运动控制器十篇

运动控制器篇1

Abstract: This article is about GT-400-SV series of motion controllers, based on the development of four-axis motion platform, controlled by PC. The paper demonstrates by examples, motion controllers can realize motion control through simple program on PC without special software of NC. It can also realize mutiaxial continuous trajectory control, providing users with great development space.

关键词： 运动控制；数控编程；高级语言VC

Key words: motion control；CNC programming；high-level language of VC

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）11-0018-02

0 引言

传统的数控机床的数控编程，对于不同的数控系统可采用不同的G代码可以完成零件图形的编制，通过数控系统的输入到数控机床，进行零件的模拟仿真操作后，可通过机床完成零件的加工。固高科技有限公司生产的GT系列运动控制器，也可实现传统机床中的两种轨迹的多轴协调运动：直线插补、圆弧插补，通过VC语言同样可完成传统零件G代码程序。

1 坐标映射原理

在采用VC语言编程过着中，运动控制器通过坐标映射将控制轴由单轴运动控制模式转换为坐标系运动控制模式。在坐标系运动控制模式下，可以实现单段轨迹运动、多段轨迹连续运动。运动控制器开辟了底层运动数据缓冲区，可以实现多段轨迹快速、稳定的连续运动。运动控制器利用一个四维坐标系（X-Y-Z-A），描述直线、圆弧插补轨迹。其中X-Y-Z三个轴构成图1所示的数控机床所采用的右手笛卡尔坐标系，根据零件图形的特点，可以在二维（X-Y）、三维（X-Y-Z）坐标系描述运动轨迹。利用直线、圆弧命令完成零件轮廓的描述。

其中X、Y、Z和轴号1、2、3相对应，对于A轴和4轴对应，表示表示绕着X轴旋转坐标的选择坐标轴。坐标轴映射函数如下：

void MapAxis() //坐标映射函数

{

short rtn;

double cnt1[5]={1,0,0,0,0}; /* 根据系统设置坐标映射数组 */

double cnt2[5]={0,1,0,0,0}; /* 根据系统设置坐标映射数组 */

double cnt3[5]={0,0,1,0,0}; /* 根据系统设置坐标映射数组 */

double cnt4[5]={0,0,0,1,0}; /*根据系统设置坐标映射数组 */

rtn=GT_MapAxis(1,cnt1); error(rtn); /* 映射第1 轴到X 轴 */

rtn=GT_MapAxis(2,cnt2); error(rtn); /* 映射第2 轴到Y 轴 */

rtn=GT_MapAxis(3,cnt3); error(rtn); /* 映射第3 轴到Z 轴 */

rtn=GT_MapAxis(4,cnt4); error(rtn); /* 映射第4 轴到A 轴 */

}

2 编程实例

2.1 对运动控制器初始化和轴的初始化动作 首先是运动控制器的打开语句（GT_Open();）和运动控制器复位语句（GT_Reset();），以建立主机与运控器之间的通讯定义轴1为模拟量输出，采用T曲线模式，轴2同轴1设。

2.2 完成运动控制器各个坐标轴的初始化，并进行坐标轴的设置 如对1轴进行初始化，程序如下：

GT_Axis(1);//控制轴为轴1

GT_LmtsOff();//关闭当前轴的限位开关

GT_AlarmOff();//关闭当前轴的报警

GT_ClrSts();//清状态（解除原来轴的状态）

GT_CtrlMode(0);//选择当前轴控制模式，0为模拟量输出，即闭环控制，采用伺服交流电机

GT_SetKp(1); //设置PID参数

GT_Update();//参数生效

GT_AxisOn();//轴打开

如果在多轴控制中，对于每个坐标轴都应有相应的设置，在设置过程中要根据各个轴所连接伺服单元和电机的形式修改相应的函数。如采用步进电机可设置GT_CtrlMode(1);其中1代表为脉冲量输出，即开环控制。

轴1运动轨迹进行设置，程序如下：

GT_Axis(1);

GT_PrflT(); //轴1规划为T形曲线运动轨迹

GT_SetVel(2); //速度的单位是 脉冲每200微秒

GT_SetAcc(1); //加速度单位是 脉冲每100微秒平方

GT_SetPos(50000); //位置的单位是 脉冲

GT_Update();

2.3 坐标系轨迹运动实现的参考程序

2.3.1 采用VC语言，进行面板制作及调试 采用VC程序，进行控制面板的制作，并完成零件程序的调试，见图2。

2.3.2 图形编程程序 采用四轴运动开发系统提供的专业的函数，完成图1零件的编程的编制，参考程序如下：

void CMyDlg::OnButton5()

{

double cnt1[5]={2000,0,0,0,0};

double cnt2[5]={0,2000,0,0,0};

double cnt3[5]={0,0,2000,0,0};

//double cnt4[5]={0,0,0,2000,0};

GT_MapAxis(1,cnt1);

GT_MapAxis(2,cnt2);

GT_MapAxis(3,cnt3);

//GT_MapAxis(4,cnt4);

GT_StrtList();

GT_MvXYZA(0,0,0,0,0.1,0.0000001);

/*设置缓冲区起点定位坐标（0mm,0mm,0mm,0mm），合成速度3m/min,合成加速度

0.9m/min2 */

GT_LnXY(27,0); //图形加工

GT_LnXYZ(27,0,-5);

GT_LnXY(27,17);

GT_ArcXY(18,18,45);//以坐标（18，18）为圆心，以坐标（27，17）为起点，正向45 度圆弧。

GT_LnXY(-17,27);

GT_ArcXY(-18,18,45);

GT_LnXY(-27,-17);

GT_ArcXY(-18,-18,45);

GT_LnXY(17,-27);

GT_ArcXY(18,-18,45);

GT_LnXY(17,0);

GT_LnXY(0,0);

GT_EndList(); //关闭缓冲区

GT_StrtMtn(); //启动缓冲区的命令

}

3 结束语

与传统的数控装置相比，基于VC的运动控制器具有技术更新，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹控制，是传统数控装置的换代产品；结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用于不同场合、不同功能需求的控制系统；操作简单，在PC上经简单编程即可实现运动控制，而不一定需要专门的数控软件。目前，运动控制技术由面向传统的数控加工行业专用运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。给用户提供了很大的开发空间，同时在软件开发过程中，各种算法的综合应用给专用数控设备的特殊功能的实现提供了可能。

参考文献：

[1]固高公司.GT2-4002-SV四轴运动控制器用户手册，2008.

运动控制器篇2

关键词：工业机器人；运动控制系统；NURBS插补算法；实现路径

随着信息科学技术的迅速发展，工业机器人在控制质量、工作效率、成本等方面表现出了较大的优势，运动稳定、速度可调节、抗疲 劳的工业机器人能够替代人工完成相应的操作（包括完成一些具备高危险系数的工作），将机器人应用到工业生产中能够在使生产效率、 产品质量得以有效提高的同时显著降低人工工作量及生产成本，工业机器人已经成为工业现代化发展的重要支撑工具，在各行业中得以广 泛使用，作为一项重要的机电一体化技术机器人运动控制已成为工业生产领域的重点研究方向。运动控制是实现机器人功能的基础和重点 ，对机器人的性能起到直接决定作用，工业机器人在实际生产使用过程中易被多种因素干扰（如电、磁等），对工业机器人的设计方案尤 其是各项产品参数提出了更高的要求，需确保运动控制系统具备高效运动控制功能及稳定的性能，因此本研究主要对机器人运动控制系统 进行了设计。

1 需求分析

随着工业机器人在工业领域的广泛应用，对机器人的控制及操作要求不断提升，工业机器人主要由本体、驱动装置及控制系统构成， 在轨迹空间中工业机器人需完成除基本运动（包括直线、圆弧等）外较为复杂的运动，具备拟人功能的运动控制系统（一种机械电子装置 ）作为工业机器人的核心构成部分集合了多种现代先进技术（包括网络计算机、人工智能、电子机械、传感器等），通过运动控制系统实 现机器人复杂的轨迹运动，在实现复杂几何造型上NURBS方法因具备较大的优势而得以在CAD中广泛应用，因此充分运用NURB S插补算法实时可靠的优势，在研究了NURBS轨迹规划的基础上对机器人运动控制系统进行设计具有较高的实际应用价值。目前国内 已有工业机器人运动控制系统大多存在扩展性和通用性方面的不足，导致使用方面的局限性，大多只适用于特定的机器人［1］。本研究 针对UPR100本体工业机器人（6自由度）在现有研究的基础上完成了运动控制系统的设计和实现过程，采用模块化的设计原则，通 过使用DMC运动控制卡实现主要控制功能，结合运用了抗干扰能力强（防潮、防尘、防振）、稳定可扩展的工控机，实现对机器人运动 过程的精准控制。

