果園收獲作業機械化、自動化是廣大果農們關注的熱點問題，開展果樹采摘機器人研究，不僅對于適應市場需求、降低勞動強度、提高經濟效率有著一定的現實意義，而且對于跟蹤世界農業新技術、促進我國農業科技進步，加速農業現代化進程有著重大的歷史意義。 果樹采摘機器人是一個集環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多種功能于一體的綜合系統，它是由機械手固定在履帶式移動平臺上構成的一類特殊的移動機器人系統。本文在國家“863”高技術項目“果樹采摘機器人關鍵技術研究”支持下，以自行設計的機器人機械結構為研究對象，對果樹采摘機器人的控制系統進行了分析、研究和設計，設計了視覺伺服控制器，并對采摘機器人避障技術進行了探討。主要工作如下： 首先，分析了果樹采摘機器人機械結構，介紹了機器人運動學理論，根據自行設計的5自由度機械臂機械特性，采用幾何結構算法，建立了果樹采摘機器人機械臂的正、逆運動學方程。 其次，基于開放、先進和可靠的考慮，采用開放式結構設計機器人的控制系統。在開放式控制系統設計中，主要對果樹采摘機器人硬件組成部分主控計算機、運動控制器、數據采集卡等進行了選型設計。在分析果樹采摘機器人工作環境和工作特性的基礎上，設計了果樹采摘機器人的外圍傳感器。 再次，根據果樹采摘機器人機械結構和控制系統結構組成，設計了PID控制器，應用于機器人視覺伺服控制，實現果樹采摘機器人的實時控制。在詳細論述關節式機器人避障方法的基礎上，對果樹采摘機器人避障方法進行了初步的探討，提出了采用C—空間法實現采摘機器人實時避障。 最后，建立了傳感器實驗平臺，通過實驗驗證了所設計傳感器的正確性。利用固高PAN&TILT兩維數控轉臺和實地拍攝的蘋果圖像，對所提出的控制方法通過轉臺控制實驗進行了驗證。
標簽： 樹 控制 技術研究
上傳時間： 2013-08-05
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無刷直流電機具有體積小、重量輕、效率高和轉動慣量小等優點，另外它還具有和直流電機一樣的調速特性，而沒有直流電機復雜的機械換相設備，所以被廣泛應用于伺服控制、數控機床、機器人等工業領域，現代工業的快速發展對無刷直流電機控制系統的性能提出了更高的要求。因此，研究具有響應速度快、調節能力強、控制精度高的無刷直流電機控制系統具有十分重要的意義。 直接轉矩控制是一種高性能的電機控制方法，它已經成熟的應用在感應電機和永磁同步電機上，實現了優良的穩態性能和動態響應特性。本文通過大量的文獻資料閱讀，對無刷直流電機及其相關技術的發展、現狀和趨勢有了一個比較全面的理解，在此基礎上，詳細分析了無刷直流電機的數學模型，并提出了一套相應的直接轉矩控制方案，建立了仿真和試驗平臺，進行了仿真分析和實驗研究，獲得了有價值的研究成果。 本文的主要研究內容包括： (1)詳細分析了無刷直流電機的運行機理和數學模型，在此基礎上闡述無刷直流電機直接轉矩控制的基本控制機理，包括基于逆變器二二導通模式的空間電壓矢量的定義和針對無刷直流電機具有非正弦波反電動勢這一特點而推導的轉矩計算公式等。 (2)提出了一套無刷直流電機直接轉矩控制的具體實施方案，并根據這套方案建立了基于Simulink(Matlab)的無刷直流電機直接轉矩控制的仿真模型，對所提出的控制方案進行了仿真分析。仿真結果驗證了該方案在理論上的可行性。 (3)在理論研究的基礎之上，設計研制了一套基于DSP+IPM的無刷直流電機直接轉矩控制實驗系統，編寫了控制程序軟件，進行了無刷直流電機直接轉矩控制的實驗。實驗結果達到了預期的要求，證實了直接轉矩控制在改善無刷直流電機動態調速性能上的優勢。 本論文開展了繼異步電機和永磁同步電機之后對無刷直流電機實現直接轉矩控制的探索性研究工作。通過理論分析、計算機仿真和實驗得出了一些有意義的經驗和結論，為課題的進一步深入開展奠定了基礎。
