基于DSP的電動六自由度運動模擬器位置伺服控制策略

吳上泉

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

基于DSP的電動六自由度運動模擬器位置伺服控制策略

吳上泉

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

針對目前電動六自由度運動模擬器的特點，對平臺進行了基于位姿反解算法的鉸鏈空間控制，并介紹了一種新型的基于DSP的多級控制結(jié)構(gòu)。在電動缸閉環(huán)控制中，引入模糊前饋PID智能算法，提高實時性與動態(tài)控制精度。基于控制算法與硬件器對平臺進行試驗，結(jié)果表明控制策略實時性好，動態(tài)精度高。

六自由度運動模擬器;運動學(xué)反解;多級控制;DSP控制器;模糊前饋

0 引 言

電動六自由度運動模擬器是一種并聯(lián)機器人機構(gòu)，由六個電動執(zhí)行機構(gòu)并聯(lián)組成，其中下平臺為靜止平臺，上平臺為動平臺。由于其特殊的結(jié)構(gòu)模型，導(dǎo)致其各個電動缸之間存在強耦合與實時性要求極高等特點，因此電動六自由度運動模擬器的高精度控制一直是業(yè)內(nèi)難題。

方藝[1]針對虎克鉸結(jié)構(gòu)的六自由度運動模擬器進行了分析，提出了針對六個執(zhí)行機構(gòu)的基于關(guān)節(jié)空間的分布式控制策略，并進行了仿真分析。劉勝[2]等人進行了單杠液壓控制系統(tǒng)的建模與仿真，實現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法仿真。侯耀[3]等人提出了一種基于TCP/IP協(xié)議棧的控制架構(gòu)，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的優(yōu)化，但是由于工控機控制中存在的實時性差、控制周期長等缺陷，控制效果并不理想。晁智強[4]等人采用多軸控制卡加工控機的控制結(jié)構(gòu)，利用多軸控制卡實現(xiàn)反解、插補、實時控制，但是對控制卡而言，反解算法與插補算法計算復(fù)雜，在精確進行位置反解計算和插補計算以后實時性的要求很難保證。因此，本文提出了一種基于DSP的多級控制結(jié)構(gòu)，在保證反解計算精度的同時確?？刂葡到y(tǒng)的實時性，并利用工控機的圖形顯示與人機交互的優(yōu)點對平臺的位姿進行顯示與操作。

本文介紹了六自由度運動模擬器的運動學(xué)反解算法，為基于關(guān)節(jié)空間的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論支持；闡述了六自由度運動模擬器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并提出基于DSP的多級控制硬件結(jié)構(gòu)；在單缸位置閉環(huán)控制系統(tǒng)中，引入模糊前饋、去飽和的智能PID算法，提高了單缸的動態(tài)控制精度；最后給出了六自由度運動模擬器實際的運行結(jié)果，證明控制結(jié)構(gòu)與軟件控制算法的有效性。

1 六自由度運動模擬器反解算法

基于鉸鏈空間的控制結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)就是空間位置的運動學(xué)反解算法[5]，在并聯(lián)機構(gòu)中，運動學(xué)反解算法是指由運動平臺的位置和姿態(tài)參數(shù)計算出各缸的實際長度。

圖1 六自由度運動模擬器結(jié)構(gòu)示意圖

六自由度運動模擬器結(jié)構(gòu)如圖1所示，由六個驅(qū)動缸并聯(lián)連接，形成兩個平臺，其中下平臺為靜平臺，上平臺為動平臺，以下平臺六個虎克鉸鏈接點的中心為原點，建立靜坐標(biāo)系Oxyz，以上平臺的中心為原點建立動坐標(biāo)系Ox′y′z′，動坐標(biāo)系隨平臺的運動而運動。