2 工业机器人运动控制系统设计

作为一项较为复杂的系统工程，基于人工智能装置的完整机器人主要由执行机构、驱动装置（由驱动器、减速器、检测元件构成）、 控制系统（主要由传感器和电子计算机构成，）等构成，模仿人类手臂动作的操作机主要负责完成各类实操作业（主要由机座、末端执行 器、机械臂构成），驱动装置负责完成电能到机械能的转换从而将动力提供给操作机（可采取电力、液压、气压几种驱动方式）；控制系 统负责完成对机器人的检测和操作控制过程以完成规定的动作，包括对机器人运动参数的检测控制及反馈控制；人工智能系统主要负责完 成逻辑判断、模式识别及操作等功能（主要由实现感知功能的传感系统以及决策、规划、专家系统构成）。本研究构建的移动控制系统基 于现有6自由度工业机器人完成，硬件部分负责执行软件部分规划的操作，软件部分主要功能在于完成机器人程序的解译、插补运算、轨 迹规划（包括运动学正逆解），驱动机器人不同关节及末端装置的运动。2．1设计思路机器人操作的顺利完成离不开运动控制系统，运 动控制系统的发展经历主要包括集中控制（所有控制功能均通过一个CPU实现）、主从控制（由主、从CPU构成，分别负责变换坐标 并生成轨迹、控制机械手动作）、分级控制（由上级主控计算机和下级多个微处理器构成，分别负责完成包括坐标变换、生成轨迹在内的 系统管理以及对机械手关节坐标及伺服控制的分管与处理）。应用广泛的机器人对运动控制系统的研究和设计过程提出更高的要求，为适 用不同种类机器人需采用开放式系统结构，同时采用模块化设计方式（即将系统划分成实现不同子任务的多个功能模块）提高系统的实用 性和可靠性，多个机器人的协同控制需通过具备网络通讯功能的运动控制系统实现（包括资源共享）；通过直观形象的人机接口及操作界 面提升系统的人机交互性［2］。工业机器人运动控制系统主要由上位机、驱动装置、执行控制器构成，由上位机负责机器人管理和实时 监控，将位姿指令传递至区域控制器进行运动协调计算，由区域控制器实现对机器人各关节坐标及轨迹的变换和生成，再由执行控制器在 完成机器人位姿及工作状态的检测和实时采集的基础上实现对各关节伺服运动的有效控制过程。2．2控制系统硬件设计本研究所设计的 运动控制方案分别采用嵌入式ARM工控机（FreescaleIMX6）和DMC控制卡（Galil公司）作为系统的上位机和下 位机，控制系统硬件架构，如图1所示。图1系统硬件架构示意图针对6自由度工业机器人通过由DMC运动控制器提供的API实现了 在工控机上根据实际需要进行二次开发的功能。ARM工控机以Cortex核心处理器作为CPU，具备丰富的硬件资源，有效的满足 了控制系统的需求，工控机同DMC间采用以太网完成控制命令的接收与发送，DMC接收到程序命令后会据此发出相应的电机控制指令 信号，在经伺服放大器放大后完成对机器人各电机转动过程的驱动进而实现各关节的按要求运动；工控机同样通过以太网收到各关节经D MC反馈的位置信号（通过相应的电机编码器），从而实现机器人状态的实时显示与监控管理，并且使数控设备有效满足精度与性能的要 求［3］。

3 控制系统的实现

3．1 NURBS插补功能的实现

针对NURBS曲线轨迹，假设，控制顶点由Pi表示其中i∈［0，n］，同控制顶点对应的权因子由wi表示，t表示参数，k 次B样条基函数由Bi，k（t）表示，取n＋k＋1个节点值（分别由u0，u1，…，un＋k表示）组成节点向量通常u0、u1 ，…，uk的取值为0，un、un＋1，…，un＋k的取值为1，定义其在空间中的有理分式如式（1）［3］。（1）NURBS 插补算法通过插补前的预处理操作（即确定NURBS的轨迹表达式）可使插补计算量显著降低，进而确保了曲线的插补速度及实时性， 以给定的Pi、wi及节点矢量为依据即可实现NURBS曲线的唯一确定，NURBS曲线插补的实质为将到NURBS曲线本身的近 似逼近过程通过步长折线段（属于一个插补周期内）的使用完成，实现NURBS插补功能需要重点解决的问题为：密化参数，ΔL和Δ u分别表示进给步长和相应的参数增量，即在完成ΔL由轨迹空间到参数空间映射的基础上，完成Δu及新点的参数坐标（表示为ui＋ 1＝ui＋Δu）的求解［4］。计算轨迹，完成计算所获取的坐标值到轨迹空间的反向映射及插补轨迹的新坐标点（表示为pi＋1＝ p（ui＋1））的获取。在实际应用中通常采用3次由分段参数构成的NURBS曲线，各段曲线的分子／母的系数会参数u的变化而 改变，对应各段如式（3）［5］。使用Matlab平台对本研究设计的插补算法进行仿真，控制节点在（0，1）间，控制顶点共有 50个，权值取1，据此完成3阶NURBS曲线的确定，插补参数设置为：插补周期为1ms，最大进给速度及初始进给速度（由fm ax、fs表示）分别为18mm／min和0，加速度上限为2500mm／s2，弓高误差上限及步长误差上限分别为1μm和0． 001，最大法向进给加速度及最大加速度分别为0．8g和50000mm／s3，仿真实验结果如图2、图3所示，生成的插补点同 规划轨迹相吻合［6］。

3．2 软件设计与实现

在ARM工控机上实现软件部分，控制软件系统功能设计，如图4所示。将Linux系统安装于FreescaleIMX6上（ 版本为ubun－tu）后完成嵌入式Qt的移植，并在ubuntu中移植DMC控制卡的对应库，软件图形用户界面的主框架通过Q MainWin－dow类的使用完成构建，各模块功能则通过QWidget／Dialog类的使用实现，通过Qt实现各模块间的 信交流。将各编码器的值通过ComandOM（）函数进行读取后实现机器人各关节转角的获取，以供运动学计算和轨迹规划；运动控 制指令通过DownloadFile（）函数完成到DMC的下载。文档中的二字符指令集用于代码级别的测试与简单控制。运动学分 析模块通过运动学正解和运动学逆解实现机器人各关节转动的角度同空间中位置和姿态的相互对应，据此实现机器人的正确运行及其目标 点情况的检测［7］。机器人的作业任务通过轨迹规划模块确定所需使用的基本运动形式（包括直线、圆弧运动插补及NURBS轨迹插 补），进而实现自由曲线运动过程。（1）机器人参数设置，据此完成对决定工业机器人本体结构的运动学D－H参数、伺服驱动相关的 决定对应机器人关节转动角度的分频比／倍频比的设置。（2）机器人轨迹规划，DMC运动控制器可有效解决复杂的运动问题，其所包 含的轮廓模式提供位置－时间曲线（在1～6轴内）的自定义功能，据此可实现对通过计算机产生轨迹的有效追踪。在控制系统中，通过 工控机提供的算法实现运动学正逆解和空间运动轨迹的规划，并通过DMC协调控制各关节的运动情况，具体流程为：先建立空间轨迹参 数方程，运动轨迹空间坐标向量（x，y，z）每32ms（运动轨迹的插补周期）计算获取，通过运动学反解末端空间坐标即可获取对 应关节变量，据此计算得到电机轴的脉冲量（即各轴的脉冲增量），并记录到相应的轨迹规划文本中，轨迹规划流程，如图5所示。接下 来通过DMC中的DownloadFile（）函数的调用完成轨迹规划文本到DMC的下载，在此基础上调用Command（）执 行命令完成自定义轨迹动作。（3）机器人示教作业，实现了包括MOVJ、NURBS、延时、数字运算等在内的运动指令集，将机器 人末端通过轴控制按钮根据所选择的合适坐标系（以运动指令及指令参数为依据）完成到目标位置点运动的控制［8］。

运动控制器篇3

【关键词】旋切 运功控制 飞剪

本文主要针对纸袋机剪切控制系统开展研究和设计工作，在分析纸袋机剪切生产工艺和控制要求的基础上，按照“运动控制器+伺服系统+触摸屏”的型式，设计了纸袋机伺服跟踪切系统。该系统解决了不同袋长必须换轮问题，同时增加色标追踪功能实现了偏差的自动补偿。

1 运动控制器+伺服驱动+触摸屏方式+编码器测速+色标补偿

（1）运动控制器：用户可以根据自身需要用Trio Basic语言进行程序开发，整个系统可以脱离任何外界PC系统进行独立的运行。MC408本体可以驱动8个伺服或步进轴，自带16输入，8输出，还有1个Can扩展口通讯口。（2）切断伺服驱动器：伺服选7.5KW安川伺服1套，配减速比10/1的行星减速机。伺服电机额定转速1500转，额定扭矩50Nm，减速机额定输出最高扭矩500Nm，最高速度1000Nm（2倍过载）。（3）点胶伺服驱动：伺服选1.5KW安川伺服3套，各配减速比10/1的行星减速机驱动3根点胶轴。（4）测速编码：5000P/R 长线驱动。（5）色标传感器：选用基恩士颜色传感，最高响应时间0.2us。

2 控制实现

2.1 运动控制指令

（1）MOVELINK指令在基本轴产生直线运动，通过软件电子齿轮与连结轴的测量位置建立连接。连结轴可以向任意方向运动驱动输出运动。参数表明基本轴的距离会使连结轴移动相应的距离（link_distance）。连结轴的距离分成3个阶段应用于基本轴的运动。这些部分是加速部分，常速部分和加速部分。连结加速度和加速度由link_acceleration和link_deceleration参数设置。常速连结距离源于总的连接距离和这两个参数。三个阶段可以分为独立的MOVELINK指令或叠加在一起。

