專利名稱：基于pid自適應(yīng)的控制裝置、控制方法及應(yīng)用其的機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及伺服傳動裝置的控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，是指一種基于PID自適應(yīng)的控制裝置、控制方法及應(yīng)用其的機(jī)器人，其適用于硅片傳輸機(jī)械手的兩手臂同步控制。
背景技術(shù)：
潔凈機(jī)器人是一種應(yīng)用于集成電路制造業(yè)，用于硅片在生產(chǎn)線上不同的工藝加工模塊之間進(jìn)行高效傳輸和定位的專用機(jī)器人。由于硅片比較薄并且易碎，硅片傳輸過程中，任何輕微的震動都可能對硅片造成損壞，這就對潔凈機(jī)器人機(jī)械手臂在運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性提出了較高要求。在各種潔凈機(jī)器人當(dāng)中有一種frog-leg型真空機(jī)械手，其形狀和機(jī)械特性類似于青蛙的腿，有兩個手臂，分別由兩個電機(jī)對其控制。由于機(jī)械摩擦、機(jī)構(gòu)設(shè)計、使用材料等因素的影響，兩個手臂的機(jī)械特性不可能完全相同。當(dāng)同時對兩個電機(jī)施加相同的控制作用時，兩個手臂的運(yùn)行可能會出現(xiàn)不同步的情況，導(dǎo)致手臂末端托盤出現(xiàn)抖動，甚至?xí)鋼p壞硅片。如何減小frog-leg型真空機(jī)械手運(yùn)行過程中的不同步性、減小機(jī)械手抖動成為硅片傳輸機(jī)械手研制的關(guān)鍵問題。frog-leg型真空機(jī)械手兩個手臂之間運(yùn)動特性有強(qiáng)耦合性，即一個手臂的運(yùn)動會給另一個手臂施加一定大小的力，它們之間有相互作用。在現(xiàn)有的技術(shù)中，文獻(xiàn)名為“雙直線電機(jī)同步驅(qū)動系統(tǒng)中模糊自適應(yīng)PID控制方法的研究”(《沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報》，2005，第27卷I期，34-37頁)，采用模糊自適應(yīng)與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的方案，實現(xiàn)了對PID控制器參數(shù)的在線自動整定，并采用速度與加速度的雙重補(bǔ)償。文獻(xiàn)名為“單神經(jīng)元PID在多電機(jī)同步控制中的應(yīng)用”(《機(jī)電工程》，2010，第27卷8期，14-18頁)，采用一種具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的單神經(jīng)元PID同步控制算法，單神經(jīng)元PID控制算法可以在一定程度上解決傳統(tǒng)PID控制不易在線實時整定參數(shù)的問題，實現(xiàn)電機(jī)的同步控制。以上同步控制技術(shù)具有一定的相關(guān)性，即都是通過在輸出端檢測各個電機(jī)速度和位置的變化并做比較，比較后再分別對兩個電機(jī)的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是上述算法所應(yīng)用的電機(jī)之間并不具有強(qiáng)耦合性，如果應(yīng)用在frog-leg型真空機(jī)械手中，仍然會出現(xiàn)兩個手臂抖動的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于PID自適應(yīng)的控制裝置、控制方法及應(yīng)用其的機(jī)器人，其能實現(xiàn)對兩個電機(jī)同步控制、減小兩機(jī)械臂抖動。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種基于PID自適應(yīng)的控制裝置，其包括:DSP電機(jī)采集與控制器及采集卡；所述的DSP電機(jī)采集與控制器作為電機(jī)采集與控制的設(shè)備，有兩路A/D，實現(xiàn)對電機(jī)速度反饋信號的采樣；所述的采集卡，與DSP電機(jī)采集與控制器之間，是通過CAN總線進(jìn)行通信。優(yōu)選地，上述的DSP電機(jī)采集與控制器，包括控制模塊、可編程CPLD、存儲器電路RAM,以及RS232接口和CAN總線接口，所述的控制模塊用以實現(xiàn)對電機(jī)驅(qū)動電路的驅(qū)動控制。
優(yōu)選地，上述的采集卡是采用以PC104為工業(yè)控制總線。優(yōu)選地，上述的電機(jī)包括電機(jī)驅(qū)動器及與其相連的位置和速度傳感器。一種基于PID自適應(yīng)的控制方法，其采用上述的基于PID自適應(yīng)的控制裝置，其包括以下步驟:I)根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)行規(guī)劃，獲得電機(jī)位置期望值，即兩個電機(jī)軸在所有運(yùn)動時刻位置的期望值；2)根據(jù)設(shè)在兩個電機(jī)上的位置和速度傳感器，讀取電機(jī)當(dāng)前的實際位置值和速度值；3)計算步驟:計算兩個電機(jī)實際位置與期望位置的差值；4)接收步驟3)中的差值，設(shè)置兩個電機(jī)的比例環(huán)節(jié)KP ；5)根據(jù)步驟2)中的位置值和速度值，進(jìn)行PID控制，以設(shè)置兩個電機(jī)的積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD ；6)將比例環(huán)節(jié)KP、積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD輸入給電機(jī)驅(qū)動器。