根據(jù)運動學(xué)知識，三維空間中任意坐標(biāo)系變換只需要用一個包含θx,θy,θz,Δx,Δy,Δz六個參數(shù)的四維矩陣進行表示，其中，θx,θy,θz分別為繞定軸x,y,z旋轉(zhuǎn)的角度，Δx,Δy,Δz為沿x,y,z軸正方向平移的長度。假設(shè)動平臺上有一點P′(x′,y′,z′)先繞繞z軸旋轉(zhuǎn)θz, 再繞y軸旋轉(zhuǎn)θy，最后繞x軸旋轉(zhuǎn)θx，同時沿x,y,z平移Δx,Δy,Δz，則可得變換矩陣H，

(1)

其中Sx=sin(θx)，Sy=sin(θy)，Sz=sin(θz)，Cx=cos(θx)，Cy=cos(θy)，Cz=cos(θz)。

動平臺任意一點旋轉(zhuǎn)后在靜平臺中的坐標(biāo)為:

(2)

再根據(jù)空間中的距離公式即可以計算出每個電動缸的末端的實際伸長量，從而實現(xiàn)了由位姿到電動缸長度的運動學(xué)反解算法。

2 多級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由式(1)可以發(fā)現(xiàn)，在基于關(guān)節(jié)空間的控制策略中，需要對六自由度運動模擬器的目標(biāo)位姿曲線進行插補，并對插補后的目標(biāo)值進行位姿解算，將每個缸的解算值作為單獨每個缸的給定量。因此對于單缸閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，系統(tǒng)是一個隨動控制系統(tǒng)且具有強耦合性，對實時性要求以及控制精度要求極高。同時，不難看出運算時牽涉到大量的非線性函數(shù)以及浮點運算，本文根據(jù)這些特點，利用DSP芯片在浮點運算、信號采集方面具有的巨大優(yōu)勢，對電動六自由度運動平臺設(shè)計多級控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 多級控制結(jié)構(gòu)

控制結(jié)構(gòu)主要分3層，最底層為電動缸控制器，由基于DSP的控制電路構(gòu)成，主要負責(zé)力信號和位置信號的采集、控制量的輸出以及信號的傳輸。中間控制層為解算和插補控制器，由基于PC104總線的SMART486嵌入式工控機組成，其與下位機通信采用工業(yè)用CAN2.0A總線協(xié)議。上位機為管理機，負責(zé)圖像的顯示、人機交互等，采用研華工控機，運行在Windows Xp系統(tǒng)下，使用Labview開發(fā)工具編寫操作界面，其與中層機通信采用以太網(wǎng)通信。整體控制結(jié)構(gòu)清晰、美觀，移植性好，任意一臺上位機只需安裝上位機程序即可方便地通過一根網(wǎng)線對運動模擬器進行控制。

圖3 基于DSP的硬件控制器結(jié)構(gòu)圖

底層控制器主采用TI公司型號為TMS320F28335的DSP芯片，總體的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.1 DSP電源電路

F28335需要3.3 V和1.9 V的穩(wěn)定供電電源[6]，其中1.9 V為內(nèi)核供電，而3.3 V為DSP的外部I/O引腳的供電。因此本文選用了TI公司專門為DSP配套生產(chǎn)的TPS767D301型芯片作為主穩(wěn)壓芯片，保證DSP安全可靠的工作，芯片的輸入電壓為5 V，輸出兩路高精度穩(wěn)壓電源，一路為固定3.3 V，一路為電壓可調(diào)，電壓值由中的R5，R6決定，在此，本文選擇R5為30.1 kΩ，R6為18.2 kΩ的阻值來保證芯片的1通道輸出內(nèi)核所需的1.9 V電壓,如圖4所示。

值得注意的是，F(xiàn)28335采用了新的內(nèi)核技術(shù)，供電順序為先內(nèi)核上電，再外部IO口上電，因此在1.9 V輸出端引入MOSFET反饋電路，只有當(dāng)1.9 V電壓建立以后，才對3.3 V輸出端使能。