（2）ADDAX指令将叠加轴的目标位置加到运动轴的轨迹上。ADDAX允许执行两轴叠加运动。连接两轴以上，同样可以使用ADDAX。

（3）FLEXLINK 指令实现跟随主轴按定义的轨迹做运动。轨迹分2部分，基本部分（恒速段）和调整部分（变速段）。调整部分按正弦曲线叠加在恒速部分。

2.2 曲线定义

通过3段曲线实现旋切功能，即每一设定袋长，切刀旋转一圈，切一次。三段曲线如下：

（1）加速阶段曲线：distance1 = 0.5；link_acc1 = （0.5-VR（startsynpos）/10/360） * （VR（fsydistance）/10） *2；link_dec1 = 0；link_dist1 =（VR（startsynpos）/10/360）*（VR（fsydistance）/10） + link_acc1

MOVELINK （0.5，link_dist1，link_acc1，link_dec1，VR（move_axis））AXIS（VR（cut_axis））

（2）恒速阶段：base_dist= INT（（VR（cutlength）/VR（fsydistance））*1000+0.5）/1000；

excite_dist=1 - base_dist；link_dist2= VR（cutlength）/10；

base_out=100*（VR（startsynpos）/10/360）*（VR（fsydistance）/10） / （VR（cutlength）/10）；base_in=100*（VR（endsynpos）/10/360）*（VR（fsydistance）/10） / （VR（cutlength）/10）；stop_length =（（360-（VR（startsynpos）+VR（endsynpos））/10）*2+（VR（startsynpos）+VR（endsynpos））/10）*VR（fsydistance）/360/10；

IF VR（cutlength）/10

excite_acc=50

excite_dec=50

ELSE

excite_acc= 100*（ 1-（VR（cutlength）/10 - stop_length）*10 /VR（cutlength） ）/2

excite_dec= 100*（ 1-（VR（cutlength）/10 - stop_length）*10 /VR（cutlength） ）/2

ENDIFFLEXLINK（base_dist，excite_dist，link_dist2，base_in，base_out，excite_acc，excite_dec，VR（modify_axis））AXIS（VR（cut_axis））

（3）减速阶段distance3 =0.5；link_acc3 =0；link_dec3 =（0.5-VR（endsynpos）/10/360） * （VR（fsydistance）/10） *2；link_dist3 =VR（endsynpos）/10/360）*（VR（fsydistance）/10） + link_dec3；MOVELINK （distance3，link_dist3，0，link_dec3，VR（modify_axis））AXIS（VR（cut_axis））

注明：VR（startsynpos）：开始同步角；VR（fsydistance）：切刀周长；VR（endsynpos）：结束同步角；VR（cutlength）：袋长。

2.3 偏差补偿

切刀每次切断时当前长度清零，从头开始计长，当检测到色标时，当前值与理论值做比较生成偏差量，该偏差量通过Addax在补偿段叠加到切断轴上实现偏差补偿。

3 安装调试

装配必须严格按照使用说明书、原理图及技术规范执行。减少干扰和扰，电机线选用95%屏蔽线并将屏蔽层牢固接地，编码器线选用多芯屏蔽双绞线，驱动器妥善接地。

本次控制是采取模拟输出作为定伺服速度，驱动器分频反馈做闭环控制。因此在调试控制前，先将驱动器和电机整定，动态优化，把伺服系统的动态响应尽量调高，直到不产生振荡为止；然后调整运动控制的P增益，直到该轴跟随误差尽量小，而系统又不产生振荡为止。

4 \行效果

连续工作了一段时间，实切袋长与设定袋长最大误差1mm以内。不同袋长切换简单，只需要从屏上设定袋长即可。当需要色标补偿时，只需要选通色标追踪就能实现自动补偿，非常方便，完全达到预期效果。

5 结语

该控制系统具有较高的位置控制精度和良好的速度跟随特性，满足纸袋机高性能要求， 使用的灵活、高速、精确等主要特点，从而提高人们的工作效率与质量，对其它高性能剪切整套设备的研发具有借鉴意义。

参考文献：

[1]张建飞.基于Trio运动控制平台的三棱形内外圆磨削系统设计与实现[D].重庆大学，2007年.

运动控制器篇4

关键词：移动机器人；运动控制；四轮全向机器人；模糊PID

中图分类号：TP273文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2009)05-131-03

Research on Fuzzy PID Motion Control of Omni-directional Robot

TIAN Qi,ZHANG Guoliang,LIU Yan

(Second Artillery Engineering University,Xi′an,710025,China)

Abstract：Through analysing the kinematics model of soccer robot,considering time change,nonlinear and other characteristics of this system,a control method combining fuzzy control with traditional PID control is presented.To contrapose the problems of robot soccer motion system,the methods of dynamically regulate the three PID parameters based on fuzzy control is presented.The improvement of control effect is verified by experimental results.

Keywords：mobile robot;motion control;four wheeled omni-directional robot;fuzzy PID

0 引 言

移动机器人是一个集环境感知、动态决策、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统［1］，其运动控制是移动机器人领域的一个重要研究方向，也是移动机器人轨迹控制、定位和导航的基础。传统的运动控制常采用PID控制算法，其特点是算法简单，鲁棒性强，可靠性高，但需要精确的数学模型才对线性系统具有较好的控制效果，然而它对非线性系统的控制效果并不非常理想。模糊控制不要求控制对象的精确数学模型，因而灵活、适应性强。可是，任何一种纯模糊控制器本质上是一种非线性PD控制，不具备积分作用，所以很难在模糊控制系统中消除稳态误差。针对这个问题，采用模糊PID控制方法，将模糊控制器和传统的PID控制相结合，使其既具有模糊控制灵活、适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点。

1 全方位移动机器人运动学分析

研究的是由第二炮兵工程学院自主研制的全自主移动机器人平台东风-Ⅱ型足球机器人。东风-Ⅱ型机器人采用了四轮全向移动的运动方式，具有全向运动能力的系统使机器人可以向任意方向做直线运动，而之前不需要做旋转运动，并且这种轮系可满足一边做直线运动一边旋转的要求，以达到终状态所需要的任意姿态角。全向轮系的应用将使足球机器人具有运动快速灵活，控球稳定，进攻性强，以及易于控制等优点，使机器人在赛场上更具竞争力。

1.1 全向轮

该机器人采用在大轮周围均匀分布小轮子的全向轮，大轮由电机驱动；小轮可自由转动。这种全方位轮可有效避免普通轮子不能侧滑所带来的非完整性约束，使机器人具有平面运动的全部三个自由度，机动性增强。基于以上分析，选择使用这种全向轮。

1.2 运动学分析

在建立机器人的运动模型前，先做以下假设：

(1) 小车是在一个理想的平面上运动，地面的不规则可以忽略。

(2) 小车是一个刚体，形变可以忽略。

(3) 轮子和地面之间满足纯滚动的条件，没有相对滑动。

全方位移动机器人由4个全向轮作为驱动轮，它们之间间隔90°均匀分布(如图1所示)，其简化运动学模型如图6所示。其中，xw-yw为绝对坐标系；xm-ym为固连在机器人车体上的相对坐标系，其坐标原点与机器人中心重合。θ为xw与xm的夹角；δ为轮子与ym的夹角；L为机器人中心到轮子中心的距离；vi为第i个轮子的沿驱动方向的速度［2］。

图1 机器人的运动模型

可求出运动学方程如下：

v1=-sin(δ+θ)w+cos(δ+θ)w+L

v2=-sin(δ-θ)w-cos(δ-θ)w+L

v3=sin(δ+θ)w-cos(δ+θ)w+L

v4=sin(δ-θ)w+cos(δ-θ)w+L(1)

因为轮子为对称分布，常数δ为45°，故得到全向移动机器人的运动模型：

v=Ps(2)

其中：v= ［v1 v2 v3 v4］T为轮子的速度；s=［w w ］T为机器人整体期望速度。

P=-sin(45°+θ)cos(45°+θ)L

-sin(45°-θ)-cos(45°+θ)L

sin(45°+θ)-cos(45°+θ)L

sin(45°-θ)cos(45°-θ)L

P为转换矩阵。

这样，就可以将机器人整体期望速度解算到4个轮子分别的速度，把数据传送到控制器中，可以完成对机器人的控制。

2 基于模糊PID的运动控制器设计

目前，常规PID控制器已被广泛应用于自动化领域，但常规PID控制器不具备在线整定控制参数kP,kI,kD的功能，不能满足系统的不同偏差对e和偏差值变化率ec及对PID参数的自整定要求，因而不适用于非线性系统控制。

结合该运动控制系统的实际运行条件，设计采用模糊PID控制方法来实现快速移动机器人车轮转速大范围误差调节，将模糊控制和PID控制结合起来构成参数模糊自整定PID算法用于伺服电机的控制，使控制器既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点，使运动控制系统兼顾了实时性高，鲁棒性强及稳定性等设计要点，并可通过模糊控制规则库的扩充，为该运动控制系统方便添加其他功能［3］。

