巡检机器人机械臂伺服系统的设计

邵祖光，高 琦，杜宗展

(山东大学 a.机械工程学院；b.高效洁净机械制造教育部重点实验室；c.电气工程学院， 济南 250061)

0 引言

机器人在巡检过程中需要翻越防震锤、绝缘子、耐张塔等各种障碍物[1]。越障动作的多样性[2]与复杂性[3]对巡检机器人的运动控制系统提出了较高的要求。伺服电机作为巡检机器人的关键执行机构，其体积、重量和动态特性都直接影响到巡检机器人的动作和续航，其性能指标的优劣程度直接影响到机器人动作的精度，一旦出现问题，将会影响巡检机器人在架空线路上作业能力，甚至威胁其安全。伺服电机的性能已经成为制约巡检机器人发展与应用的一大瓶颈。

目前大部分伺服控制系统采用的有刷直流电机或步进电机，是以电位器进行位置的测量和反馈。电位器易受干扰，采用电位器式的模拟调节器限制了先进算法的应用，致使其定位精度较差。普通伺服电机的体积大、重量重、输出转矩的大小与体积成耦合关系，这些都使得巡检机器人机械臂对于灵活性和体积小的需求受到限制。由无刷直流电机组成的伺服控制系统为架空线路巡检机器人的发展和应用提供了新的方案，大大提高伺服系统的控制性能、可靠性以及使用寿命。

为在保证精度的前提下提高巡检机器人机械臂的灵活性，本系统采用对位置与速度双追踪的优化算法，通过实时检测给定信号的位置变化和速度变化，以三环闭环控制系统为核心，驱动无刷直流电机运动，不仅满足良好的定位精度、响应速度，还兼具良好的速度跟随特性。

1 控制策略

巡检机器人机械臂上使用的伺服系统对位置跟随的稳态精度及动态精度要求较高，直接影响到巡检机器人动作的精度。在巡检机器人上应用时，伺服系统动态特性更是衡量巡检机器人动作灵活性优劣的重要方面。

为了实现精确的定位和良好的动态特性, 保证系统的稳定、快速，本系统由AVR微处理器、IPM智能功率模块、位置检测、电流检测、速度检测等构成的以电流为内环、速度为中环和位置为外环的三环闭环控制系统。其中，内环电流环主要起稳定电流和抗电网波动的作用；中环速度环起满足转矩需求和抗负载扰动的作用；外环位置环起满足位置精度的作用。

本系统在运行过程中，采用位置、速度双追踪的优化算法，可以根据位置给定值变化快慢而实现不同的实时速度变化，在保证精度的前提下极大提升了伺服系统的动态特性，使得巡检机器人的机械臂更加灵活，提高其仿生随动性，在远程模拟控制机械臂时可以实现模拟随动控制，符合巡检机器人系统的发展要求。其控制实现过程如下：位置给定值与位置反馈输出值形成位置偏差，经位置调节后产生速度给定值，它与速度反馈输出值的速度偏差经速度调节后形成电流给定值，再与电流反馈输出值的电流偏差经电流调节，采用定频调宽法调节PWM的占空比的方式输出PWM控制信号，控制逆变器开关管的开通与关断从而控制无刷直流电动机，实现伺服控制。

1.1 位置环控制

位置指令信号由CAN(Controller Area Networ)总线与上位机通讯解码获取[4]，集成在电机内部霍尔传感器的位置检测用于换相控制，连接减速器输出轴的光电编码器的位置检测用于伺服电机位置反馈输出值和产生速度输出值。

为了减小电机在运行过程中积分校正产生的饱和效应对控制系统动态性能的影响，对于位置环采用积分分离的PI控制算法：当上位机的位置指令给定值与系统位置反馈输出值之间的偏差较大时，屏蔽积分环节的作用；当偏差小于一定值时，重新引入积分环节，以消除静态误差，从而避免振荡的同时又保证了控制精度。

本系统由于适用于位置给定值频繁变化的场合，因此位置调节的过程中使用微分先行法，既可以避免因位置指令信号给定值频繁变化所引起的系统振荡，又可以明显地改善系统的动态特性。微分先行法PID控制结构图如图1所示。

图1 微分先行法PID控制结构图

1.2 速度计算与调节

在捕捉到光电编码器的位置输出信号后，利用转子旋转一周的固定位置偏差和动态时间间隔和来计算速度，这种计算方法，不仅可以满足测速频率，还可以有效抵抗电机瞬间的抖动为速度计算带来的抖动影响。当前转速可以通过式(1)计算得到:

(1)