標簽： 無刷直流電機 直接轉矩控制
上傳時間： 2013-07-11
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在實際應用中，對永磁同步電機控制精度的要求越來越高。尤其是在機器人、航空航天、精密電子儀器等對電機性能要求較高的領域，系統的快速性、穩定性和魯棒性能好壞成為決定永磁同步電機性能優劣的重要指標。傳統電機系統通常采用PID控制，其本質上是一種線性控制，若被控對象具有非線性特性或有參變量發生變化，會使得線性常參數的PID控制器無法保持設計時的性能指標；在確定PID參數的過程中，參數整定值是具有一定局域性的優化值，并不是全局最優值。實際電機系統具有非線性、參數時變及建模過程復雜等特點，因此常規PID控制難以從根本上解決動態品質與穩態精度的矛盾。永磁同步電機是典型的多變量、參數時變的非線性控制對象。先進控制方法(諸如智能控制、優化算法等)研究應用的發展與深入，為控制復雜的永磁同步電機系統開辟了嶄新的途徑。由于先進控制方法擺脫了對控制對象模型的依賴，能夠在處理不精確性和不確定性問題中有可處理性、魯棒性，因而將其引入永磁同步電機控制已成為一個必然的趨勢。本文根據系統實現目標的不同，選取相應的先進控制方法，并與PID控制相結合，對永磁同步電機各方面性能進行有針對性的優化，最終使其控制精度得到顯著的提高。為達到對永磁同步電機進行性能優化的研究目的，文中首先探討了正弦波永磁同步電機和方波永磁同步電機的運行特點及控制機理，通過建立數學模型，對相應的控制系統進行了整體分析。針對永磁同步電機非線性、強耦合的特點，設計了矢量控制方式下的永磁同步電機閉環反饋控制系統。結合常規PID控制，將模糊控制、遺傳算法、神經網絡和人工免疫等多種先進控制方法應用于永磁同步電機調速系統、伺服系統和同步傳動系統的控制器設計中，以滿足不同控制系統對電機動、靜態性能的要求以及對調速性能或跟隨性能的側重。實驗結果表明，采用先進控制方法的永磁同步電機具有較好的動態性能、抗擾動能力以及較強的魯棒性能；與傳統PID控制相比，系統的控制精度得到了明顯提高。研究結果驗證了先進控制方法應用于永磁同步電機性能優化的有效性和實用性。
標簽： 先進控制 永磁同步電機 性能優化
上傳時間： 2013-04-24
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高速、高精度已經成為伺服驅動系統的發展趨勢，而位置檢測環節是決定伺服系統高速、高精度性能的關鍵環節之一。光電編碼器作為伺服驅動系統中常用的檢測裝置，根據結構和原理的不同分為增量式和絕對式。本文從原理上對增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器做了深入的分析，通過對比它們的特性，得出了絕對式光電編碼器更適合高速、高精度伺服驅動系統的結論。 絕對式光電編碼器精度高、位數多的特點決定其通信方式只能采取串行傳輸方式，且由相應的通信協議控制信息的傳輸。本文首先針對編碼器主要生產廠商日本多摩川公司的絕對式光電編碼器，深入研究了通信協議相關的硬件電路、數據幀格式、時序等。隨后介紹了新興的電子器件FPGA及其開發語言硬件描述語言Verilog HDL，并對基于FPGA的絕對式編碼器通信接口電路做了可行性的分析。在此基礎上，采用自頂向下的設計方法，將整個接口電路劃分成發送模塊、接收模塊、序列控制模塊等多個模塊，各個模塊采用Verilog語言進行描述設計編碼器接口電路。最終的設計在相關硬件電路上實現。最后，通過在TMS320F2812伺服控制平臺上編寫的硬件驅動程序驗證了整個設計的各項功能，達到了設計的要求。
標簽： FPGA 光電編碼器 通信接口