2.1 参数模糊自整定PID的结构

模糊PID控制系统结构框图如图2所示，系统的输入为控制器给定轮速，反馈值为电机光电码盘反馈数字量，ΔkP,ΔkI,ΔkD为修正参数［4］。PID控制器的参数kP,kI,kD由式(3)得到(kP′,kI′,kD′为PID参数初值)：

kP=kP′+ΔkP

kI=kI′+ΔkI

kD=kD′+ΔkD(3)

由此，根据增量式PID控制算法可得到参数自整定PID控制器的传递函数为：

u(k)=u(k-1)+(kP+ΔkP)+

(kI+ΔkI)e(k)+(kD+ΔkD)・

(4)

图2 自适应模糊控制器结构

2.2 速度控制输入/输出变量模糊化

该速度控制器的输入为实际转速与设定转速的偏差值e，以及偏差值的变化率ec；输出量为PID参数的修正量ΔkP,ΔkI,ΔkD。它们的语言变量、基本论域、模糊子集、模糊论域及量化因子如表1所示［5］。

表1 输入、输出量的模糊化

变量

eecΔkPΔkIΔkD

语言变量EECΔKPΔKIΔKD

基本论域{-60,60}{-60,60}{-3,3}{-1.5,1.5}{-0.8,0.8}

模糊子集NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB

模糊论域{-3,+3}{-3,+3}{-3,+3}{-3,+3}{-3,+3}

量化因子0.050.05123.75

在模糊变量E和EC以及输出量ΔKP,ΔKI,ΔKD的语言变量和论域确定后，首先必须确定模糊语言变量的隶属度［6］。常用的隶属函数有B样条基函数、高斯隶属函数、三角隶属函数等，考虑到设计简便及实时性的要求，采用了三角隶属函数。

2.3 参数自整定规则

模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对kP，kI，kD三个参数分别整定的模糊控制表。根据kP，kI，kD三个参数各自的作用，可制定模糊控制规则。以kP为例，所列规则见表2，kI，kD可类似推出。

表2 kP的模糊规则表

eec

NBNMNSZOPSPMPB

NBPBPBPMPMPSZOZO

NMPBPBPMPSPSZONS

NSPMPMPMPSZONSNS

ZOPMPMPSZONSNMNM

PSPSPSZONSNSNMNM

PMPSZONSNMNMNMNB

PBZOZONMNMNMNBNB

2.4 输出量解模糊

依据速度模糊控制参数整定规则确定输出量后，得到的只是一个模糊集合，在实际应用中，必须用一个精确量控制被控对象，在模糊集合中，取一个最能代表这个模糊集合的单值过程称为解模糊裁决。常用的解模糊算法有最大隶属度法、加权平均法等，根据实际情况，采用加权平均法进行解模糊。此时，模糊控制器输出可表示为：

μ=∑μ(ui)・ui∑μ(ui)(5)

最后，根据式(3)可得到最终的PID控制器参数。模糊PID控制程序流程图如图3所示。

图3 模糊PID控制程序流程图

3 实验结果

为了验证参数模糊自整定PID控制器的有效性，对直流电机分别做了常规PID控制和模糊PID控制实验。实验中给定轮速为50 min，图4为采用常规PID控制方法控制的电机转速；图5为采用模糊PID控制方法控制的电机转速。从结果看，采用参数模糊自整定PID算法能够明显降低超调量，加快响应速度，改善控制系统对轮速的控制效果。

图4 采用常规PID控制

图5 采用参数自整定PID控制

4 结 语

机器人运动控制系统是整个Robocup机器人系统的执行机构,在场上的表现直接影响了整个足球机器人系统。以足球机器人为平台，考虑到系统的时滞性和非线性，采用了模糊控制与PID控制相结合的方式，并在自行研制的足球机器人上进行了速度控制的实验研究。结果表明，该方法弥补了常规PID控制应用在机器人运动速度控制时超调量大，响应时间长的缺点，可以取得理想的效果。目前该方法已应用于足球机器人的运动控制，并在第七届中国机器人大赛暨ROBCUP中国公开赛中取得了优异的成绩。

参考文献

［1］李磊,叶涛,谭民.移动机器人技术研究现状与未来［J］.机器人,2002,24(5):475-480.

［2］徐建安,邓云伟,张铭钧.移动机器人模糊PID运动控制技术研究［J］.哈尔滨工程大学学报,2007,27(6):115-119.

［3］刘祚时,邝先验,吴翠琴.基于模糊PID的足球机器人运动控制研究［J］.工程设计学报,2006,13(8):224-227.

［4］He S Z,Tan S,Wang P Z.Fuzzy Self-tuning of PID Controllers.Fuzzy Sets & Syst.,1993,56:37-46.

［5］汪海燕,李娟娟,张敬华.自适应模糊PID控制的无刷直流电机及仿真［J］.微电机,2003,36(4):9-12.

［6］李琳,曾孟雄.模糊PID控制在运动控制中的应用［J］.机械与电子,2006(2):65-67.

作者简介

运动控制器篇5

【关键词】运动控制 实验 NAO机器人

【Abstract】In this paper， the importance of the Motion Control Theory course is analyzed because of the vast application of the motion control in the industrial automation. Further， the related experiments improvement is also discussed， which can strengthen the application ability of the students. And NAO robot is introduced into the experiments to improve the experimental performance. The robot is of free open platform， flexible configuration， and can be used on the sound identification， motion planning， image processing， etc. Application of the NAO robot can not only help students learn the course knowledge better， but also cultivate the ability of independent thinking and practice， which can improve the teaching effect finally.

【Keywords】Motion Control， experiment， NAO robot

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）10-0210-01

1.引言

现代工业中，随着对生产效率以及作业安全的要求不断越高，自动化系统得到了越来越广泛的应用。运动控制系统是自动化行业中保证机床、机器人及各类先进装备高质高效运行的关键环节，运动控制技术是装备领域和制造行业的核心技术[1]。随着运动控制的快速发展，培养具有相关领域知识的专业人才也迫在眉睫。《运动控制概论》作为一门综合性课程，包括了计算机技术、电机学、电力电子、信号检测以及自动控制等学科知识，内容丰富、知识点多，可以让学生全面地学习运动控制的各方面内容。此外，课程实验可以有效地帮助学生锻炼动手能力、理论联系实际，更好地掌握课程的重要内容，所以如何更好地提高实验教学效果显得尤为重要。

本文重点介绍NAO机器人在课程实验环节的应用。首先介绍NAO机器人的基本特点；然后描述NAO机器人实验内容；最后总结NAO机器人实验达到的教学效果。

2.NAO机器人简介

NAO机器人拥有25个自由度，动作灵活，如图1所示。NAO机器人拥有开放式编程构架，使分布式软件模块可以在一起协调运行。NAO机器人提供了一个全开放的实验平台，可以从声音识别、图像处理、动作规划、步态控制等方面进行实验研究，可以让学生从运动控制的各个方面进行更为深入的理解和学习。

3.NAO机器人实验

针对运动控制的主要内容，本课程设计了8个学时的课内实验。由于学生是第一次接触NAO机器人，所以首先利用2个学时对NAO机器人进行一次系统的介绍，让学生对该机器人有基本的了解。然后从语音识别、动作规划、图像功能三个方面分别进行2个学时的实验学习。

①语音识别实验。掌握利用浏览器登陆机器人主页面，进行基本配置；掌握利用Choregraphe软件实现NAO机器人的基本语音编程。

②动作规划实验。掌握利用Choregraphe软件的时间轴指令盒，控制NAO机器人的动作和姿态；掌握利用Choregraphe软件的时间轴录像功能，进行动作规划。

③图像功能实验。利用Choregraphe软件，可以实现NaO机器人识别人脸的个数，然后利用机器人自带的摄像头实现拍照功能。

4.NAO机器人实验效果

实验前，在NAO机器人上安装一些基本的应用，比如对话，行走等等，可以和学生进行基本的互动，提高学生对课程实验的兴趣。

实验中，针对运动控制的不同知识点，分别安排了针对性的实验。学生在实验中除了要学习基本的NAO机器人软件操作外，更重要的是要根据已学的知识来完成实验内容。过程中除了自己查找资料外，还可以采用小组讨论的形式，加深了对运动控制的理解。

实验后，每位同学都需要根据自己实验的具体过程，撰写实验报告，一方面可以有效地理解实验目的以及实验要求，另一方面可以深入掌握实验内容。

5.总结

运动控制作为现代工业自动化发展中的重要一环，得到了十分广泛的应用。本文分析了《运动控制概论》课程的重要性，以及探索实验效果改进的必要性。通过NAO机器人实验对象的引入，显著地提高了学生的学习积极性；使学生在实验过程中深入掌握课程重要内容的同时，锻炼了独立思考以及动手实践的能力；进一步可以为以后的工作实践打下良好的基础。NAO机器人在实验环节的引入，极大提高了课程的整体教学效果。

参考文献：

[1]班华， 李长友. 运动控制系统[M]. 电子工业出版社， 2012.

[2]王永林. 运动控制课程教学改革研究 [J]. 中国教育技术装备， 2012（30）.

[3]韦忠海. 运动控制系统课程实验教学改革探究[J]. 科教导刊（上旬刊）， 2013（7）.