其中，n—当前转速；ΔT—动态时间间隔。

2 控制系统的设计

2.1 系统硬件组成及其工作原理

无刷直流伺服系统的功能主要是对位置指令信号、位置反馈信号进行处理，输出动作信号驱动电机运动，从而实现位置跟踪控制[5]。无刷直流伺服系统主要由位置传感器、功率驱动电路和无刷直流电机本体三部分组成。

2.1.1 系统电路原理构成

伺服系统总体硬件原理框图如图2所示，方框内的功能由AVR微处理器组成的最小系统实现，其与上位机系统通过CAN模块进行实时通讯，AVR微处理器(MCU)接收上位机位置给定值等命令信号，通过I/O引脚接收位置反馈信号，通过电流传感器接收实时电流信号，经过运算处理后输出PWM电机控制信号；功率驱动电路采用IPM智能功率模块，内含的逻辑控制电路对微处理器输出的电机控制信号、霍尔位置信号、模块内电流保护信号进行处理，产生控制功率管开/关的相序，实现电机绕组的逻辑换相控制从而驱动无刷直流电机运动；无刷电机在转动时经过定制的减速器传递到输出轴，光电编码器实时检测输出轴的位置信号，将数字信号反馈到AVR微处理器中，实现无刷直流伺服系统的闭环控制。

图2 系统总体硬件原理框图

2.1.2 控制电路

本系统使用的芯片ATmega328P是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微处理器[6]。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，AVR微处理器的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR微处理器采用了哈佛结构，具有独立的数据和程序总线。快速访问寄存器包括32个8位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。

本系统控制板拥有一路UART串口通信，两个外部中断接口，1个10位PWM输出引脚和5个8位PWM输出引脚用来控制无刷直流电机，通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才会进行干预。1路集成MCP2515支持SPI的CAN总线模块，通信速度可达1Mb/s，可以方便地与上位机系统进行通信。

2.1.3 功率驱动电路

为了提高逆变桥的可靠性，本系统使用IPM智能功率模块作为功率驱动电路。它将IGBT与具有信号处理、自我保护和各种诊断功能的电流继承与一体构成模块化器件[7]。与以往IGBT模块及驱动电路相比，它内含逆变电路、过流保护(OC)、短路保护(SC)、驱动电源欠电压保护(UV)、过热保护(OH)、报警输出(ALM)、制动电路等功能，使得电机控制器具有体积小、重量轻、设计简单和可靠性高等诸多优点，是高性能无刷直流电机的理想驱动器件。

IPM智能功率模块可以根据霍尔位置传感器的信号进行有规律的换相，正确选择哪些相相通，哪些相断电即可[8]。通过改变换相的通电顺序就可以实现电机的正、反转控制。电机速度可以通过PWM信号调节。

2.1.4 其他硬件保护电路

(1)过流保护电路

通过对电机的最大电流进行限制来提高系统的可靠性和安全性，避免可能因操作不当和负载过大等原因造成的线路损坏。本系统采用WCS1800霍尔电流传感器，不仅具有适用于A/D转换的经过运放跟随的模拟信号，还可以当做开关信号：可预设限流值，当实际电流值大于预先设定的电流值时，开关信号会由低电平变为高电平，并有LED指示灯指示。检测电流达到DC35A，线性度为K=60mV/A。

(2) 光耦隔离电路

为避免强电信号干扰控制回路中的弱电信号并提高系统的安全性，本系统采用光耦将电路中的强电信号和弱电信号隔离开来。如光电编码器输出端与控制板管脚之间可用高电平有驱动能力的光耦隔离电路，如图3所示。

图3 高电平有驱动能力的光耦隔离电路图

2.2 系统软件设计

2.2.1 算法设计

为了提高系统的可靠性，本系统不直接使用传统的连续型PID控制算法，而使用将其离散化之后得到的数字型离散PID控制律的差分方程[9]，处理方式为：以k作为采样序号，以T作为采样周期，则离散采样时间kT对应着连续时间t，用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分，可作如下近似变换:

t≈kT(k=0,1,2...)

