台式机器人运动控制算法的研究与实现

发布时间：2017-09-20 14:31

  本文关键词：台式机器人运动控制算法的研究与实现

  更多相关文章： 运动控制 DSP FPGA 插补算法 加减速算法 位置控制算法

【摘要】：随着电子技术、自动化控制和计算机应用的发展,台式机器人的运动控制不断向着高精度、高速度、微型化、智能化和通用化方向发展。目前,以数字信号处理器(DSP)和现场可编程逻辑门阵列(FPGA)为核心的运动控制方案己成为运动控制方案的发展趋势。它结合了DSP强大的数据计算能力和FPGA的逻辑运算能力,具有数据处理能力强、可扩展能力强、通用性好、运动控制性能强的特点。本文在分析对比基于不同硬件平台、不同算法设计方案的台式机器人运动控制系统的基础上,确定了基于异构多核的算法设计方案。针对异构多核的结构特点,分析并给出了台式机器人运动控制算法任务的分配策略。重点研究了包括插补算法、位置控制算法和速度规划算法在内的台式机器人运动控制核心算法以及在实现过程中的关键技术点。在插补算法方面,采用DSP+FPGA两级插补,DSP实现软件粗插补,FPGA实现硬件精插补,充分发挥软硬件性能,提高插补效率；设计和实现了平面及空间的直线插补及圆弧插补；采用极坐标系、以步距角为进给量实现圆弧粗插补,简化了圆弧插补的过象限处理。在位置控制算法方面,针对台式机器人在高速度、短行程运动过程中产生的振动和强烈冲击,会对系统造成较强干扰等因素。提出了基于BP神经网络自抗扰控制对台式机器人进行位置伺服控制,提高了位置控制的精度和动态响应特性,且具有较好的抗干扰能力。在速度规划算法方面,针对常用的多项式T形、S形曲线加减速计算量较大,不适合于台式机器人插补运动控制高速计算的要求。提出了基于数字卷积方式的加减速控制,其适合于高速计算的要求,可以避免预测减速点,极大的减少计算负担提高了效率,能够快速实现速度规划,速度曲线平滑。在设计实现过程中,将精插补模块、位置计数模块、I/0信号处理、编码反馈信号处理模块和双端口RAM等功能模块以及基于数字卷积的梯形速度控制算法和S形速度控制算法使用单片FPGA来进行硬件实现。在DSPF28M35中采用C语言分别实现了基于时间分割的粗插补算法、速度数据的计算及位置控制算法。最后基于松下A5系列伺服电机驱动器和伺服电机进行试验。验证了本文设计算法的正确性。所设计的两级插补算法的精度仅与精插补的精度有关；所设计的位置控制算法具有较强的抗干扰能力,运动过程中的位置误差控制在1um以内。
【关键词】：运动控制 DSP FPGA 插补算法 加减速算法 位置控制算法
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-18
• 1.1 课题来源11
• 1.2 课题的背景和研究意义11
• 1.3 台式机器人运动控制技术概述11-15
• 1.3.1 台式机器人运动控制技术简介12
• 1.3.2 国内外台式机器人运动控制研究现状12-14
• 1.3.3 台式机器人运动控制系统的发展趋势14-15
• 1.4. 论文的主要研究内容和论文结构15-18
• 1.4.1 论文研究内容15
• 1.4.2 论文结构15-18
• 2 运动控制算法方案设计18-25
• 2.1 台式机器人运动控制参数指标18-19
• 2.1.1 基本性能参数18-19
• 2.1.2 运动控制功能19
• 2.2 基于异构多核的运动控制系统硬件架构19-22
• 2.2.1 DSP主控单元20
• 2.2.2 FPGA功能模块20-21
• 2.2.3 主机通信21-22
• 2.2.4 外围接口设计22
• 2.3 基于异构多核的运动控制算法架构22-24
• 2.3.1 异构系统中任务的分配策略23
• 2.3.2 运动控制算法任务的分配及协同处理23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 3 轨迹规划算法25-47
• 3.1 数据采样插补算法25-26
• 3.2 粗插补算法的研究26-30
• 3.2.1 直线粗插补27-28
• 3.2.2 圆弧粗插补28-30
• 3.3 精插补算法的研究30-36
• 3.3.1 逐点比较插补算法30-33
• 3.3.2 数字积分插补算法33-36
• 3.4 位置控制算法的研究36-45
• 3.4.1 BP神经网络自抗扰控制算法37-41
• 3.4.2 Matlab/Simulink仿真模型搭建41-43
• 3.4.3 仿真与验证分析43-45
• 3.5 本章小结45-47
• 4 速度规划算法47-56
• 4.1 速度规划算法简介47
• 4.2 基于数字卷积的梯形加减速控制算法研究47-51
• 4.2.1 基于数字卷积的梯形加减速控制原理49-51
• 4.3 基于数字卷积的S形曲线加减速控制算法研究51-52
• 4.3.1 基于数字卷积的S形加减速控制原理51-52
• 4.4 基于数字卷积减速算法的设计与验证52-55
• 4.5 本章小结55-56
• 5 运动控制算法及功能模块的实现56-75
• 5.1 运动控制功能模块设计56-66
• 5.1.1 状态和命令控制寄存器56-58
• 5.1.2 硬件精插补模块设计58-62
• 5.1.3 编码器反馈模块设计62-64
• 5.1.4 位置计数器设计64-65
• 5.1.5 特殊I/O接口65-66
• 5.2 双端口RAM模块设计66-67
• 5.3 数据通信格式设计67-72
• 5.3.1 双端口RAM存储空间分配67-68
• 5.3.2 通信命令设计68-72
• 5.4 DSP程序设计72-74
• 5.4.1 DSP主程序模块72
• 5.4.2 DSP与双端RAM通信模块72-73
• 5.4.3 算法实现程序模块73-74
• 5.5 本章小结74-75
• 6 运动控制算法测试与实验分析75-82
• 6.1 运动控制系统软硬件调试75-76
• 6.2 运动控制算法测试及结果分析76-81
• 6.2.1 直线插补梯形加减速测试78-80
• 6.2.2 圆弧插补S形加减速测试80-81
• 6.3 本章小结81-82
• 总结与展望82-84
• 1、总结82-83
• 2、展望83-84
• 致谢84-85
• 参考文献85-89
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果89

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本文编号：888636