摘 要

机械手是一种具有跨时代意义的仿人类手臂的自动化机器，它可以拥有类似人类或其他生物的动作和协同能力等智能能力。电力电子、计算机、传感器等技术的发展成就了现代机械手，它集多种学科的优秀技术于一身，其性能决定了完成任务的效率和质量，在工业、军事和航空航天等领域发挥着重要角色，对社会经济和国防建设等具有重要的意义。其中，一体化关节是机械手最重要的部分，它包括驱动器和控制器等主控器件，所以，对机械手关节运动控制系统的研究具有决定其发展前景的重要意义。目前，液压驱动、气压驱动和电气驱动等是机械手的主要驱动方式，本文介绍的是一种基于DSP矢量控制永磁同步电机的机械手电气驱动方式。

首先介绍了课题背景和研究意义，阐述了永磁同步交流伺服系统的发展现状，分析了永磁同步电机的数学模型和矢量控制原理(SVPWM)；其次完成以TI公司的DSP：TMS320LF2407为控制核心，以IR2136为功率驱动核心的系统硬件电路；再利用Matlab/Simulink建立永磁同步电机伺服系统的仿真模型，位置环、速度环和电流环采用PI调节器，得到相应的仿真波形，并对仿真结果进行了分析，以验证整个设计的正确性。

课题研究方向是电机运动控制范畴，可以通过伺服系统和DSP结合，达到设计要求，完成对电机的稳定控制。

关键字：机械手一体化关节；电气驱动运动控制；DSP；仿真

Abstract

A manipulator(Robot) is an automated machine with a humanoid arm of an era, It may have the intelligent ability like the action and collaboration capabilities as humans or other organisms. Development of power electronics technology, computers, sensors and other achievements of modern manipulator(Robot), it combines many kinds of disciplines of outstanding technology in one, its performance determines the efficiency and quality of the task, it plays an important role in the industrial, military and aerospace fields, it has important implications for social economy and national defense construction. The joint is the most important part of the robot, which includes drives and controllers and other master devices, therefore, the study of manipulator joint motion control system has the important significance to determine its development prospect. Manipulator(Robot) drive system has hydraulic drive, pneumatic drive and the electrical drive, etc. This article describes an AC servo motor model DSP-Based Control System.

First introduced the background and significance of the subject, introduced the development of permanent magnet synchronous AC servo system, permanent magnet synchronous motor mathematical model and vector control principle; and then complete the system hardware circuit design based on TI's DSP: TMS320F2407 as the control core and IR2136 as the power-driven core; and then use Matlab / Simulink to establish the simulation model of permanent magnet synchronous motor servo system, using PI regulator, get the corresponding simulation waveform to verify the correctness of the entire design.

The research direction of the subject is the category of motor motion control, can be combined with the servo system and DSP to meet the design requirements, to complete the stability of the motor control.

Key Words: Manipulator(Robot) integrated joints; Electrical drive motion control; DSP; Simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2课题相关技术研究与应用现状 1

1.2.1永磁同步电机及其控制技术的研究现状 1

1.2.2微处理器的发展 2

1.2.3电力电子技术的发展现状 3

1.2.4传感器的发展 3

1.2.5交流伺服系统控制策略的发展 4

1.3课题研究的意义及主要工作 5

1.3.1课题研究的意义 5

1.3.2本文的主要工作 5

第2章 永磁同步电机的矢量控制及SVPWM技术 7

2.1永磁同步电机的数学模型 7

2.2永磁同步电机的矢量控制策略 10

2.2.1矢量控制原理 10

2.2.2矢量控制策略 11

2.3电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM控制技术） 12

2.3.1 SVPWM控制的原理 12

2.3.2 SVPWM控制的实现方法 18

第3章 机械手单关节运动控制系统的设计 20

3.1硬件系统的总体设计 20

3.2主电路的设计 21

3.3驱动电路的设计 21

3.4控制电路的设计 22

3.4.1 TMS320LF2407最小系统 22

3.4.2 TMS320LF2407外围电路 23

3.5检测电路的设计 26

3.5.1电流检测电路 26

3.5.2位置检测电路 27

3.6电源转换电路 28

3.7 软件系统的整体设计 30

3.7.1交流伺服系统主程序 30

3.7.2 PWM定时中断程序 31

第4章 机械手单关节运动控制系统的Matlab仿真 33

4.1运动控制系统仿真的总体结构 33

4.2仿真实验结果 34

4.2.1电机参数给定 34

4.2.2 PI参数整定及仿真波形 35

结论 40

参考文献 41

附录 42

致谢 47

第1章 绪论

随着电力电子、计算机、传感器等技术的快速发展，机械手的智能化水平越来越高，近年来取代了越来越多的人力劳动力，传统工艺正面临着“淘汰”。机械手也逐步在工业、军事和航空航天等更多领域扮演重要角色，面于越来越复杂、严苛的工作环境，机器人机械手的性能需要不断提高来满足工作要求。因此，对机械手关节运动控制系统的研究十分必要。

1.1课题背景

现今,一些西方发达国家对机械手的应用已经涉及到各个行业，如芯片制造、装配等，机械手不仅可以代替人力劳动力，也可以以高精度、高质量的标准完成工作，随着工业4.0时代的到来，未来工业等领域机械手的使用会得到很大程度上的推广。机械手的一体化关节控制系统包含着多种学科的结合，控制系统性能的优劣也决定着机械手运行的稳定程度和性能，一体化关节是机械手最重要的组成部分，驱动器、控制器和传感器都包含在其中。传统机械手由于控制策略和系统硬件等问题，往往呈现出柔性差、功能少、语言限制等问题。目前，在我国使用的机械手一体化关节或者其他硬件，主要是从国外进口而来，价格昂贵，因此，为了降低成本，提高机械手工作性能，机械手关节运动控制系统的研究具有十分重要的意义。如今出现了自适应控制、神经网络控制等更优秀的控制技术，控制精度更高、性能更好，机械手也向着标准化、模块化的方向快速发展。

1.2课题相关技术研究与应用现状

1.2.1永磁同步电机及其控制技术的研究现状

在电励磁电机的基础上，永磁同步电机得到了广泛关注和快速发展。与普通电励磁同步电机相比，永磁同步电机最明显的不同之处是它的励磁部分由永磁体来完成，去掉了相对需要的励磁绕组、集电环等，简化了电机结构，所以称为永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）。

永磁材料的类别对电机的结构及性能很重要。目前铁氧体、稀土钴和钕铁硼（两者统称为稀土永磁）这三类，是作为永磁体的主要材料，其中，钕铁硼得到了广泛关注和应用，因为相较于其他永磁材料而言，钕铁硼的矫顽力和剩磁较高，并且成本很低，是一种新型的永磁材料。对于我国来说，我国具有丰富稀土资源的优势，可以利用来大力推广和研究永磁电机，对于社会经济和节约能源具有一定意义。