运动控制器篇6

“到2012年底，用于手机的各类MEMS的全球收入将增至13亿美元，与2007年的2.9亿美元相比大幅增长，” iSuppli的MEMS董事兼首席分析师Jérémie Bouchaud 表示：“这种增长的主要驱动力是由于消费者对移动设备的先进的用户界面的需求，如触摸屏和方向检测，因此在便携式电子产品中广泛安装了加速计。 ”

飞思卡尔半导体在经过验证的微机电系统（MEMS）技术的基础上，日前推出一款高度先进的低功率传感器，这是专为手持便携式电子设备提供的技术。三轴MMA7660FC加速计让用户通过敲击、震动或翻转的方式下达指令，改进了手机、小家电和游戏的用户界面。该器件还包括智能电源管理功能，有助于延长电池寿命。

飞思卡尔的经济高效的低功耗加速计集成了众多智能的运动功能，如方向、震动和敲击检测，可在紧凑的3mm × 3mm × 0.9mm封装中进行唤醒/休眠检测。该MMA7660FC可以在六个方向（左、右、上、下、前、后）定制垂直/水平座向。除了精确的手动控制之外， MMA7660FC可通过一个I2C接口与主系统处理器直接通信，实现通信的简便性和灵活性。

MMA7660FC加速计旨在达到比当前市场已有的解决方案长5倍的电池寿命， 实现连续运转。可配置的节能模式和一个电源选择功能可通过在8种采样率中任意选择，帮助设计人员达到最佳的电流消耗。通过自动配置的自动唤醒/休眠功能，可降低系统级功耗，不受主处理器的干预或轮询干扰。MMA7660FC加速计以用户可配置的输出数据速率提供向数字值的转换，大幅节省电源电流和功率。

“随着消费者喜好的不断变化，在便携式电子设备中采用先进的加速技术已从奢侈演变成为必须 ” 飞思卡尔副总裁兼传感器与制动器解决方案部总经理Demetre Kondylis说， “通过飞思卡尔的MMA7660FC加速计，便携式电子产品开发者现在可以将方向、撞击和震动检测集成到一个器件，同时延长电池寿命，被更广泛的消费者使用。 ”

MMA7660FC加速计的关键应用包括便携式消费设备如手机、PDA和数码相机。其他应用还包括电脑和外设的冲击检测和运动控制、医疗和体育应用的活动监测，游戏和玩具的方向和自由落体检测。

特性包括：

带有I2C的±1.5g三轴数字加速计

小尺寸3mm×3mm× 0.9mmDFN封装

低功耗

关闭模式： 0.4μA

待机模式： 2μA

主动模式： 47μA，每秒采样一次

可配置数据输出速率：1-120次采样/秒

可为低功耗配置自动唤醒/休眠功能

为垂直/水平功能配置方向检测

六向：左、右，上、下、前、后

动作检测，包括震动和敲击检测

可靠的设计、高抗震性（承受可达10,000g的冲击）

开发支持、价格和供货情况

MMA7660FC传感器现已上市，10,000件订货的建议零售单价是1.39美元。

为了缩短开发周期，飞思卡尔提供的RD3803MMA7660FC 是一个全面的工具包，包括评估板和子板、电脑应用和相应的关联设备。该工具包的建议零售价为119美元。对于原型开发阶段的客户，子板也可单独作为KIT3803MMA7660FC，其建议零售价为35美元。

飞思卡尔是一家领先的高容量传感器供应商，具有广泛的加速计、压力和接近触摸传感器产品系列。随着近30年基于MEMS传感器的创新，飞思卡尔将其大量高质量的汽车应用传感器生产经验，用于不断满足日益增长的消费和工业市场需要。欲了解更多信息，请访问/sensors.

新闻

飞思卡尔用先进的智能计量技术助力MeteringChina大会

嵌入式领导者展示五款综合计量平台，为智能电网应用提供广泛的半导体产品

为帮助促进全球电网的创新，飞思卡尔半导体在5月26至28日举办的MeteringChina大会暨展览会上展示了公司的最新智能计量平台。

飞思卡尔展示了各种智能计量技术，如经济高效的电表、基于电力线调制解调器（PLM）的自动抄表（AMR）、以及基于ZigBee Smart Energy技术的无线AMR解决方案。飞思卡尔系列产品的目标计量应用包括电力能耗测量、煤气、水和热能的气体或液体流量计、用户界面、通过电力线调制解调器的最后一英里通信（last-mile communications）以及家域网能量网关。

关思卡尔智能计量解决方案

运动控制器篇7

论文摘要：多轴伺服制瓶机控制系统，即全伺服制瓶机控制系统，是国内外行列式制瓶机控制领域的全新产品，是三金公司根据国内外玻璃瓶罐机械的发展趋势，以最佳性价比、最简单的结构、最方便的操作维护和可靠性为目标，用单片机、集成电路等元器件，从电路基础进行硬件设计和程序编制的百轴伺服控制系统。该系统的轴数、曲线、功能可选择和可灵活扩展，可以控制从单轴到140多个伺服轴机构的定时定位定曲线的协调同步运行。该系统控制的制瓶机，用伺服驱动机构取代高能耗的气动机械机构，用电子凸轮取代机械凸轮，用电子缓冲取代液压缓冲，达到全伺服制瓶机的低成本、低能耗、易操作、高性能、高效率，使制瓶机的供料、分料、接料、模子开关、扑气、吹气、翻瓶、取瓶、冷却、真空、拨瓶等整机数百个运动和动作全部自动化完成，实现低能耗环保的机器人制瓶。介绍三金公司研发的多轴伺服制瓶机控制系统的结构、功能、特性以及伺服控制在行列式制瓶机上应用所产生的效果。

论文关键词：全伺服制瓶机；制瓶机器人；环保节能

0前言

目前国内外玻璃瓶罐机械制造业生产的行列式制瓶机主要为气动和机械凸轮驱动的机器。制瓶过程是一系列的机构和阀门协调动作完成的，机器的动作主要是通过机械阀门或者电磁阀控制气路的通断，从而驱动机构和机械凸轮的运行，有些机构要使用液压缓冲才能稳定运行，有些机构的机械凸轮需要铰链油箱进行油浴。制瓶机上的能量转换首先是把电能经过空压机转换成压缩空气的压缩能，经过对压缩空气的净化处理，通过复杂的气管道输送到制瓶机上，再由气来驱动机构的动作。这种控制方式能源利用率太低，能耗高，噪音大，造成了严重的环境污染，动作稳定性差，结构复杂，运行机速低。开发节能型伺服机构制瓶机，是行业技术进步的需求，更是国家绿色环保和低碳经济的要求。

随着电子信息技术的飞速发展和伺服电机的普及应用，国内外的玻璃瓶罐机械行业相继研制出伺服钳瓶、伺服翻转等制瓶机上的部分伺服机构，取代了老式的气动机构和机械凸轮。这些伺服电动机构驱动的制瓶机具有运行稳定、能耗低、噪音小、污染小、机速高等优点，深受用户欢迎。

近几年来，三金公司研制了全伺服制瓶机控制系统，研制了基于该系统控制的单轴拨瓶器、单轴伺服分料器、双轴伺服供料机、双轴电子拨瓶器、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器的行列式制瓶机，并大批量推向市场，创新研发了配置双轴伺服供料机、双轴电子拨瓶器、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、初型模及成型模伺服平行开关机构、伺服扑气、伺服正吹气等的全伺服制瓶机的一组样机。本文简介多轴伺服制瓶机控制系统的结构特点及其功能原理。

1技术要求

根据国内外玻璃瓶罐行业的现状，要使更多的伺服机构应用于行列式制瓶机，简单而可靠的多轴伺服控制是关键技术。综合分析瓶罐行业的工艺要求的特殊性和自动化行业多轴运动控制的现状，行列式制瓶机上的伺服控制系统要解决如下一系列问题。

1．1结构复杂问题

多轴运动控制最直接可选的方案是“PLC主模块”+“若干个运动控制模块”十“数块I／0模块”+“通讯模块”+“上位工控机”。12组行列式制瓶机的全伺服控制最少需要135个轴，这就需要庞大的控制结构，需要12～20个控制柜才能完成。所以设计制瓶机的伺服控制系统，首先是要解决结构复杂的问题。

1．2性价比问题

伺服系统的价格主要决定于伺服控制和伺服电机驱动器，要选用“PLC主模块”+“若干个运动控制模块”+“数块I／O模块”+“通讯模块”+“上位工控机”的结构，制瓶机每个伺服轴的控制和伺服电机驱动器要5～10万元，每台8组带伺服翻转和伺服钳瓶的2轴伺服制瓶机，单是伺服控制就要增加80～160万元的成本，用户很难接受，并且结构复杂，维护困难。所以制瓶机伺服控制系统要在中国普及应用，必须解决性价比问题。

1．3维护操作方便性问题

伺服制瓶机控制系统，从每组单轴到每组十几个伺服轴的控制，整机100～140轴，每个轴要调整初始位置、行程、运行曲线，每个轴要在各种状态下安全顺利自动定位启动，这也是应该重点考虑的问题。当前国内外的伺服钳瓶和伺服翻转控制系统，普遍存在操作复杂的问题。有的系统启动不能自动定位，要用手动辅助找位；有的系统停电后再启动，需要用便携终端重新调整定位；调整定位值需要到控制室中进行，给用户带来了诸多不便，这都是需要解决的问题。