圖4 電源電路

2.2 電壓輸出模塊

為了保證高精度控制，本文采用16位精度單通道的DAC7742作為DA轉(zhuǎn)換芯片。為了避免控制器上電時，運動平臺的誤動作，控制器需要保持上電的瞬間DA模塊的輸出為0，在此將復(fù)位模式選擇端接高電平，這樣即使復(fù)位，也是復(fù)位到中電位，即0 V。在主控芯片的數(shù)據(jù)總線輸出端添加了CMOS-TTL電平轉(zhuǎn)換芯片用以驅(qū)動DAC控制芯片，同時在DAC的電壓輸出端引入了運放做射極跟隨,如圖5所示。

2.3 位置信號檢測調(diào)理模塊

F28335內(nèi)部集成了運動控制中常用的PWM與光電編碼信號調(diào)理模塊，采集A,B相序列進行電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向判斷，但是驅(qū)動器輸出的信號為A+,A-,B+,B-的差分信號，本文采用AM26LS32AM芯片作為差分光電編碼器信號轉(zhuǎn)換器。同時由于項目采用的電動缸為Exlar公司的高精度電動缸，編碼器為2 048線/轉(zhuǎn)，在最大轉(zhuǎn)速5 000 r/min的情況下，有:

PulCNT=4×Resolu×V/60=

4×2 048×5 000/60=683k

(3)

圖5 模擬電壓輸出模塊

即1 s內(nèi)將產(chǎn)生683 k個5 V脈沖進入電路板，必須采用帶寬1 MHz以上的隔離芯片做光電隔離，因此本項目選6N137做隔離，位置信號調(diào)理模塊如圖6所示。

圖6 位置信號調(diào)理模塊

2.4 電壓輸出自檢電路

由于六自由度運動模擬器各電動缸之間的強耦合特性，為了保證其安全可靠運行，需要在上電之后對各控制器的模擬量輸出進行檢測，設(shè)計如圖7所示。

圖7 模擬量輸出自檢電路

根據(jù)運放的負反饋特性，有

(4)

經(jīng)該電路調(diào)理后，-10 V～+10 V電壓調(diào)理到2.424 0 V～0.186 2 V，符合F28335的AD模塊0～3 V的輸入限值。

3 電動缸位置閉環(huán)高精度控制

作為六自由度運動模擬器的驅(qū)動缸，單電動缸的控制精度將直接影響整體平臺的控制精度。為了保證平臺的高精度控制，除了硬件上設(shè)計一種實時性高、運算速度快的反解與插補計算模塊以外，還需要對單電動缸的位置閉環(huán)進行高精度設(shè)計，閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中電動缸可以等效成一個永磁同步電機帶行星滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)，16位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為電機的速度給定。

由于整體系統(tǒng)是一個強耦合系統(tǒng)[7]，同時在運動過程中負載力對單電動缸的力作用為復(fù)雜的時變干擾，因此常規(guī)的PID控制器難以滿足控制精度的要求，本文設(shè)計了一個模糊前饋、去積分飽和PID控制器，控制器不僅接收光電編碼器的AB相序列進行位置閉環(huán)控制，還利用F28335中的轉(zhuǎn)速輸出模塊，采集速度信號，進行模糊PID參數(shù)調(diào)節(jié)，同時，為了保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，在控制器中引入了前饋環(huán)節(jié)，由于位置給定量為經(jīng)過中層機插補解算后通過CAN總線數(shù)據(jù)包的格式傳輸，對干擾的抑制能力很強，不用對位置給定進行前饋濾波。此外，為了消除深度積分飽和后，過度的超調(diào)導(dǎo)致控制性能惡化的情況，引入了去積分飽和環(huán)節(jié)。

根據(jù)位置偏差的論域[-1.5 1.5],設(shè)計如圖9的模糊隸屬度函數(shù)，同時根據(jù)Kp論域[2 3],設(shè)計如圖10的模糊隸屬度函數(shù)集。

