六自由度电动平台控制系统设计研究

３０

收稿日期：２０１１－０９－０５

六自由度电动平台控制系统设计研究

金　伟１

，杨　斌

２

（１兰州城市学院培黎石油工程学院 甘肃兰州，７３００７０）

（２兰州城市学院 甘肃兰州，７３００７０）

摘　要：采用多轴运动控制器ＭＡＣ作为控制主体，基于“工控机＋运动控制卡”的模式，构建了一个开放式的六

自由度电动平台控制系统。实现了六自由度电动平台的基本控制功能。建立了六自由度电动平台的故障保护系统及故障监控系统，并详细介绍了系统组成部分及实现过程。

关键词：故障保护系统；故障监控系统；六自由度电动平台；ＭＡＣ

Abstract: This dissertation applies the current high-powered servo controller MAC, based on “IPC+MAC ”，constructed an open numerical control system of 6-dof electric platform. The control software is designed with the functional modularization. The basic control functions of 6-dof electric platform are realized.Fault Protection System and Fault Monitoring System is established, and the components and the implementation process is described in detail.

Key words: platform ; Fault protection system ; Fault monitoring system ; 6-dof electric- MAC

中图分类号：ＴＰ１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－９２２７（２０１１）０６－００３０－０３

０ 绪　论

近年来由于电机伺服系统性能的大幅提升以及电动缸控制性能的优越性，在小载荷和高精度控制领域电机驱动平台系统有取代液压驱动平台系统的趋势，因此开展对六自由度电动平台运动系统的研究有着非常重大的意义与巨大的发展前景。

本论文围绕搭建六自由度电动平台的控制系统实现实时运动控制而展开。本控制系统采用“工控机＋多轴运动控制卡”作为硬件基础，搭建了本六自由度电动平台的硬件控制系统；开发出六自由度电动平台的控制软件，建立起六自由度电动平台软件控制系统，实现六自由度电动平台的实时控制。构建六自由度电动平台故障保护系统及故障监控系统，实现电动平台的基本故障保护与远程故障监控。

１ 六自由度电动平台的结构与特点

六自由度电动平台由下平台（固定底座）、运动平台、虎克铰和六个作动器（伺服电动缸）组成。伺服电动缸通过虎克铰以并联的形式将固定底座和运动平台连接起来，因而六个伺服电动缸均可独立地伸缩。通过六个伺服电动缸的协调伸缩，相对于固定下平台，运动上平台就可以灵活实现空间六个自由度方向上的位姿运动。该结构具有以下特点：

（ｌ）同串联机构的悬臂梁比较，六自由并联机构的运动平台由６个作动器同时支撑，结构稳定，刚度较大，且承载能力大；

（２）串联式机器人的传动系统及驱动电动机大都固定在运动的大小臂上，导致系统惯性增加，动力性能恶化，而并联式则可将驱动电机置于固定底座上，减小了运动负

荷，动力性能较好。

（３）串联机构的误差是相关运动关节误差的积累和放大，因此误差大而精度低。而并联机构则误差趋向平均化，不存在如此的误差积累和放大关系，因而误差小、精度高；

（４）并联式机器人组成结构往往为对称式，其各向同性好；

（５）在运动学分析方面，串联机构正解容易，反解非常困难，而并联机构则与之相反，正解困难，反解容易。多自由度机构运动过程中，需要进行实时反解运算，并联式容易实现，而串联式却十分不易。２ 控制系统硬件体系结构２．１　控制系统逻辑结构

在自动控制系统中，输出量以一定准度随着输入目标值的变化而变化的系统称为伺服系统。六自由度电动平台硬件控制系统的目标是：输入预定的目标位姿曲线，驱动伺服电机使电动缸推杆按照位姿曲线进行伸缩运动。因此本文要搭建的六自由度电动平台控制系统就是伺服系统。要实现对六自由度平台良好的控制，构建一个精度高，响应快速，稳定性好的伺服系统显然尤为关键。电动平台硬件系统由工控机、运动控制卡、数字式直流伺服放大器、伺服电机及检测原件组成。

本系统以研华工控机（ＩＰＣ）作为上位机，以多轴运动控制器ＭＡＣ为下位机，电气伺服部分采用富士交流伺服电机，机械传动部分采用高精密滚珠丝杠。控制软件通过ＭＡＣ系列运动控制卡发送脉冲给富士电机伺服放大器，从而驱动伺服电动缸按照给定轨迹完成伸缩运动。在电动缸运动的同时，通过伺服电机中编码器将实际位置脉冲信号反馈到ＭＡＣ运动控制卡的接口，从而更准确地控制动平台

六自由度电动平台控制系统设计研究 金　伟，等

《自动化与仪器仪表》２０１１年第６期（总第１５８期）３１

运动。

其逻辑结构如图１所示。

图１　控制系统方框图

２．２　控制系统的硬件结构及性能介绍

２．２．１ＭＡＣ运动控制器

运动控制器是一种安装在计算机中通过编程发送脉冲实现伺服和步进电机运动控制的单元，它与计算机构成主从式控制结构。运动控制器大都通过ＰＣＩ总线与计算机插槽相接。工控机ＩＰＣ通过控制程序调用运动控制函数，经ＰＣＩ总线给运动控制器发送控制指令，运动控制器根据控制指令发送脉冲信号控制电机运转；同时通过通用１／０口采回电机当前实际位置与运行状态等，从而供ＩＰＣ机实现负反馈控制。