上述的基于PID自適應(yīng)的控制方法，在步驟4)中，兩個電機(jī)比例環(huán)節(jié)KP由兩電機(jī)各自實際位置與期望位置的差值決定，兩個比例環(huán)節(jié)KP的比值與兩個差值的比值相同，但是方向相反。上述的基于PID自適應(yīng)的控制方法，在步驟5)中，兩個電機(jī)的積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD根據(jù)實際位置、速度值和期望位置值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，調(diào)整值由仿真器獲得。上述的基于PID自適應(yīng)的控制方法，在步驟5)和步驟6)間，還進(jìn)一步包括有檢測步驟，用于檢測同步誤差是否滿足要求，若不滿足要求，返回步驟5)，若滿足要求，則進(jìn)行步驟6)。上述的基于PID自適應(yīng)的控制方法，在檢測步驟中，其是對其中一臂做擾動，然后，利用frog-leg型真空機(jī)械手力學(xué)模型，得出兩臂負(fù)載值，將該負(fù)載值輸入仿真器中，同時，將交流永磁同步電機(jī)的參數(shù)及比例環(huán)節(jié)KP、積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD也輸入仿真器中，由仿真器判斷，兩臂的同步誤差是否滿足要求，不滿足時，返回步驟5)重應(yīng)進(jìn)行PID控制調(diào)整，滿足時，才輸出當(dāng)前的積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD給電機(jī)驅(qū)動器。一種機(jī)器人，其還進(jìn)一步包括有上述的基于PID自適應(yīng)的控制裝置。采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明的控制方法，采取自適應(yīng)的PID參數(shù)對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，PID參數(shù)中比例環(huán)節(jié)與積分和微分環(huán)節(jié)分別調(diào)整。由于比例環(huán)節(jié)KP作用較快，可快速消除干擾的影響，可利用其迅速將兩電機(jī)的不同步減小，其參數(shù)選擇以兩電機(jī)實際位置與期望位置的差值決定；然后利用積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)對系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)很好的響應(yīng)來進(jìn)一步消除機(jī)械手臂的抖動，積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)參數(shù)由實際位置、速度值和期望位置值來動態(tài)調(diào)整。與習(xí)用相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:快速:由于兩電機(jī)采用比例環(huán)節(jié)，并且其參數(shù)設(shè)置以兩電機(jī)實際輸出與期望輸出的差值為參考進(jìn)行設(shè)計，可快速減小兩電機(jī)的不同步；穩(wěn)定:經(jīng)該方法調(diào)節(jié)后，兩電機(jī)實現(xiàn)同步要求，兩個機(jī)械手臂不存在抖動現(xiàn)象；魯棒性好:每個機(jī)器人的機(jī)械手臂由于在制作過程中都會存在差異，使得兩個電機(jī)所控制的系統(tǒng)參數(shù)不確定，該方法對于這種隨機(jī)擾動有很好的控制效果。


圖1是本發(fā)明基于PID自適應(yīng)的控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明控制方法的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。參考圖1所示，本發(fā)明公開了一種基于PID自適應(yīng)的控制裝置，其包括:DSP電機(jī)采集與控制器I及采集卡2，其中:DSP電機(jī)采集與控制器I作為電機(jī)3的采集與控制的設(shè)備，有兩路A/D，實現(xiàn)對電機(jī)速度反饋信號的采樣，有控制模塊以實現(xiàn)對電機(jī)驅(qū)動電路的驅(qū)動控制，其內(nèi)部還有可編程CPLD、存儲器電路RAM，以及RS232接口和CAN總線接口。采集卡2是采用以PC104(—種工業(yè)計算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn))為工業(yè)控制總線；其與DSP電機(jī)采集與控制器I之間，是通過CAN總線進(jìn)行通信。電機(jī)3為兩個，每個電機(jī)3包括電機(jī)驅(qū)動器31及位置和速度傳感器32，其輸入和輸出端與DSP電機(jī)采集與控制器I連接。本發(fā)明還公開了一種基于PID自適應(yīng)的控制方法，其包括以下步驟:I)根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)行規(guī)劃，獲得電機(jī)位置期望值，即兩個電機(jī)軸在所有運(yùn)動時刻位置的期望值；2)根據(jù)設(shè)在兩個電機(jī)上的位置和速度傳感器32，讀取電機(jī)當(dāng)前的實際位置值和速度值；3)計算步驟:計算兩個電機(jī)實際位置與期望位置的差值；4)接收步驟3)中的差值，設(shè)置兩個電機(jī)的比例環(huán)節(jié)KP ；在此步驟中，兩個電機(jī)3比例環(huán)節(jié)KP由兩電機(jī)各自實際位置與期望位置的差值決定，兩個比例環(huán)節(jié)KP的比值與兩個差值的比值相同，但是方向相反。