1.4伺服轴数和功能可扩展性问题

伺服控制系统的设计要有可扩展性，可以配置到不同轴数的各式制瓶机上，而不是一种配置用一种系统。能控制每组制瓶机1个伺服轴，也能控制每组制瓶机十几个伺服轴，实现从单轴到全伺服制瓶机的控制。

1.5启动/停机方便迅速

伺服轴的启动与生产线总启动信号同步从安全位置自动启动，停机时跟随生产线同步停机，停在设定位置，紧急停机停在安全位置，单轴人为停机停在需要位置。

2解决方案

为解决上述问题，三金公司研制了“行列式制瓶机多轴伺服控制系统”的解决方案。

2．1系统的结构

紧密结合制瓶机特殊工艺要求研发的单板4轴伺服运动控制、特殊曲线生成及功能控制于一板(尺寸为150III1TI×200mm)的MCU运动控制器，一块小板可以实现4个轴的可灵活编程定时定位定曲线的运动控制、4个轴的I／0工艺功能控制、通讯和数据处理功能，实现在机器旁边用2个按钮可以调整每个伺服轴的初位和末位的位置、确定行程、运行中调整行程以及启动一键定位等国内外相近产品所没有的独特功能。

多块MCU运动控制器固定到同一块底板上，通过底板连接驱动器、系统同步信号、现场I／0信号及上位机的通讯线，就形成了几十轴的伺服运动控制和凸轮曲线生成器单元，一个2000mmx750mE×750mlll的控制柜可以安装32～40个伺服轴控制的伺服电机驱动器和相应的MCU伺服控制单元，同样的用3～4个控制柜可以扩展成140多个伺服轴的控制器，实现12组大型制瓶机的全伺服驱动和全自动控制(取代国外相近产品的12～20个控制柜)，制瓶机的工作参数在上位机用户界面上修改，上位机友好的用户界面与生产线上的其它系统公用，修改的数据按照地址和数据分类发送到相应的M．CU运动控制器板。

此外，本系统按结构简单、操作直观、易懂的设计理念，把机器上每个伺服轴的2个按钮1个开关定义了复用功能，可以用按钮一键定位、按钮调整初始位、按钮调整行程(并且区分粗调、细调、到位缓冲调整)、运行中微调行程、按钮清报警等便于现场操作的先进功能。无论是停电后还是停机后，位置自动记忆，开关一键定位，或者随生产线系统启动而自动定位启动进入同步运行。所驱动的所有伺服机构采用普通伺服电机和驱动器，实现最佳性价比。程序设计实现伺服机构的运行时间随生产线的速度变化而自动变化。全方位达到结构更简单，性价比更优，操作更方便。

图1是多轴伺服制瓶机控制系统结构示意图。图中Pc是上位计算机，PN是控制柜，KC是初型侧控制盘，LCPN是成型侧控制盘，TKM1～TKM12是1～12组伺服钳移器电机，IVM1～IVM12是1～l2组伺服翻转器电机，OPBM1～OPBMI2是1～12组伺服初型模平行开关电机，0PPM1～0PPM12是1～12组伺服成型模平行开关电机，PM1～PMI2和RM1～RM12是双轴伺服拨瓶器电机。其它伺服机构的控制结构与此同，由另外一个控制柜实现，公用上位计算机。

2．2系统的控制原理

转贴于

图2是多轴伺服制瓶机控制系统的控制原理示意图。图中以其中的一块运动控制器板为例，描述了伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、双轴拨瓶器的控制原理。图中Pc是上位计算机，MC是自制的4轴一体运动控制器板，KC是控制盘，Pl、M1和SVM1是伺服运动钳移器的伺服驱动器、伺服电机及其所驱动的伺服机构，P2、M2和SVM2是伺服运动翻转器的伺服驱动器、伺服电机及其所驱动的伺服机构，P3、P4、M3、M4和SVM3是双轴拨瓶器的伺服或步进电机的伺服驱动器、伺服或步进电机及其所驱动的双轴拨瓶机构。

上位机Pc把用户设定的运动曲线及其运动配时数据下载到运动控制器MC中，运动控制器MC根据控制盘Kc上的用户命令和系统同步信号TB的要求，实时向伺服驱动器发送控制信号和运动曲线脉冲信号(或者是曲线命令数据)，伺服驱动器Pi根据输入命令驱动伺服电机运行，运行位置通过电机轴头上的编码器反馈控制，达到位置的跟踪定位。伺服电机带动伺服机构运行，实现每个伺服机构的点动、初始化、单步、间歇同步运行，运行符合制瓶机工艺要求的凸轮曲线和运动轨迹，达到准确动作，精确定位，协调同步。

图3是电子定时、伺服运动钳瓶器和双轴拨瓶器的制瓶机成型侧控制盘。相当于图1中的LCPN或者是图2中的KC，其中的右数第5、6、7三个开关按钮是伺服运动钳瓶器的“手动／零位／自动”控制开关和JOG按钮，这3个开关按钮的配合，可以实现放瓶位置调整、取瓶位置调整、自动初始化定位、运行中行程微调等功能。其中右数第8个按钮是双轴拨瓶启动/停止按钮，控制双轴拨瓶器的启动和停止。

图4是电子定时、伺服运动翻转器的制瓶机初型侧控制盘。相当于图1中和图2中的KC，其中左边3个开关按钮是伺服运动翻转器的“手动／零位／自动”控制开关和JOG按钮，这3个开关按钮的配合，可以实现翻转和返回位置调整、自动初始化定位、运行中行程微调等功能。

2．3预期效果

多轴伺服制瓶机智能控制系统有效实现制瓶机伺服多轴控制的可扩展性、可选配性，适合配置到所有的国产和进口制瓶机上。根据用户对制瓶机配置伺服轴多少的要求，可以控制1～140个伺服轴，直到全伺服制瓶机——“制瓶机器人”的控制，达到大型12组制瓶机的全部机构伺服化控制。现在用该系统在单轴拨瓶器、单轴伺服分料器、双轴伺服供料机、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、伺服双轴拨瓶器、双轴伺服初型模开关、双轴伺服成型模开关、伺服扑气头、伺服吹气头、伺服芯子等达到每组制瓶机十几个伺服轴的制瓶机机器人控制。

本系统所控制的单轴拨瓶器、单轴伺服分料器、双轴伺服供料机、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、伺服双轴拔瓶器成功应用到各式制瓶机上投入运行，深受用户欢迎，创造了很好的经济效益和社会效益。根据市场发展趋势和国家低碳经济的要求，三金公司开发并试制了基于“多轴伺服制瓶机智能控制系统”控制的制瓶机器人(全伺服制瓶机)一组样机，并在“2010年中国国际玻璃工业展览会”上展出，这标志着玻璃瓶罐生产装备迈向了低能耗伺服驱动的全伺服制瓶机时代。

2．4主要技术性能

(1)实现每组制瓶机十几个伺服轴，整机140多轴的协调同步、定时定位定曲线控制。

(2)实现每32—40轴的智能运动控制和伺服驱动器集成一体化结构。

(3)所有伺服机构现场操作一键定位。

(4)所有伺服机构现场按纽修改零位偏移和运动行程。

(5)所有伺服机构现场运行中微调行程。

(6)所有伺服机构现场位置粗调和细调、按钮单步运行、按钮手动调试、按钮清报警等功能。

(7)伺服机构到位的电子缓冲量调整。

(8)定位精度1／23000，定时精度0．1度。

(9)基于标准度数的电子凸轮曲线生成和电子凸轮运行，达到每个轴“从设定时间开始运行特定曲线，在设定时间运行到设定位置”的高难度控制指标。

(10)与制瓶机生产线的其它系统信号共享，启动／停机／故障保护连锁控制。

运动控制器篇8

论文关键词：全伺服制瓶机；制瓶机器人；环保节能

0前言

目前国内外玻璃瓶罐机械制造业生产的行列式制瓶机主要为气动和机械凸轮驱动的机器。制瓶过程是一系列的机构和阀门协调动作完成的，机器的动作主要是通过机械阀门或者电磁阀控制气路的通断，从而驱动机构和机械凸轮的运行，有些机构要使用液压缓冲才能稳定运行，有些机构的机械凸轮需要铰链油箱进行油浴。制瓶机上的能量转换首先是把电能经过空压机转换成压缩空气的压缩能，经过对压缩空气的净化处理，通过复杂的气管道输送到制瓶机上，再由气来驱动机构的动作。这种控制方式能源利用率太低，能耗高，噪音大，造成了严重的环境污染，动作稳定性差，结构复杂，运行机速低。开发节能型伺服机构制瓶机，是行业技术进步的需求，更是国家绿色环保和低碳经济的要求。

随着电子信息技术的飞速发展和伺服电机的普及应用，国内外的玻璃瓶罐机械行业相继研制出伺服钳瓶、伺服翻转等制瓶机上的部分伺服机构，取代了老式的气动机构和机械凸轮。这些伺服电动机构驱动的制瓶机具有运行稳定、能耗低、噪音小、污染小、机速高等优点，深受用户欢迎。