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PWM(脈沖寬度調制)是一種利用數字信號來控制模擬電路的控制技術，廣泛應用于電源、電機、伺服系統、通信系統、電子控制器、功率控制等電力電子設備。PWM技術在逆變電路中的應用最為廣泛，也是變頻技術的核心，同時在機床，液壓位置控制系統等機械裝置中也發揮著重要的作用。PWM技術已經成為控制領域的一個熱點，因此研究PWM發生器對于基礎理論的發展和技術的改進都有十分重要的意義。 論文研究的主要內容是用任意波形作為調制信號通過特定的方法來產生所需要的PWM波形，任意波形的合成和PWM波形的生成是兩個主要任務。任意波形的合成是課題設計的一個難點，也是影響系統性能的關鍵因素之一。論文中波形合成采用直接數字頻率合成(DDS)技術來實現。DDS技術以相位為地址，通過查找離散幅度數據進行波形合成，具有輸出波形相位變化連續、分辨率高、頻率轉換速率快的優點，而且通過設置控制字可靈活方便地改變輸出頻率，是目前波形合成的主流方法。 實現PWM發生器的設計方法有多種。在綜合比較了單片機、DSP、ARM等常用開發工具特點的基礎上，本文提出了一種以可編程邏輯器件(PLD)為主體，單片機輔助配合的設計方法。隨著計算機技術和微電了技術的迅速發展，可編程邏輯器件的集成度和容量越來越大，基于PLD的設計方法正逐步成為一種主流于段，是近些年來電子系統設計的一個熱點。整個系統分為模擬波形產生、單片機控制電路、FPGA內部功能模塊三大部分。FPGA部分的設計是以Altera公司的Quartus Ⅱ軟件為開發平臺，采用VHDL語言為主要輸入手段來完成內部各功能模塊的設計輸入、編譯、仿真等調試工作，目標載體選用性價比比較高的Altera公司的CycloneⅡ系列的器件；單片機控制電路主要負責控制字的設置和顯示，波形數據的接受與發送；用MATLAB軟件完成仟意波形的繪制和模擬任務。 論文共分五章，詳細介紹了課題的背景、PWM發生器的發展和應用以及選題的目的和意義等，論述了系統設計方案的可行性，對外圍電路和FPAG內部功能模塊的設計方法進行了具體說明，并對仿真結果、系統的性能、存在的問題和改進方法等進行了分析和闡述。整個設計滿足PWM發生器的任務和功能要求，設計方法可行。
標簽： FPGA PWM 發生器
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在現代交流伺服系統中，矢量控制原理以及空間電壓矢量脈寬調制（SVPWM）技術使得交流電機能夠獲得和直流電機相媲美的性能。永磁同步電機（PMSM）是一個復雜耦合的非線性系統。本文在Matlab/Simulink環境下，通過對PMSM本體、d/q坐標系向a/b/c坐標系轉換等模塊的建立與組合，構建了永磁同步電機控制系統仿真模型。仿真結果證明了該系統模型的有效性。
標簽： MatlabSimulink PMSM 永磁同步電機
上傳用戶：liansi
運動控制技術是機電一體化的核心部分，提高運動控制技術水平對于提高我國的機電一體化技術具有至關重要的作用。運動控制技術的發展是制造自動化前進的旋律，是推動新的產業革命的關鍵技術。對于數控系統來說，最重要的是控制各個電機軸的運動，這是運動控制器接收并依照數控裝置的指令來控制各個電機軸運動從而實現數控加工的，數據加工中的定位控制精度、速度調節的性能等重要指標都與運動控制器直接相關。目前對數控系統的研究都集中在插入PC的NC控制器的研究上，而其核心部分就是對步進、伺服電機進行控制的運動控制卡的研究。對PC-NC來說，運動控制卡的性能很大程度上決定了整個數控系統的性能，而微電子和數字信號處理技術的發展及其應用，使運動控制卡的性能得到了不斷改進，集成度和可靠性大大提高。 