農(nóng)業(yè)機器人不僅可以解決勞動力的不足，還可以提高勞動生產(chǎn)率，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，農(nóng)業(yè)機器人的研究在國內(nèi)外受到廣泛重視。控制系統(tǒng)是機器人的核心，決定機器人的性能和作業(yè)效果。基于pc104工控機和pmac2-104多軸運動控制卡的開放式控制平臺在農(nóng)業(yè)機器人控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛，但價格昂貴。農(nóng)業(yè)機器人的購買對象為農(nóng)戶，這就要求機器人的價格低廉。本課題的研究目標是以實驗室已有的有四個關(guān)節(jié)和一個末端執(zhí)行器的采摘機器人為控制對象，研制四關(guān)節(jié)運動控制平臺，實現(xiàn)高精度控制，同時盡量降低控制器的成本，以降低機器人的整體成本，從而促進將來農(nóng)業(yè)機器人的推廣和應(yīng)用。

農(nóng)業(yè)機器人關(guān)節(jié)控制器的方案選擇

控制精度高、響應(yīng)速度快、價格低廉是農(nóng)業(yè)機器人關(guān)節(jié)控制器三個最重要的設(shè)計指標。由于永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、定位準確的特點。本研究采用安川公司的交流伺服電機作為執(zhí)行電機。 機器人控制系統(tǒng)需要完成的任務(wù)相當大，對控制系統(tǒng)的硬、軟件都提出了較高的要求，本課題所研究的控制系統(tǒng)采用上、下位機二級分布式結(jié)構(gòu)。

利用pc機作為上位機，主要完成整個系統(tǒng)的管理、運動學(xué)計算以及通信任務(wù);下位機控制器由4個獨立的關(guān)節(jié)控制器組成，各關(guān)節(jié)控制器負責(zé)本關(guān)節(jié)的運動控制和反饋信號的處理，它們是并行工作的。

dsp（digital signal processor）芯片，如tms320x240x系列，內(nèi)部集成了專用外設(shè)、具有硬件乘法器，采用哈佛結(jié)構(gòu)，采用流水線操作的指令系統(tǒng)，并且采用特殊的dsp指令，從而具有快速指令周期，高速運算和進行大量數(shù)據(jù)處理的能力，可實現(xiàn)復(fù)雜控制算法。因此，本研究采用ti公司的tms320lf2407a芯片作為下位機的處理器，用來完成clarke變換、park變換、park逆變換、pid控制等功能。

該控制系統(tǒng)中采用三閉環(huán)（電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)）位置伺服控制方案，以保證控制系統(tǒng)的位置精度。系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖
本研究中采用直軸電樞電流為零的控制策略[7]即pmsm定子電樞電流在控制過程中始終等于0，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與轉(zhuǎn)子永磁體磁場空間矢量正交，電動機轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電樞電流幅值成正比，控制轉(zhuǎn)矩的大小實際上就落實到控制定子電流幅值的大小。本課題采用的交流伺服電機是表面凸極式pmsm，采用直軸電樞電流為零的控制策略時，單位定子電流可獲得最大的轉(zhuǎn)矩，銅耗下降，效率有所提高。

機器人關(guān)節(jié)控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于本課題采用矢量控制方法來控制伺服電機，每個電機需要6個pwm信號來控制智能功率模塊ipm中igbt的通斷，而每片dsp芯片只含有兩個事件管理器，最多只能控制兩個伺服電機。本課題制作了2塊基于dsp的運動控制板，以控制四個交流伺服電機。圖2為關(guān)節(jié)控制器硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 關(guān)節(jié)控制器硬件結(jié)構(gòu)示意圖
機器人關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)在硬件上分為兩部分:基于dsp控制器的控制電路和基于ipm的伺服電機驅(qū)動電路。