近几年来，三金公司研制了全伺服制瓶机控制系统，研制了基于该系统控制的单轴拨瓶器、单轴伺服分料器、双轴伺服供料机、双轴电子拨瓶器、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器的行列式制瓶机，并大批量推向市场，创新研发了配置双轴伺服供料机、双轴电子拨瓶器、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、初型模及成型模伺服平行开关机构、伺服扑气、伺服正吹气等的全伺服制瓶机的一组样机。本文简介多轴伺服制瓶机控制系统的结构特点及其功能原理。

1技术要求

根据国内外玻璃瓶罐行业的现状，要使更多的伺服机构应用于行列式制瓶机，简单而可靠的多轴伺服控制是关键技术。综合分析瓶罐行业的工艺要求的特殊性和自动化行业多轴运动控制的现状，行列式制瓶机上的伺服控制系统要解决如下一系列问题。

1．1结构复杂问题

多轴运动控制最直接可选的方案是“PLC主模块”+“若干个运动控制模块”十“数块I／0模块”+“通讯模块”+“上位工控机”。12组行列式制瓶机的全伺服控制最少需要135个轴，这就需要庞大的控制结构，需要12～20个控制柜才能完成。所以设计制瓶机的伺服控制系统，首先是要解决结构复杂的问题。

1．2性价比问题

伺服系统的价格主要决定于伺服控制和伺服电机驱动器，要选用“PLC主模块”+“若干个运动控制模块”+“数块I／O模块”+“通讯模块”+“上位工控机”的结构，制瓶机每个伺服轴的控制和伺服电机驱动器要5～10万元，每台8组带伺服翻转和伺服钳瓶的2轴伺服制瓶机，单是伺服控制就要增加80～160万元的成本，用户很难接受，并且结构复杂，维护困难。所以制瓶机伺服控制系统要在中国普及应用，必须解决性价比问题。

1．3维护操作方便性问题

伺服制瓶机控制系统，从每组单轴到每组十几个伺服轴的控制，整机100～140轴，每个轴要调整初始位置、行程、运行曲线，每个轴要在各种状态下安全顺利自动定位启动，这也是应该重点考虑的问题。当前国内外的伺服钳瓶和伺服翻转控制系统，普遍存在操作复杂的问题。有的系统启动不能自动定位，要用手动辅助找位；有的系统停电后再启动，需要用便携终端重新调整定位；调整定位值需要到控制室中进行，给用户带来了诸多不便，这都是需要解决的问题。

1.4伺服轴数和功能可扩展性问题

伺服控制系统的设计要有可扩展性，可以配置到不同轴数的各式制瓶机上，而不是一种配置用一种系统。能控制每组制瓶机1个伺服轴，也能控制每组制瓶机十几个伺服轴，实现从单轴到全伺服制瓶机的控制。

1.5启动/停机方便迅速

伺服轴的启动与生产线总启动信号同步从安全位置自动启动，停机时跟随生产线同步停机，停在设定位置，紧急停机停在安全位置，单轴人为停机停在需要位置。

2解决方案

为解决上述问题，三金公司研制了“行列式制瓶机多轴伺服控制系统”的解决方案。

2．1系统的结构

紧密结合制瓶机特殊工艺要求研发的单板4轴伺服运动控制、特殊曲线生成及功能控制于一板(尺寸为150III1TI×200mm)的MCU运动控制器，一块小板可以实现4个轴的可灵活编程定时定位定曲线的运动控制、4个轴的I／0工艺功能控制、通讯和数据处理功能，实现在机器旁边用2个按钮可以调整每个伺服轴的初位和末位的位置、确定行程、运行中调整行程以及启动一键定位等国内外相近产品所没有的独特功能。

多块MCU运动控制器固定到同一块底板上，通过底板连接驱动器、系统同步信号、现场I／0信号及上位机的通讯线，就形成了几十轴的伺服运动控制和凸轮曲线生成器单元，一个2000mmx750mE×750mlll的控制柜可以安装32～40个伺服轴控制的伺服电机驱动器和相应的MCU伺服控制单元，同样的用3～4个控制柜可以扩展成140多个伺服轴的控制器，实现12组大型制瓶机的全伺服驱动和全自动控制(取代国外相近产品的12～20个控制柜)，制瓶机的工作参数在上位机用户界面上修改，上位机友好的用户界面与生产线上的其它系统公用，修改的数据按照地址和数据分类发送到相应的M．CU运动控制器板。

此外，本系统按结构简单、操作直观、易懂的设计理念，把机器上每个伺服轴的2个按钮1个开关定义了复用功能，可以用按钮一键定位、按钮调整初始位、按钮调整行程(并且区分粗调、细调、到位缓冲调整)、运行中微调行程、按钮清报警等便于现场操作的先进功能。无论是停电后还是停机后，位置自动记忆，开关一键定位，或者随生产线系统启动而自动定位启动进入同步运行。所驱动的所有伺服机构采用普通伺服电机和驱动器，实现最佳性价比。程序设计实现伺服机构的运行时间随生产线的速度变化而自动变化。全方位达到结构更简单，性价比更优，操作更方便。

图1是多轴伺服制瓶机控制系统结构示意图。图中Pc是上位计算机，PN是控制柜，KC是初型侧控制盘，LCPN是成型侧控制盘，TKM1～TKM12是1～12组伺服钳移器电机，IVM1～IVM12是1～l2组伺服翻转器电机，OPBM1～OPBMI2是1～12组伺服初型模平行开关电机，0PPM1～0PPM12是1～12组伺服成型模平行开关电机，PM1～PMI2和RM1～RM12是双轴伺服拨瓶器电机。其它伺服机构的控制结构与此同，由另外一个控制柜实现，公用上位计算机。

2．2系统的控制原理

图2是多轴伺服制瓶机控制系统的控制原理示意图。图中以其中的一块运动控制器板为例，描述了伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、双轴拨瓶器的控制原理。图中Pc是上位计算机，MC是自制的4轴一体运动控制器板，KC是控制盘，Pl、M1和SVM1是伺服运动钳移器的伺服驱动器、伺服电机及其所驱动的伺服机构，P2、M2和SVM2是伺服运动翻转器的伺服驱动器、伺服电机及其所驱动的伺服机构，P3、P4、M3、M4和SVM3是双轴拨瓶器的伺服或步进电机的伺服驱动器、伺服或步进电机及其所驱动的双轴拨瓶机构。

上位机Pc把用户设定的运动曲线及其运动配时数据下载到运动控制器MC中，运动控制器MC根据控制盘Kc上的用户命令和系统同步信号TB的要求，实时向伺服驱动器发送控制信号和运动曲线脉冲信号(或者是曲线命令数据)，伺服驱动器Pi根据输入命令驱动伺服电机运行，运行位置通过电机轴头上的编码器反馈控制，达到位置的跟踪定位。伺服电机带动伺服机构运行，实现每个伺服机构的点动、初始化、单步、间歇同步运行，运行符合制瓶机工艺要求的凸轮曲线和运动轨迹，达到准确动作，精确定位，协调同步。

图3是电子定时、伺服运动钳瓶器和双轴拨瓶器的制瓶机成型侧控制盘。相当于图1中的LCPN或者是图2中的KC，其中的右数第5、6、7三个开关按钮是伺服运动钳瓶器的“手动／零位／自动”控制开关和JOG按钮，这3个开关按钮的配合，可以实现放瓶位置调整、取瓶位置调整、自动初始化定位、运行中行程微调等功能。其中右数第8个按钮是双轴拨瓶启动/停止按钮，控制双轴拨瓶器的启动和停止。

图4是电子定时、伺服运动翻转器的制瓶机初型侧控制盘。相当于图1中和图2中的KC，其中左边3个开关按钮是伺服运动翻转器的“手动／零位／自动”控制开关和JOG按钮，这3个开关按钮的配合，可以实现翻转和返回位置调整、自动初始化定位、运行中行程微调等功能。

2．3预期效果

多轴伺服制瓶机智能控制系统有效实现制瓶机伺服多轴控制的可扩展性、可选配性，适合配置到所有的国产和进口制瓶机上。根据用户对制瓶机配置伺服轴多少的要求，可以控制1～140个伺服轴，直到全伺服制瓶机——“制瓶机器人”的控制，达到大型12组制瓶机的全部机构伺服化控制。现在用该系统在单轴拨瓶器、单轴伺服分料器、双轴伺服供料机、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、伺服双轴拨瓶器、双轴伺服初型模开关、双轴伺服成型模开关、伺服扑气头、伺服吹气头、伺服芯子等达到每组制瓶机十几个伺服轴的制瓶机机器人控制。

本系统所控制的单轴拨瓶器、单轴伺服分料器、双轴伺服供料机、伺服运动钳移器、伺服运动翻转器、伺服双轴拔瓶器成功应用到各式制瓶机上投入运行，深受用户欢迎，创造了很好的经济效益和社会效益。根据市场发展趋势和国家低碳经济的要求，三金公司开发并试制了基于“多轴伺服制瓶机智能控制系统”控制的制瓶机器人(全伺服制瓶机)一组样机，并在“2010年中国国际玻璃工业展览会”上展出，这标志着玻璃瓶罐生产装备迈向了低能耗伺服驱动的全伺服制瓶机时代。