本課題通過對運動控制技術的深入研究，并針對國內運動控制技術的研究起步較晚的現狀，結合當前運動控制領域的具體需要，緊跟當前運動控制技術研究的發展趨勢，吸收了數控技術和相關運動控制技術的最新成果，提出了基于PCI和FPGA的方案，研制了一款比較新穎的、功能強大的、具有很大柔性的四軸多功能運動控制卡。 本課題的具體研究主要有以下幾方面： 首先，通過對運動控制卡及運動控制系統等行業現狀的全面調研，和對運動控制技術的深入學習，在比較了幾種常用的運動控制方案的基礎上，提出了基于FPGA的運動控制設計方案，并規劃了板卡的總體設計。 其次，根據總體設計，規劃了板卡的結構，詳細劃分并實現了FPGA各部分的功能；利用光電隔離原理設計了數字輸入/輸出電路。 再次，利用FPGA的資源實現了PCI從設備接口，達到跟控制卡通信的目的，針對運動控制中的一些具體問題，如運動平穩性、實時控制以及多軸聯動等，在FPGA上設計了四軸運動控制電路，定義了各個寄存器的具體功能，設計了功能齊全的加／減速控制電路、變頻分配電路、倍頻分頻電路和三個功能各異的計數器電路等，自動降速點運動、A／B相編碼器倍頻計數電路等特殊功能。最后，進行了本運動控制卡的測試，從測試和應用結果來看，該卡達到預期的要求。
標簽： FPGA PCI 接口
上傳時間： 2013-07-27
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在機器人學的研究領域中，如何有效地提高機器人控制系統的控制性能始終是研究學者十分關注的一個重要內容。在分析了工業機器人的發展歷程和機器人控制系統的研究現狀后，本論文的主要目標是針對四關節實驗室機器人特有的機械結構和數學模型，建立一個新型全數字的基于DSP和FPGA的機器人位置伺服控制系統的軟、硬件平臺，實現對四關節實驗室機器人的精確控制。 本論文從實際情況出發，首先分析了所研究的四關節實驗室機器人的本體結構，并對其抽象簡化得到了它的運動學數學模型。在明確了實現機器人精確位置伺服控制的控制原理后，我們對機器人控制系統的諸多可行性方案進行了充分論證，并最終決定采用了三級CPU控制的控制體系結構：第一級CPU為上位計算機，它實現對機器人的系統管理、協調控制以及完成機器人實時軌跡規劃等控制算法的運算；第二級CPU為高性能的DSP處理器，它輔之以具有高速并行處理能力的FPGA芯片，實現了對機器人多個關節的高速并行驅動；第三級CPU為交流伺服驅動處理器，它實現了機器人關節伺服電機的精確三閉環誤差驅動控制，以及電機的故障診斷和自動保護等功能。此外，我們采用比普通UART速度快得多的USB來實現上位計算機．與下位控制器之間的數據通信，這樣既保證了兩者之間連接方便，又有效的提高了控制系統的通信速度和可靠性。 機器人系統的軟件設計包括兩個部分：一是采用VC++實現的上位監控軟件系統，它主要負責機器人實時軌跡規劃等控制算法的運算，同時完成用戶與機器人系統之間的信息交互；二是采用C語言實現的下位DSP控制程序，它主要負責接收上位監控系統或者下位控制箱發送的控制信號，實現對機器人的實時驅動，同時還能夠實時的向上位監控系統或者下位控制箱反饋機器人的當前狀態信息。 研究開發出來的四關節實驗室機器人控制器具有控制實時性好、定位精度高、運行穩定可靠的特點，它允許用戶通過上位控制計算機實現對機器人的各種設定作業的控制，也可以讓用戶通過機器人控制箱現場對機器人進行回零、示教等各項操作。
標簽： FPGA DSP 實驗室 機器人控制器
上傳時間： 2013-06-11
