伺服电机的控制系统研发方案

伺服电机的控制系统研发方案

踝关节辅助康复装置的控制系统研究

5.1踝关节辅助康复装置控制系统总体方案

踝关节辅助康复装置上平台的运动是依靠两个电机控制器的协调控制来完成的，本系统采用模块化设计，这就要求两个模块必须互不影响。总之，控制系统[59-65]要有比较强的总体控制能力与可靠性较高的模块控制能力。

运动控制卡通常采用专业的运动控制芯片或高速DSP，来满足一系列的运动控制需求。通过PCI、PC104等总线接口与PC和工业PC相连接，并且和步进或者伺服驱动器连接来驱动步进和伺服电机来完成各种运动(单轴运动、多轴联动、多轴插补等)。可以接收各种输入信号(限位原点信号)，也可输出控制继电器、气缸等元件。使用者可使用VC、VB等软件开发工具，调用运动控制卡函数库，来快速开发出软件。

因此，辅助康复装置的控制系统选择基于PC+多轴运动控制卡+伺服驱动器的控制系统[66-70]。此控制系统采用PC+多轴运动控制卡+伺服驱动器进行控制，控制系统的结构示意图（如图5-1所示）。PC提供给用户界面接口，用于完成运动参数的设置、电机驱动功能选择和电机运行状态的监测等。下位机从上位机获取速度、加速度等指令，而后转换成相应的信号，伺服驱动器接受到相应的信号后驱动电机到达所需要的位置。下位机实时的采集位置信息，而后将这些位置信息传达给上位机。

图5-1 总体控制系统的示意图

5.2踝关节辅助康复装置控制系统的硬件选型

1) 运动控制卡的选择

本文在控制系统中[71-73]，运动控制卡选择采用众为兴的ADT-8940A1 型运动控制卡，该运动控制卡是基于 PCI总线的高性能四轴伺服/步进控制卡，该控制卡具有使用简单、易于操作且安装方便、支持即插即用、体积小的特点。脉冲输出方式可用单脉冲（脉冲+方向）或双脉冲（脉冲+脉冲）方式，最大脉冲频率 2MHz，其使用先进技术，保证在输出频率很高的时候，频率误差小于 0.1% 。运动控制

卡的连接方式如图5-2所示。

图5-2 ADT-8940D1 运动控制卡的连接图

一块 ADT-8940A1 卡有二个输入/输出接口，其中 J1 为 62 针插座，J2 为37针插座。J1为 X、Y、Z、A 轴的脉冲输出、开关量输入和开关量输出OUT0-OUT11的信号接线；J2为 X、Y、Z、A 轴的编码器输入和开关量输入的信号接线，以及开关量输出 OUT12-OUT15 信号的接线。

2) 伺服电机的选择

常用电机的电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。这三种电机的特点如下：

直流电机：控制比较容易，转速、转矩可以比较轻松的控制，效率较高，体积比较小，本身重量较轻。它的缺点是需按时保护、更换电刷。

交流电机：无电刷、换向器，不需要维护处理，惯量小，易于提高系统的快速性，适应于高速大力矩工作状态。它的缺点是有很复杂的驱动电路，价格比较贵。

步进电机：无电刷，与计算机连接口比较简单易行。它的缺点是有比较低的能量转换效率。

根据以上三种电机特点的比较，可以知道交流电机具有惯量小，易于提高系统的快速性，适应于高速大力矩工作状态等优点，因此非常适合作为该装置的驱动电机。因为无刷电机无电刷，所以噪声比较小，效率比较高，散热特性比较好，有很高的过载能力，不需要维护，寿命较长。所以根据前面电机扭矩仿真结果，经过设计计算，选用深圳众为兴公司的ACH-06020DC型号伺服电机作为驱动电机。

小惯量ACH-06020DC（200W）具有的特点：高速大力矩；平稳性好；低噪音，低震动；高精度；外观精美，易于安装。

技术参数：

电机型号 ACH-06020DC

额定功率（W） 200W

额定转速（r/min） 3000

额定转矩（N.m） 0.63

最大转矩（N.m） 1.9

额定线电流（A） 1.2

额定线电压（V） 220

编码器线数（PPR） 2500

3) 伺服驱动器的选择

踝关节控制系统负责控制各个运动，PC发来的控制指令通过多轴运动控制卡转发，通过PCI总线传递到伺服驱动器中。伺服驱动器将接收道德各个控制指令，翻译成伺服电机运动指令，伺服电机运动并实时反馈自身的运动状态。伺服驱动器选用众为兴QS7AA020M如图5-3所示。

图5-3 伺服电机驱动器QS7AA020M

控制系统电路连接电路，采用基于PCI总线的连接方式。

图5-4 控制系统电路连接示意图

5.3 踝关节辅助康复装置控制系统软件研究

5.3.1软件开发流程

踝关节装置的康复运动过程，就需要根据患者的需要按照一定运动规律进行

即背屈/跖屈和内翻/康复运动，这就需要控制输入的参数：定义输入角度

max

外翻最大仰角和俯角的输入数值，运动一个周期的循环时间t，改变循环时间可以控制运动时的速度；工作时间参数T，即踝关节装置工作几个周期。算法流程

图如图5-5所示。

图5-5 算法流程图 根据患者的需要来确定角度值的大小以及上平台的运动规律i S ，使上平台按照一定的运动规律运行。本课题选择自动机当中比较典型的三个运动规律（修正等速、修正正弦、修正梯形）来作为上平台的运动规律，计算得到上平台的角度变化规律i i max =S αα。在踝关节装置建立的过程中，对机构进行分析计算得到上平台的转角与电机的转角的关系式，把上平台的角度变化规律i i max =S αα代入前面的关系式，可以得到电机转角的变化规律。此时，以修正正弦运动规律为例，把计算得到的上平台角度变化规律i i max =S αα（此时i S 为修正正弦运动规律）当做上平台的转角，代入到上平台转角与电机转角的关系式中，可以得到电机转角的变化规律，然后进行电机转角脉冲当量换算，利用C++6.0软件进行C 语言编程，把电机的运动角度换算成伺服电机的脉冲当量，调用电机运动函数pmove ，驱动电机进行动作。