關(guān)節(jié)控制器控制電路包括三大部分:tms320lf2407a最小系統(tǒng)部分、系統(tǒng)擴展部分和接口電路部分。其中最小系統(tǒng)部分包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路;系統(tǒng)擴展部分包括存儲器擴展電路、總線擴展、顯示電路;接口電路部分包括rs232接口電路、jtag仿真接口。

功率驅(qū)動電路板主要實現(xiàn)pwm逆變器功能，實現(xiàn)電機相電流的檢測和位置檢測。功率驅(qū)動電路主要有電源部分、逆變部分、隔離部分和電流采集部分。本研究中選擇三菱公司的智能功率模塊pm15csj060作為逆變模塊，使用m57140模塊為其提供4路15v的電壓，采用hcpl4504作為光耦隔離器件，進行了電源電路，隔離電路和電流采集電路的設(shè)計。

機器人關(guān)節(jié)控制器軟件設(shè)計

機器人關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)軟件包括基于pc機的上位機控制器軟件和基于dsp控制板的下位機控制軟件兩部分。

上位機程序

上位機軟件在microsoft visual c++環(huán)境下開發(fā)，主要包括4部分:人機交互界面的設(shè)計、系統(tǒng)主程序、運動控制函數(shù)庫和通訊接口函數(shù)。上位機主程序工作在pc機上，用來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的管理、控制工作。運動控制函數(shù)庫是在實驗室其他成員研究的運動學(xué)模型及求解結(jié)論的基礎(chǔ)上，編寫了相關(guān)的運動學(xué)運算函數(shù)。通訊接口程序?qū)崿F(xiàn)上位pc機與dsp控制板之間的通訊，把上位機的運算結(jié)果傳送到下位機，本課題采用的是api函數(shù)編程方式。

下位機程序

下位機控制器軟件部分的設(shè)計是基于dsp的關(guān)節(jié)控制板，在ccs2.0開發(fā)環(huán)境下編寫。下位機控制器軟件主要包括3部分:初始化模塊、主程序模塊、中斷模塊。

系統(tǒng)初始化主要完成對dsp內(nèi)核、事件管理器、通用i/o、sci和adc轉(zhuǎn)換器等資源的寄存器進行設(shè)置。

主程序部分負責(zé)整個關(guān)節(jié)控制器的管理，設(shè)計成循環(huán)等待方式，在初始化和關(guān)節(jié)復(fù)位工作完成后，就等待各中斷信號，如果有中斷產(chǎn)生，則調(diào)用相關(guān)的中斷程序。

中斷模塊:本課題使用了4個中斷，功率保護中斷、cap3中斷、定時器1下溢中斷和串口通信中斷。其中，定時器1下溢中斷子程序（int2）在定時器1計數(shù)溢出時被響應(yīng)，用來調(diào)用控制算法，執(zhí)行系統(tǒng)的矢量控制程序，每一個載波周期完成一次。

實驗

為了測試本課題研究的農(nóng)業(yè)機器人關(guān)節(jié)控制器的性能，對所研制的控制系統(tǒng)進行了試驗。

試驗用的4個交流伺服電機的型號為sgmah02a （2個）、sgmah01a、sgmaha5a 。將上位pc機、dsp下位機運動控制板、功率驅(qū)動板和伺服電機按設(shè)計要求連接好，接通電源，啟動pc機，進入用vc++設(shè)計的人機交互界面。單個電機的運動試驗環(huán)境如圖3所示。

圖3 單個電機運動試驗環(huán)境
試驗中設(shè)定各關(guān)節(jié)電機需要運行的圈數(shù)、速度和運轉(zhuǎn)方向，點擊“啟動”鍵，電機開始運轉(zhuǎn)。試驗過程中分別對各個關(guān)節(jié)電機進行了調(diào)試，試驗結(jié)果表明本課題所研制的關(guān)節(jié)控制器能實現(xiàn)電機的正、反轉(zhuǎn)和速度調(diào)節(jié)。在電機長時間運行時，dsp控制電路板和基于ipm的功率驅(qū)動板狀態(tài)良好。(end)