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基于工控机和运动控制卡的机器人运动控制系统
［摘 要］工控机（IPC）和运动控制卡组成的开放式机器人控制系统,具有可靠性高、信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹准确等优点,工控机（IPC）实现上位机功能,完成人机交互、运动学运算等任务.下位机采用PMAC运动控制卡,对各关节电机进行伺服控制.上位机基于VisualC++编程,通过调用PMAC的动态链接库编写上位机人机界面实现对PMAC卡的控制,另外介绍了伺服驱动器的设置以及PMAC的PID调节.实践证明这套系统工作可靠,完全满足要求.
［关键词］机器人；运动控制；IPC；PMAC；VC++；PID
［中图分类号］TP242［文献标志码］A［文章编号］2096-0603（2016）35-0095-01
六自由度串联机器人是机器人领域最常用的一种自动化装置,被广泛应用在工业制造、医学治疗、军事以及太空探索等方面,它能够在一定范围内取代人力劳动甚至来完成一些人工无法完成的任务[1].机器人控制系统是机器人的核心部分,是整个装置的“大脑”,通过伺服驱动器来驱动各个关节电机运转,完成机械手的工作过程.本机器人控制系统中,采用分级控制的方式,上位机由工业控制计算机（IPC）负责信息处理、路径规划、人机界面,下位机由PMAC运动控制卡实现多轴伺服控制[2].利用VisualC++语言,编写六自由度串联机器人的控制软件,最终实现机器臂的运动及对目标的抓取.
一、机器人控制系统的构成
当前机器人的发展趋势就是“开放式、模块化、标准化”,开放式机器人系统是指机器人系统对用户开放,用户可以根据自己的需求来设置甚至拓展其性能.这就要求机器人系统采用标准的系统（如Windows）和标准的开发语言（如C++）,采用标准的总线结构,这样才可以改变传统专用机器人语言并存并且相互之间不兼容的情况.模块化的设计是将机器人分为上位机交互模块和下位机运动模块[1].
本机器人控制系统的主控计算机采用研华公司生产的610H工控机,具有环境适应能力强、信息处理速度快等优点.Clipper是一款功能齐全、结构紧凑的高性价比多轴运动控制器,带有Ethernet及RS232通讯接口及内置I/O,通过叠加Acc-1P扩展卡最多可实现12轴的伺服控制[3].
二、伺服驱动器设置
森创MS系列伺服驱动器以32位数字处理芯片（DSP）作为核心控制,采用了先进的全数字电机控制算法,实现了电流环、速度环、位置环的闭环伺服控制.森创伺服驱动器支持多种运行模式：手动（JOG）运行、内部速度运行、外部速度运行、位置方式运行以及转矩方式运行.在本机构中,伺服驱动器是采用外部速度给定方式（F00等于0）,完成速度闭环.速度模式设定后需重新上电,与该模式相对应的参数主要有三个：F0c、外部输入模拟速度指令的增益、取值范围0至800.外部输入模拟速度指令的偏移量,取值范围为-500至+500.
三、PMAC的PID调节
PMAC提供了PID+速度/加速度前馈的控制环算法,利用PMAC提供的PmacTuningPro软件进行本系统的PID参数整定调节.PMACTuningPro提供了PID自动整定功能AutoTuning,但在有负载的情况下,自整定并不一定能够达到理想的状态,仍需要手动整定伺服环参数[4].PMAC通过设置每个电机的四个I变量来进行PID参数的调节,PID参数可以由计算或者实验的方法得到,理论计算的方法有一定的缺陷,所以很多时候还是要利用实验的方法进行现场整定.最常用的两种信号源是阶跃位置信号和抛物线速度信号,阶跃响应主要是调节系统的PID参数,而抛物线响应主要是调节系统的动态特性,包括速度前馈和加速度前馈,通过多次试验,取其最佳值[5].
四、结论
运动控制技术是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术.运动控制技术能够快速发展有两大主因：其一是得益于计算机、高速数字处理器（DSP）、自动控制、网络技术的发展；其二是有庞大的市场需求.基于网络的开放式结构和嵌入式结构的通用运动控制器逐步成为自动化控制领域里的主导产品之一.运动控制器产品今后的发展基本上沿着上述两个方向走,但是专业化、个性化的运动控制器将是一个新的发展方向.
参考文献：
［1］门昌华,关学锋,胡明,等.基于PMAC的六自由度机器人开放式控制系统开发［J］.机电产品开发与创新,2008,21（4）：4-5.
［2］刘蕾,唐为义,原所先.基于VC++与PMAC的机器人控制软件的开发［J］.微计算机信息,2008,24（5）：203-205.
［3］简毅,李红梅,陈桂芳.基于PC+PMAC的仿人机械臂控制系统的应用研究［J］.轻工机械,2010,28（6）：73-76.
［4］郭波,邹丽梅.基于TurboPMACClipper的伺服系统PID参数整定方法［J］.武夷学院学报,2012,31（2）：60-64.
［5］窦伟,赵新华,李振华.基于VC++与PMAC的机器人控制软件的开发［J］.天津理工大学学报,2010,26（3）：58-61.
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