基于CANopen协议的机器人高精度伺服运动控制算法研究

摘要

近年来工业技术的飞速发展工业机器人越来越多的出现在各个工厂企业中发挥其生产高效、质量可靠的生产服务能力，而其运动关节——电气机器是保证工业机器人能可靠地，稳定地，高效地工作前提，因此对机器人用电机及其电机控制的研究变得尤为重要。随着科学技术水平的发展，生产工艺的提高以及高性能的运动控制理论的研究发展，永磁同步电机及其伺服控制逐渐代替传统的直流电机伺服控制、三相感应电机变频控制更多的出现在以工业机器人为代表的高精度控制系统中。于此同时，随着数字信号处理和工业总线控制技术的发展，DSP逐渐代替单片机成为电机控制的核心，CAN总线通信逐渐代替传统意义上的模拟信号控制成为运动控制的主流。因此，对于高精度的伺服运动控制研究具有重要的理论和实用价值。
　　本文以TI公司的C2000系列DSPTMS320F28335为核心，以机器人系统中的永磁同步电机为平台，设计了一种性能优越的交流电机控制器。本文首先针对永磁同步电机本体建立精确的数学模型，在此基础上阐述Clark-Park变换的原理与算法;然后，根据建立后的数学模型依次设计合理电机的电流（转矩）控制环，速度控制环，位置控制环;进而通过复频域分析整定各个控制环节的控制参数，完成电机转矩，速度，位置三闭环控制。
　　与此同时，通过CANopen总线协议实现伺服控制器与上位机MCU的通信，与传统的模拟量控制，数字脉冲控制相比，上位机利用CANopen总线通讯协议控制指令控制机器人伺服器具有传输响应速度快，精准度高，抗干扰能力强等优势，更适合于工况环境恶劣、机器人动作复杂度更高的场合。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 运动控制系统的发展概况及其发展趋势

1．2 运动控制系统在机器人系统中的研究现状

1．3 本论文研究主要内容

2 运动控制器总体架构设计

2．1 控制器系统结构

2．2 逆变模块控制原理与选择方案

2．3 伺服控制的测量系统

2．4 本章小结

3 永磁同步电机数学建模

3．1 永磁同步电机三相电压动态方程组

3．2 基于转子参考坐标系下的电机模型

3．3 本章小结

4 运动控制算法设计

4．1 电流环综合设计

4．2 转速环综合设计

4．3 位置环综合设计

4．4 永磁同步电机控制Matlab／Simulink仿真设计

4．5 本章小结

5．CANopen协议概述

5．1 CANopen通信

5．2 服务数据对象SOD

5．3 过程数据对象PDO

5．4 本章小结

6 CANopen总线协议在运动控制器的实现

6．1 设备控制相关参数

6．2 位置插补控制模式

6．3 本章小结

7 总结与展望

致谢

攻读硕士学位期间的主要成果

参考文献