2．4主要技术性能

(1)实现每组制瓶机十几个伺服轴，整机140多轴的协调同步、定时定位定曲线控制。

(2)实现每32—40轴的智能运动控制和伺服驱动器集成一体化结构。

(3)所有伺服机构现场操作一键定位。

(4)所有伺服机构现场按纽修改零位偏移和运动行程。

(5)所有伺服机构现场运行中微调行程。

(6)所有伺服机构现场位置粗调和细调、按钮单步运行、按钮手动调试、按钮清报警等功能。

(7)伺服机构到位的电子缓冲量调整。

(8)定位精度1／23000，定时精度0．1度。

(9)基于标准度数的电子凸轮曲线生成和电子凸轮运行，达到每个轴“从设定时间开始运行特定曲线，在设定时间运行到设定位置”的高难度控制指标。

运动控制器篇9

关键词：恒压供水 变频调速 变频器 PLC

一、系统总体方案的设计

1.供水控制系统的结构

供水控制系统的设计主要包括两方面：一方面是机械结构的设计；另一方面是PLC和变频器电气控制方面的设计。

（1）主要组成部分。①压力传感器：作为系统的控制输入量，能否准确采集该信号决定控制系统的精度及可靠性。②控制器：是整个控制系统的核心，通过对外界输入状态进行检测，输出控制量；对外界输入的数据进行运算处理后，输出相应的控制量。例如单片机、可编程逻辑控制器、计算机等。本系统采用西门子的SIMATIC S7-200系列。CPU226具有24个输入点和16个输出点，共40个I/O点。③变频器：作为核心控制器的后续控制单元，对终端设备进行控制，最终达到控制要求。本系统主要采用全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专用MM430型变频器。功率范围7.5kW至250kW。具有高度可靠性和灵活性。④水泵：供水系统的执行机构，通过变频器控制电动机的转速，最后达到控制水泵流量大小的要求。

（2）电气控制系统。电气控制系统主要包括操作面板、电气控制柜等单元。在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入，然后根据设定的程序进行数据处理，供水系统的监控主要包括水泵的自动启停控制、供水压力的测量与调节、系统水处理设备运转的监视及控制、故障及异常状况的报警等。电气控制系统安装在电气控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。

2.恒压供水系统的工作原理

变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。

二、恒压供水系统电路设计

1.恒压供水系统主电路设计

系统包括Ml、M2、M3三台水泵电动机，功率分别为45kW、22kW、22kW。该系统为一台变频器依次控制每台水泵实现恒压控制，具有变频和工频两种运行状态。其中接触器KM2、KM4、KM6分别控制Ml、M2、M3变频运行，KMl、KM3、KM5分别控制Ml、M2、M3工频运行，FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电动机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3和QS4分别为变频器和三台泵电动机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器；变频器是风机水泵负载专用变频器MM430。

2.恒压供水系统控制电路设计

控制电路的设计包括继电控制电路及PLC控制电路。继电控制电路图设计SA为手动/自动转换开关，SA拨在1的位置为手动控制状态，拨在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1～SB8控制三台泵的启/停和电磁阀YV2的通/断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。其中接触器KM2、KM4、KM6分别控制Ml、M2、M3变频运行，KMl、KM3、KM5分别控制Ml、M2、M3工频运行。HL1～HL6为指示灯，其中HLl、HL3和HL5分别指示Ml～M3的工频运行，HL2、HL4、HL6分别指示Ml～M3的变频运行。HL7、HL8分别水位的上下限指示灯，KA为报警电铃。KA1为生活消防转换接触器。HL9为自动运行状态电源指示灯。HL10为报警指示灯。KA2为变频器复位接触器。

三、其他辅助设备的选用和系统电路的设计

运动控制器篇10

[关键词]独立驱动运梁车控制系统；工控机；总线通讯；控制器

MBEC900运梁车是由武桥重工股份有限公司自主研制并成功投入使用的运梁设备。运梁车净重281t。总长38.1m。总宽度6.837m。满载爬坡能力5％。轴数16轴。每轴轮胎数4个。其最大运输能力900t。空载运行速度10km／h。满载运行速度5km／h。最大行走转向角±30°。转向方式5种(全轮转向、斜行、前轴固定转向、后轴固定转向、驻车转向)。可以自动转向(在走行路线上有一条参考标志线)。走行方式5种(空载平、空载坡、满载平、满载坡、慢行)。动力采用两台(2×412kw=-824kw)康明斯柴油机。控制系统电压24V，发动机数量2个(28.5V～100A)。2组电池(24V145A)。运梁车安装有2个司机室，方便施工操作。

一、电源及照明系统电源介绍

运梁车发动机房安装两台康明斯柴油机。两台发动机除了为整车液压系统提供动力，以完成转向、走行等动作外，还各带有一台输出电压28v、电流为100A的直流发电机。柴油机运转过程中，发电机发电，不断给2组24V电池充电，以保证电量充足。还分别提供照明系统与控制系统电源，满足了整个系统的正常工作。柴油机停止工作时，由2组电池临时供电。

二、控制系统机构

运梁车控制系统采用运梁车控制系统采用“上位机(工控机)――总线通讯(CANbus)――下位机(控制器)”的多级计算机结构。工控机采集操作指令，对整个系统的信号进行集中处理。在主液压站及34个轮组等设备组件处设置的35套控制器作为现场控制单元，现场控制单元通过CANbus总线与上位机进行数据通讯，接受主控计算机的控制指令，控制现场执行机构(如电磁阀)完成相应动作。现场控制器同时采集现场数据，通过CANbus总线传回主控计算机，由工控机完成对设备状态的监控，并在检测到危险状态时自动实施对设备的安全保护。

三、驾驶室控制

在1号驾驶室与2号驾驶室分别装有两台工控机(工业控制计算机)，两台工控机通过中间继电器进行互锁，一个驾驶室操作时另一个驾驶室操作无效。工控机主要采集开关量操作信号、模拟操作信号。输出信号指示。开关量输入操作信号主要有防疲劳应答按钮、准备动作开关、转向复位开关、手动／自动切换开关、5种转向模式选择开关、左转向选择限位、右转向选择限位、5种走行模式选择开关、走行方向选择开关、2个选键按钮、4个悬挂升降、支顶与悬挂选择开关、拖拉小车开关共31个开关输入量。模拟输入操作信号有走行信号与转向信号，2个模拟量信号。输出信号指示有故障报警、主机辅机指示、准备动作指示共4个输出信号。工控机采集卡PM516拥有16个TTL开关量输入、16个TTL开关量输出、16个模拟输入。由于开关输入量信号共有31个，无法直接采集，开关输入量信号通过一个外部自制接口卡连接到采集，在通过采集卡采集到工控机。2个模拟量信号通过采集卡直接采集到工控机。4个输出信号经过采集卡到自制接口卡输出信号。采集信号经工控机处理后通过CANbus总线直接传输到控制器。

四、现场控制

运梁车共有35个BML／CS051型CAN总线控制器。分别安装在34个轮组及发动机房。BML／CS051型CAN总线控制器是由武桥重工股份有限公司自动化公司自主研发，具有自主知识产权并申请专利(实用新型专利号200720088198)的产品。BML／C8051型CAN总线控制器拥有22个开关量输入口、7个模拟量输入口、2个脉冲速度检测口、6个PWM(脉宽调制)输出口、6个开关量输出口、1个CANbus总线接口。35个BML／C8051型CAN总线控制器及位于车体首尾驾驶室内的两台工业控制计算机组成，共37个节点。各节点之间以屏蔽双绞通讯电缆相连，组成一个总长度近100米的环形网络。工控机通过CANbus总线将指令代码传输到控制器，控制器接收到工控机指令后执行相应的动作，并将执行情况通过CANbus总线反馈给工控机。

(一)转向操作

MBEC900运梁车为独立转向(如图所示)，共有5种转向模式(全轮转向、后轴固定转向、前轴固定转向、斜行、驻车转向)，转向最大角度为=±30°。为保证转向精度，转向控制编码器采用13位(单圈分辨率为213=8192，约每度23字)绝对值编码器。正方向(零位)时编码器定为4000字。控制器收到右转向指令时，输出相应轮组转向控制信号，编码器输出值增加(+30°对应为4683字)。左转向时则编码器输出值减少(-30°对应为3317字)。工控机通过CANbus总线向每个控制器发出不同的转向模式、转向方向及转向角度指令。控制器根据各自的控制指令输出PWM信号到驱动器，驱动器直接驱动相应的轮组的比例电磁阀，比例电磁阀由慢到快再由快到慢动作，完成转向动作。完成动作后，控制器将转向编码器的实际值反馈给工控机，工控机把反馈值转换为角度显示在监视屏上，方便驾驶人员随时监控动作情况。

(二)走行操作

MBEC900运梁车司机室设有走行模式选择开关，走行方向操作开关，准备动作开关及走行脚踏板。司机通过开关确定需要的走行模式，确定走行方向，打开准备动作及走行。