(2)

(3)

(4)

将式(2)～式(4)代入到PID控制器的控制规律方程中得:

(5)

式中，KI——积分系数；KD——微分系数；T——采样周期；e(k)、e(k-1)——第k、k-1采样时刻输入的偏差值。

为了减小误差，提高动态效果，采用增量式PID控制。根据递推原理，由式(5)可得增量式PID控制器算法:

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=

KP(e(k)-e(k-1))+KIe(k)+KD(e(k)-

2e(k-1)+e(k-2))

(6)

数字PID控制器参数的选择，仍可按连续型PID参数整定方法进行。通常PID调节步骤为先调节被参数，后调节积分参数，最后调节微分参数。本系统先固定积分环节为零，调节比例环节至系统响应稳定，然后调节积分环节来改善系统的动态响应和静态稳定性能，最后再调节微分环节来抑制过冲和振荡，抵抗外界的突发干扰，提高系统的稳定性。三个环节不是相互孤立的，而是相互耦合，在整定过程中经过综合考虑以达到最优的控制效果。

与连续控制系统相比，本数字控制系统具有如下优点：①控制精度高，易于实现复杂算法；②抗干扰能力强；③易于实现与上位机的通讯互联，便于实现控制系统的分布式控制；④可以根据试验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能。

主程序主要是初始化AVR微处理器需要用到的寄存器、加载库文件、初始化I/O管脚、初始化中断设置、初始化定时器设置、定义初试控制变量和宏替换、初始化CAN总线设置、初始化串口通信等。主程序框图如图4所示。

图4 主程序框图

中断程序主要包括上位机信号接收中断子程序、系统位置输出值检测中断子程序、调节子程序(包括位置调节子程序、速度调节子程序、电流调节子程序)、ADC检测驱动电路供给电流子程序等，调节子程序程序框图如图5所示。

图5 调节子程序框图

2.2.2 数字滤波

在数字闭环控制系统中，测量值是通过对系统的输出量进行周期性采样而得到的。偏差是系统给定值和反馈输出值之间的差值，差值是PID控制系统中的重要数据。如果反馈输出值不能真实地反映系统的输出，那控制本身就失去了意义。在实际中，对电动机的输出值常混有干扰噪声，它们来自于被测信号的形成过程和传送过程。用混有干扰的输出值作为控制信号，将引起系统误操作，在有微分环节的系统中还会引起系统振荡，因此危害极大[10]。

本系统除了考虑了滤波效果之外，由于本系统要求可以做到实时随动性控制，所以还充分考虑了滤波速度。因此，对于上位机的给定值和系统的当前输出值采用算数平均值法、移动平均滤波法和防脉冲干扰平均值法相结合的方法：对连续的数据进行采样，对每一个数据进行判断，是否超出合理的瞬间变化值域，若超出，我们认为它是受干扰的数据，则舍弃掉；若未超出，则将连续的n个合理数据按照采样时刻的先后顺序排成队列存放在数据缓存区中，计算其算数平均值，如图6所示。计算完成后，进行下一次计算之前，将队列前的最先采样的数据移出，然后将最新采样的数据补充到队列的尾部，以保证缓冲区的队列中总是有n个数据，并且数据按采样的先后顺序排列，如图7所示。

图6 滤波过程图 图7 缓冲区数据平移图

3 系统构建及测试

为验证本文设计的无刷直流伺服系统的性能，根据上述原理框图设计成功开发了测试实验系统并进行性能测试。该电机采用HOBBYWING公司的无刷直流电机，内置霍尔位置传感器。采用自主研发的减速器，降速增扭，增强控制性能。输出轴使用梅花联轴器连接10位绝对值式格雷码光电编码器，编码器输出经过正相放大式光耦隔离器件连接到控制板的10个管脚。供给电机12V直流电源，供给编码器24V直流电源。软件采用C语言在开源电子平台Arduino IDE上实现。无刷直流伺服系统电流环采样频率是200Hz，速度环频率是200Hz，位置环采样频率是200Hz，位置分辨率为0.3516°。图8是无刷直流伺服系统搭载在巡检机器人机械臂上面进行实验的实物图。

图8 无刷直流伺服系统实验图

实验的具体操作过程为：搭建好电路并供电后，手动旋转上位机连接的电位器作为伺服系统的位置给定值，观察伺服电机随动实验现象，同步读取给定值和伺服系统编码器的输出值。实时位置给定值与实时位置输出值对比如图9所示。

(a) 顺时针旋转

(b) 逆时针旋转

(c) 顺、逆时针交替旋转 图9 给定值与实时位置输出值对比图

由图9无刷直流伺服位置随动位置实验图可以看出，系统输出值不仅能很好地跟踪位置信号的指令值、响应速度快，而且能够随着位置信号的变化快慢，自动调节转速，以满足在近乎相同时间内无卡顿地达到相同位置，具有随动控制的动态特性。

4 结论

系统性能的测试结果表明，本文设计的无刷直流伺服系统采用的三环控制，不仅能够达到满足伺服控制的精度要求，还能够实现随动变速控制的动态特性要求。本系统结构简单，采用全数字化元件使得其抗干扰能力得到明显加强，易于实现复杂的控制规律。本系统满足巡检机器人对伺服系统的要求，对其他类型的对动态特性要求高的系统设计也有一定的借鉴意义。