圖8 電動缸位置閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

圖9 位置偏差隸屬度函數(shù)

圖10 位置偏差變化率隸屬度函數(shù)

圖11 Kp隸屬度函數(shù)

同時制定相應(yīng)的模糊推理規(guī)則，如下：

if(e=NB andec=NB) thenkp=EB;

if(e=NM andec=NS) thenkp=M;

if(e=Z andec=NM) thenkp=M;

if(e=NM andec=PB) thenkp=S;

…

圖12 正弦跟蹤曲線

圖13 誤差曲線

針對單缸進行動態(tài)帶負載試驗，選擇的負載為垂直方向上7 kg的慣性負載，給定信號為頻率為1 Hz，振幅68 mm的正弦信號。其中圖12為正弦跟蹤曲線，圖13為誤差曲線，不難發(fā)現(xiàn)，與PID控制方式相比，采取模糊前饋控制策略對系統(tǒng)的動態(tài)性能有明顯的提高，最大動態(tài)誤差不到5 mm。由于采用了基于DSP的多級控制策略，閉環(huán)控制周期達到1 ms以下，動態(tài)精度高，跟蹤效果好。

4 結(jié)束語

本文對電動六自由度運動模擬器采取了基于位姿反解算法的鉸鏈空間控制，設(shè)計了基于DSP的多級控制結(jié)構(gòu)，縮短了控制周期，增強了系統(tǒng)的實時性能。在電動缸位置閉環(huán)控制策略中，引入了模糊前饋控制算法，對光電編碼器的位置信號進行采集分析，實現(xiàn)模糊智能PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，試驗結(jié)果證明，動態(tài)性能好，控制策略有效。

[1] 方藝. 基于PC104總線的六自由度平臺控制系統(tǒng)的研究[D]. 成都：西南交通大學(xué), 2006.

[2] 劉勝, 宋佳, 李晚龍,等. 并聯(lián)六自由度運動平臺控制系統(tǒng)研究[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2006, 25(4):7-10.

[3] 侯耀, 李聲晉, 盧剛,等. 基于嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的六自由度平臺控制系統(tǒng)[J]. 微特電機, 2013, 41(5):62-67.

[4] 晁智強, 寧初明, 李欣澤,等. 六自由度平臺控制系統(tǒng)分析[J]. 機床與液壓, 2014,35(9):44-48.

[5] 姚石磊. 六自由度運動平臺控制系統(tǒng)研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué), 2013.

[6] Texas Instruments, TMS320F28335 Digital Signal Controllers (DSCs) Data Manual[EB/OL]. [2007,7]. www.ti.com/

[7] 何景峰, 靳軍, 李保平,等. 火控系統(tǒng)測試用6自由度運動模擬器研制[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2010, 42(7):1066-1070.

Position Servo Control Strategy of a DSP-based Electric Six Degrees of Freedom (DOF) Motion Simulator

Wu Shangquan

(No.5 Electronics Research Institute, Ministry of Industry and Information, Guangzhou Guangdong 510610, China)

Based on an analysis of the characteristics of present electric 6-DOF motion simulators, this paper implements a hinge space control over the platform based on inverse displacement, and introduces a novel DSP-based multi-level control structure. In the closed-loop control of the electric cylinder, it introduces a fuzzy feed-forward PID intelligent algorithm to improve real-time performance and dynamic control accuracy. Results of tests made on the platform based on the control algorithm and hardware controller show that this control strategy has a good real-time performance and high dynamic accuracy.

6-DOF motion simulator; inverse kinematics; multi-level control; DSP controller; fuzzy feed-forward

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.001

TM383.4

A

1000-3886(2016)06-0001-02

吳上泉(1989-),男，湖南衡陽人，碩士，主要從事電動并聯(lián)機器人伺服驅(qū)動控制與電子電器產(chǎn)品的質(zhì)量安全檢測認證研究工作。

定稿日期: 2016-07-15