服的发展现状和主流伺服产品，并给出了具有空间矢量控制与直接转矩控制两种控制方法的交流伺服运动控制系统软件体系架构。接着详细说明了空间矢量控制软件的系统结构和各个功能模块的设计原理与实现过程。同时论述了空间矢量控制的基础上的速度规划、转动惯量辨识和PID参数自整定等辅助程序的设计原理，并给出软件实现。然后介绍了直接转矩控制的基本原理和直接转矩控制软件的体系结构，以及磁链和转矩比较器、磁链转矩估算模块、开关电压矢量表等功能模块的设计原理，并给出直接转矩控制程序实现过程和实验分析。然后对两种控制方式的控制特点进行对比，同时设计了两种控制模式的平滑切换程序。接着论述了CANopen从站程序的开发并介绍了PC端伺管理软件的设计与开发流程。伺服管理软件实现了对伺服驱动器的参数配置、实时监控等功能。最后给出了交流伺服运动控制系统软件的测试实验与分析，验证了软件的可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 工业机器人系统结构

1．3 交流伺服发展现状

1．3．1 电机控制技术的发展

1．3．2 伺服控制技术的发展

1．3．3 数字伺服总线技术的发展

1．3．4 主流伺服产品介绍

1．4 交流伺服运动控制系统软件

1．5 论文研究背景及意义

1．6 论文章节安排

第二章 交流伺服运动控制系统设计

2．1 永磁同步电机数学模型和坐标变换原理

2．1．1 永磁同步电机数学模型

2．1．2 坐标变换原理

2．2 CANopen协议的基本原理

2．3 交流伺服运动控制系统整体设计

2．3．1 硬件实验平台搭建

2．3．2 电机控制软件整体设计

2．3．3 基于CANopen的伺服管理软件整体设计

2．4 本章小结

第三章 空间矢量控制模块软件设计

3．1 空间矢量控制基本原理

3．2 空间矢量控制模块软件结构

3．3 空间矢量控制模块软件实现

3．3．1 主要功能模块实现

3．3．2 速度规划模块

3．3．3 转动惯量辨识模块

3．3．4 PID参数自整定程序

3．3．5 空间矢量控制中断程序

3．4 空间矢量控制模块软件测试

3．4．1 速度环与速度规划模块测试

3．4．2 位置环测试

3．4．3 转动惯量辨识模块测试

3．5 本章小结

第四章 直接转矩控制模块软件设计

4．1 直接转矩控制的基本原理

4．2 直接转矩控制模块软件结构

4．3 直接转矩控制模块软件实现

4．3．1 主要功能模块实现

4．3．2 直接转矩控制中断程序

4．4 直接转矩控制模块实验

4．5 控制方式的对比与控制模式切换模块设计

4．5．1 控制方式的对比

4．5．2 控制模式切换模块设计

4．6 本章小结

第五章 基于PC的伺服管理软件开发

5．1 CANopen从站程序设计与实现

5．1．1 对象字典

5．1．2 信息接收与发送

5．1．3 报文分类处理

5．2 基于PC的伺服管理软件设计

5．2．1 主界面设计

5．2．2 通信设置

5．2．3 电机参数配置

5．2．4 控制参数配置

5．2．5 实时监控

5．2．6 CANopen配置

5．3 本章小结

第六章 运动控制系统实验与分析

6．1 运动控制系统实验与分析

6．1．1 位置与速度控制

6．1．2 转矩控制

6．1．3 控制模式切换

6．2 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果