ＭＡＣ一３００２ＳＳＰＸ系列基于ＰＣＩ总线的高性能多轴运动控制卡，可以控制步进电机或伺服电机（脉冲串输入型）。该系列卡以专用控制芯片为核心器件，其输出脉冲频率最高可达６．４ＭＨｚ，在内部完成Ｔ形、Ｓ形速度曲线的规划，从而实现自动减加速功能，可控制实现多轴直线插补以及任何两轴之间的圆弧插补，可与各种类型的驱动器连接，构成高精度位置控制系统或调速系统。该卡是一种性能优越、功能强大的运动控制卡，适合于多轴插补联动等复杂用途。

六自由度电动平台有六个伺服电机，由于ＭＡＣ一３０ＯＺＳＳＰＸ系列最多只能实现四轴控制，因此选用运用了一个四轴运动控制卡和一个二轴运动控制卡来实现对六个伺服电机的控制。２．２．２交流伺服系统

系统的执行机构采用的是日本富士公司生产的ＦＡＬＤＩＣ一Ｗ系列全数字交流伺服统，包括电机及电机驱动器，是位置、速度、电流三环全数字化的交流伺服系统。富士交流伺服电机及其驱动器由于性能稳定、功能齐全、操作简单在行业中有着很好的声誉该ＦＡＬＤＩＣ－Ｗ系列伺服系统标准配备减震控制功能，有２个ＲＳ－４８５通信接口，具有调试简单、高速响应、使用方便、控制方式多样化、超低振动和保护措施齐全等优点。ＦＡＬＤＩＣ－Ｗ系列全数字交流伺服系统主要特点：高分辨率编码器：采用１３１０７２脉冲的高分辨率编码器。提高了伺服电机旋转分辨率实现低速平稳的机械运行。２．２．３限位开关

在机器人运行过程中，有可能出现运动程序设计的

欠缺或其他原因导致关节超出了运动空间。这种情况非常危险，有可能造成飞车或设备损坏，因此必须在各关节上安装限位开关。

限位开关是数控系统中常用的故障保护开关，本文六自由度电动平台在六个电动缸分支上都设有负向的硬限位开关，安装在每一电动缸的下端端极限位置附近。同时，本六自由度电动平台所设的负向限位开关为六个电动缸回零的参考点。

３ 控制系统软件界面和功能实现３．１　软件设计功能要求

（ｌ）上电、伺服控制功能：上电、伺服控制功能是运动控制器和被控机械本体建立联系的桥梁，运动控制系统通过它来完成对电机的控制运行从而实现相应的轨迹控制。

（２）交互功能：运动控制系统有很多状态信息需要实时地显示于操作界面上，以供操控者参照。因此，良好的人机交互功能有助于系统的开发、测试、监控和维护，是衡量控制系统性能的重要指标之一。

（３）多任务并发处理能力：为了满足系统的实时性要求，多个功能和任务需要并发执行，因而对这些功能和任务进行合理的调度和并发处理，选择合理的数据结构，使其协调地工作是运动控制系统的必备功能。

（４）运动轨迹控制功能：运动轨迹的控制是控制系统的最重要功能。根据需要的位姿反解计算得到的各末端执行电机轨迹信息，得出单个插补周期的各电机的运行量，进而控制平台各电机的运行，按预定轨迹达到平台预定的位姿。

（５）其他功能：报警提示功能，实时监测功能，参数设置功能等等。控制系统软件界面３．２　机器人辅助功能模块

辅助功能模块包括：回停机位，机器人复位、机器人急停和退出程序。这些功能是保证电动平台控制运行的重要基础。各按钮与控件的功能及实现过程如下：

（ｌ）回停机位。六自由度电动平台在任何位姿时回到最低位。平台的最低位为六个电动缸都触发光电开关时的位姿。若点击“回停机位”按钮时，如果电机正在行，则首先结束电机的运行进程。待各电机都停止后，发出指令使电动平台的六个电机都负向运行，即缩回电动缸。电动缸上的滑片触发限位光电开关时，电机会得到指令立即停止运行。当六个电机都停止运行时，电动平台便回到了停机位。

（２）机器人复位。对于六自由度并联平台而言，一般都一个设定的平台中位。因为中位是平台运行相对安全的位置，并且是进行运动学分析的初始位姿。因此平台上电后行时都要将电动平台复位至中位再进行下一步运行。机器人复位功能可以实现平台在何位姿运行至中位。点击“机器人复位按钮”后，平台首先回到平台停机位，而后再发给平台六个电机指定正向脉冲数，从而实现平台的复位。

（３）机器人急停。实现各电机在任何运动状态时立即停止。其功能是当电动平台运行状况出现异常时，让各电