基于工控機與運動控制卡的機器人運動控制系統

[摘 要] 工控機（IPC）和運動控制卡組成的開放式機器人控制系統，具有可靠性高、信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡準確等優點，工控機（IPC）實現上位機功能，完成人機交互、運動學運算等任務。下位機采用PMAC運動控制卡，對各關節電機進行伺服控制。上位機基于Visual C++編程，通過調用PMAC的動態鏈接庫編寫上位機人機界面實現對PMAC卡的控制，另外介紹了伺服驅動器的設置以及PMAC的PID調節。實踐證明這套系統工作可靠，完全滿足要求。

[關 鍵 詞] 機器人；運動控制；IPC；PMAC；VC++；PID

[中圖分類號] TP242 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）35-0095-01

六自由度串聯機器人是機器人領域最常用的一種自動化裝置，被廣泛應用在工業制造、醫學治療、軍事以及太空探索等方面，它能夠在一定范圍內取代人力勞動甚至來完成一些人工無法完成的任務[1]。機器人控制系統是機器人的核心部分，是整個裝置的“大腦”，通過伺服驅動器來驅動各個關節電機運轉，完成機械手的工作過程。本機器人控制系統中，采用分級控制的方式，上位機由工業控制計算機（IPC）負責信息處理、路徑規劃、人機界面，下位機由PMAC運動控制卡實現多軸伺服控制[2]。利用Visual C++語言，編寫六自由度串聯機器人的控制軟件，最終實現機器臂的運動及對目標的抓取。

一、機器人控制系統的構成

當前機器人的發展趨勢就是“開放式、模塊化、標準化”，開放式機器人系統是指機器人系統對用戶開放，用戶可以根據自己的需求來設置甚至拓展其性能。這就要求機器人系統采用標準的系統（如Windows）和標準的開發語言（如C++），采用標準的總線結構，這樣才可以改變傳統專用機器人語言并存并且相互之間不兼容的情況。模塊化的設計是將機器人分為上位機交互模塊和下位機運動模塊[1]。

本機器人控制系統的主控計算機采用研華公司生產的610H工控機，具有環境適應能力強、信息處理速度快等優點。Clipper是一款功能齊全、結構緊湊的高性價比多軸運動控制器，帶有Ethernet及RS232通訊接口及內置I/O，通過疊加Acc-1P擴展卡最多可實現12軸的伺服控制[3]。

二、伺服驅動器設置

森創MS系列伺服驅動器以32位數字處理芯片（DSP）作為核心控制，采用了先進的全數字電機控制算法，實現了電流環、速度環、位置環的閉環伺服控制。森創伺服驅動器支持多種運行模式：手動（JOG）運行、內部速度運行、外部速度運行、位置方式運行以及轉矩方式運行。在本機構中，伺服驅動器是采用外部速度給定方式（F00=0），完成速度閉環。速度模式設定后需重新上電，與該模式相對應的參數主要有三個：F0c、外部輸入模擬速度指令的增益、取值范圍0至800。外部輸入模擬速度指令的偏移量，取值范圍為-500至+500。

三、PMAC的PID調節

PMAC提供了PID+速度/加速度前饋的控制環算法，利用PMAC提供的PmacTuningPro軟件進行本系統的PID參數整定調節。PMACTuningPro提供了PID自動整定功能AutoTuning，但在有負載的情況下，自整定并不一定能夠達到理想的狀態，仍需要手動整定伺服環參數[4]。PMAC通過設置每個電機的四個I變量來進行PID參數的調節，PID參數可以由計算或者實驗的方法得到，理論計算的方法有一定的缺陷，所以很多時候還是要利用實驗的方法進行現場整定。最常用的兩種信號源是階躍位置信號和拋物線速度信號，階躍響應主要是調節系統的PID參數，而拋物線響應主要是調節系統的動態特性，包括速度前饋和加速度前饋，通過多次試驗，取其最佳值[5]。

四、結論

運動控制技術是推動新的技術革命和新的產業革命的關鍵技術。運動控制技術能夠快速發展有兩大主因：其一是得益于計算機、高速數字處理器（DSP）、自動控制、網絡技術的發展；其二是有龐大的市場需求。基于網絡的開放式結構和嵌入式結構的通用運動控制器逐步成為自動化控制領域里的主導產品之一。運動控制器產品今后的發展基本上沿著上述兩個方向走，但是專業化、個性化的運動控制器將是一個新的發展方向。

參考文獻：

[1]門昌華，關學鋒，胡明，等.基于PMAC的六自由度機器人開放式控制系統開發[J].機電產品開發與創新，2008，21（4）：4-5.

[2]劉蕾，唐為義，原所先.基于VC++與PMAC的機器人控制軟件的開發[J].微計算機信息，2008，24（5）：203-205.

[3]簡毅，李紅梅，陳桂芳.基于PC+PMAC的仿人機械臂控制系統的應用研究[J].輕工機械，2010，28（6）：73-76.

[4]郭波，鄒麗梅.基于Turbo PMAC Clipper的伺服系統PID參數整定方法[J].武夷學院學報，2012，31（2）：60-64.

[5]竇偉，趙新華，李振華.基于VC++與PMAC的機器人控制軟件的開發[J].天津理工大學學報，2010，26（3）：58-61.