5)根據(jù)步驟2)中的位置值和速度值，進(jìn)行PID控制，以設(shè)置兩個電機(jī)的積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD ；在該步驟中，兩個電機(jī)3的積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD根據(jù)實際位置、速度值和期望位置值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，調(diào)整值可由仿真器獲得；6)將比例環(huán)節(jié)KP、積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD輸入給電機(jī)驅(qū)動器31。在實施過程中，其還進(jìn)一步包括有檢測單元，用于檢測同步誤差是否滿足要求，若不滿足要求，返回步驟5)，若滿足要求，則進(jìn)行步驟6)。在檢測時，是對其中一臂做擾動，然后，利用frog-leg型真空機(jī)械手力學(xué)模型，得出兩臂負(fù)載值，將該負(fù)載值輸入仿真器中，同時，將交流永磁同步電機(jī)的參數(shù)及比例環(huán)節(jié)KP、積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD也輸入仿真器中，由仿真器判斷，兩臂的同步誤差是否滿足要求，不滿足時，返回步驟5)重應(yīng)進(jìn)行PID控制調(diào)整，滿足時，才輸出當(dāng)前的積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD給電機(jī)驅(qū)動器31。上述仿真器為MATLAB仿真器。本發(fā)明的控制方法，采取自適應(yīng)的PID參數(shù)對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，PID參數(shù)中比例環(huán)節(jié)與積分和微分環(huán)節(jié)分別調(diào)整。由于比例環(huán)節(jié)KP作用較快，可快速消除干擾的影響，可利用其迅速將兩電機(jī)的不同步減小，其參數(shù)選擇以兩電機(jī)實際位置與期望位置的差值決定；然后利用積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)對系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)很好的響應(yīng)來進(jìn)一步消除機(jī)械手臂的抖動，積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)參數(shù)由實際位置、速度值和期望位置值來動態(tài)調(diào)整。本發(fā)明還公開了一種機(jī)器人，其除了具有現(xiàn)有的機(jī)器人的特征外，還具有上述的控制裝置，并采用了上述的控制方法。在使用時，由于機(jī)械摩擦、機(jī)構(gòu)設(shè)計、使用材料等因素，在機(jī)器人工作時兩個手臂的力學(xué)特性不一致，相當(dāng)于電機(jī)驅(qū)動的負(fù)載發(fā)生了變化，并且兩個手臂的力是相互作用的。由于潔凈機(jī)器人要對晶片進(jìn)行操作，要求其有很好的穩(wěn)定性，需要快速的抑制掉由上述原因引起的手臂抖動，PID參數(shù)中的比例環(huán)節(jié)KP具有很快的作用效果，但是只用比例環(huán)節(jié)KP無法使控制系統(tǒng)穩(wěn)定，還需要加入積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD，PID三個參數(shù)共同作用才能使手臂抖動快速、穩(wěn)定的抑制掉，實現(xiàn)雙電機(jī)同步控制。與習(xí)用相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:快速:由于兩電機(jī)采用比例環(huán)節(jié)，并且其參數(shù)設(shè)置以兩電機(jī)實際輸出與期望輸出的差值為參考進(jìn)行設(shè)計，可快速減小兩電機(jī)的不同步；穩(wěn)定:經(jīng)該方法調(diào)節(jié)后，兩電機(jī)實現(xiàn)同步要求，兩個機(jī)械手臂不存在抖動現(xiàn)象；魯棒性好:每個機(jī)器人的機(jī)械手臂由于在制作過程中都會存在差異，使得兩個電機(jī)所控制的系統(tǒng)參數(shù)不確定，該方法對于這種隨機(jī)擾動有很好的控制效果。所謂魯棒性，是指控制系統(tǒng)在一定(結(jié)構(gòu)，大小)的參數(shù)攝動下，維持某些性能的特性。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種基于PID自適應(yīng)的控制裝置，其特征在于:其包括:DSP電機(jī)采集與控制器及采集卡；所述的DSP電機(jī)采集與控制器作為電機(jī)采集與控制的設(shè)備，有兩路A/D，實現(xiàn)對電機(jī)速度反饋信號的采樣；所述的采集卡，與DSP電機(jī)采集與控制器之間，是通過CAN總線進(jìn)行通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PID自適應(yīng)的控制裝置，其特征在于:所述的DSP電機(jī)采集與控制器，包括控制模塊、可編程CPLD、存儲器電路RAM，以及RS232接口和CAN總線接口，所述的控制模塊用以實現(xiàn)對電機(jī)驅(qū)動電路的驅(qū)動控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于PID自適應(yīng)的控制裝置，其特征在于:所述的采集卡是采用以PC104為工業(yè)控制總線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于PID自適應(yīng)的控制裝置，其特征在于:所述的電機(jī)包括電機(jī)驅(qū)動器及與其相連的位置和速度傳感器。