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目前，大多數嵌入式自動化系統都以MCU為核心，與監測、伺服、顯示等儀器、設備配合實現一定的功能。現場信息往往止步于“現場”，嵌入式自動化系統從而成為了“信息孤島”，因而制約了其本身的發展。要實現大規模的信息集成、綜合實施自動化，就需要一種能在工業現場環境下運行、可靠性高且實時性好的通信系統，形成工業現場的底層網絡，完成現場自動化設備之間的多點通信。 Ethernet（以太網）和CAN-bus（控制器局域網）分別是目前全球應用最為廣泛的國際互聯技術和開放式現場總線。隨著測控技術與網絡技術日益緊密的結合，測控系統接入互聯網已經成為大勢所趨，這也促成了近年來嵌入式網絡技術的飛速發展。以太網技術正在迅猛發展，將其應用到工控領域，可以達到降低成本，簡化結構等成效。隨著技術的發展以及實際的需要，將兩者結合無疑會為控制領域的飛速發展帶來巨大的原動力。本文設計了一種以ARM7處理器為核心的高性能嵌入式CAN-Ethernet網關，可以用來實現監控設備和現場設備之間穩固、簡潔的互連通信，完成對大規模現場設備的實時測控。 本文具體的研究內容如下： 1）以LPC2290為主控MCU的CAN-Ethernet互連系統的設計思想以及整體結構設計； 2）CAN-Ethernet互連系統轉換電路及外圍接口電路設計，MCS-51單片機與MCP2510實現CAN總線通信； 3）μC/OS-Ⅱ操作系統在LPC2290上的移植以及互連系統應用軟件設計實現與探討； 4）CAN-Ethernet互連系統核心交換模塊的設計； 5）使用HTTP協議實現Web服務的功能，并通過Web頁面實現對現場設備的遠程測控。
標簽： ARM CAN 總線 以太網
上傳時間： 2013-08-06
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盤式永磁同步電動機屬于軸向磁場電機，目前，該類電機在國外已經得到了迅速發展，作為一種現代高性能伺服電機和大力矩直接驅動電機己廣泛應用于機器人等機電一體化產品中。由于該類電機具有重量輕、體積小、結構緊湊、轉子無損耗、轉子的轉動慣量小、機電時間常數小、轉矩/重量比大、低速運行平穩、可以制成多氣隙組合式結構進一步提高轉矩等特點，其在數控機床、機器人、電動車、電梯、家用電器等場合具有廣闊的應用前景，是一種理想的驅動裝置。 本課題作為國家863計劃項目《新型稀土永磁電機設計及集成技術》2002AA324020中的一部分，該項目的主要工作是進行新型結構釹鐵硼永磁電機——盤式無鐵心永磁同步電動機的設計與集成技術研究，開發出一種新型釹鐵硼永磁電機，解決相應的整機設計和集成技術問題。本文中提出的基于Halbach陣列的盤式無鐵心永磁同步電動機是在盤式永磁同步電動機的基礎上，將無鐵心結構和Halbach型永磁體陣列應用到其中，從而使得電機的質量大為減輕，功率密度提高，振動噪聲降低，效率提高。 基于Halbach陣列的盤式無鐵心永磁同步電動機其磁路結構和電磁負荷分布與傳統電機完全不同，常規電機的某些設計規則不能直接應用到該結構電機的設計當中，本文主要針對這種結構的電機進行了分析與計算。分析了不同結構Halbach陣列下的氣隙磁場，以及相關參數的計算，給出了初步的樣機設計數據，并對樣機的加工工藝進行了探討，在總結、借鑒相關電機設計方法的基礎上，針對盤式無鐵心永磁同步電動機自身的特點，編制了一套電磁計算程序，該程序還有待通過大量樣機的試驗，來總結和完善。 我國稀土資源豐富，然而，由于技術經濟上的問題，國產永磁交流伺服電動機至今未能大量應用。與此同時，高性能的永磁交流伺服電動機及系統大量依靠進口，我國每年進口的工程裝備當中，僅數控機床因國產電機和系統不能滿足要求而每年需要進口的就達22億美元以上。本項目的完成將改變這類產品主要依靠進口的局面，充分發揮我國稀土資源豐富的優勢，其經濟效益和社會效益是十分巨大的。
標簽： HALBACH 陣列 永磁同步電動機 分
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