5.一種基于PID自適應(yīng)的控制方法,其米用權(quán)利要求1 4任一所述的基于PID自適應(yīng)的控制裝置，其特征在于:其包括以下步驟: 1)根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)行規(guī)劃，獲得電機(jī)位置期望值，即兩個電機(jī)軸在所有運(yùn)動時刻位置的期望值； 2)根據(jù)設(shè)在兩個電機(jī)上的位置和速度傳感器，讀取電機(jī)當(dāng)前的實際位置值和速度值； 3)計算步驟:計算兩個電機(jī)實際位置與期望位置的差值； 4)接收步驟3)中的差值，設(shè)置兩個電機(jī)的比例環(huán)節(jié)KP; 5)根據(jù)步驟2)中的位置值和速度值，進(jìn)行PID控制，以設(shè)置兩個電機(jī)的積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD ； 6)將比例環(huán)節(jié)KP、積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD輸入給電機(jī)驅(qū)動器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于PID自適應(yīng)的控制方法，其特征在于:在步驟4)中，兩個電機(jī)比例環(huán)節(jié)KP由兩電機(jī)各自實際位置與期望位置的差值決定，兩個比例環(huán)節(jié)KP的比值與兩個差值的比值相同，但是方向相反。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于PID自適應(yīng)的控制方法，其特征在于:在步驟5)中，兩個電機(jī)的積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD根據(jù)實際位置、速度值和期望位置值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，調(diào)整值由仿真器獲得。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于PID自適應(yīng)的控制方法，其特征在于:在步驟5)和步驟6)間，還進(jìn)一步包括有檢測步驟，用于檢測同步誤差是否滿足要求，若不滿足要求，返回步驟5)，若滿足要求，則進(jìn)行步驟6)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于PID自適應(yīng)的控制方法，其特征在于:在檢測步驟中，其是對其中一臂做擾動，然后，利用frog-leg型真空機(jī)械手力學(xué)模型，得出兩臂負(fù)載值，將該負(fù)載值輸入仿真器中，同時，將交流永磁同步電機(jī)的參數(shù)及比例環(huán)節(jié)KP、積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD也輸入仿真器中，由仿真器判斷，兩臂的同步誤是否滿足要求，不滿足時，返回步驟5)重應(yīng)進(jìn)行PID控制調(diào)整，滿足時，才輸出當(dāng)前的積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD給電機(jī)驅(qū)動器。
10.一種機(jī)器人，其特征在于:其還進(jìn)一步包括有權(quán)利要求1 4任一所述的基于PID自適應(yīng)的控制裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于PID自適應(yīng)的控制裝置、控制方法及應(yīng)用其的機(jī)器人，該控制裝置，包括DSP電機(jī)采集與控制器及采集卡；DSP電機(jī)采集與控制器作為電機(jī)采集與控制的設(shè)備，實現(xiàn)對電機(jī)速度反饋信號的采樣；采集卡，與DSP電機(jī)采集與控制器之間，是通過CAN總線進(jìn)行通信。本發(fā)明的控制方法，采取自適應(yīng)的PID參數(shù)對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，PID參數(shù)中比例環(huán)節(jié)與積分和微分環(huán)節(jié)分別調(diào)整。與習(xí)用相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點快速由于兩電機(jī)采用比例環(huán)節(jié)，且其參數(shù)設(shè)置以實際輸出與期望輸出的差值為參考進(jìn)行設(shè)計，可快速減小兩電機(jī)的不同步；穩(wěn)定調(diào)節(jié)后，兩個機(jī)械手臂不存在抖動現(xiàn)象；魯棒性好。
文檔編號G05B13/04GK103197540SQ20121000381
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者賈凱, 曲道奎, 徐方, 鄒風(fēng)山, 宋吉來, 甘戈, 陳守良, 劉曉帆 申請人:沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司