专利名称：基于pid自适应的控制装置、控制方法及应用其的机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及伺服传动装置的控制技术领域，具体地讲，是指一种基于PID自适应的控制装置、控制方法及应用其的机器人，其适用于硅片传输机械手的两手臂同步控制。
背景技术：
洁净机器人是一种应用于集成电路制造业，用于硅片在生产线上不同的工艺加工模块之间进行高效传输和定位的专用机器人。由于硅片比较薄并且易碎，硅片传输过程中，任何轻微的震动都可能对硅片造成损坏，这就对洁净机器人机械手臂在运行过程中的平稳性提出了较高要求。在各种洁净机器人当中有一种frog-leg型真空机械手，其形状和机械特性类似于青蛙的腿，有两个手臂，分别由两个电机对其控制。由于机械摩擦、机构设计、使用材料等因素的影响，两个手臂的机械特性不可能完全相同。当同时对两个电机施加相同的控制作用时，两个手臂的运行可能会出现不同步的情况，导致手臂末端托盘出现抖动，甚至会滑落损坏硅片。如何减小frog-leg型真空机械手运行过程中的不同步性、减小机械手抖动成为硅片传输机械手研制的关键问题。frog-leg型真空机械手两个手臂之间运动特性有强耦合性，即一个手臂的运动会给另一个手臂施加一定大小的力，它们之间有相互作用。在现有的技术中，文献名为“双直线电机同步驱动系统中模糊自适应PID控制方法的研究”(《沈阳工业大学学报》，2005，第27卷I期，34-37页)，采用模糊自适应与传统PID控制相结合的方案，实现了对PID控制器参数的在线自动整定，并采用速度与加速度的双重补偿。文献名为“单神经元PID在多电机同步控制中的应用”(《机电工程》，2010，第27卷8期，14-18页)，采用一种具有自学习和自适应能力的单神经元PID同步控制算法，单神经元PID控制算法可以在一定程度上解决传统PID控制不易在线实时整定参数的问题，实现电机的同步控制。以上同步控制技术具有一定的相关性，即都是通过在输出端检测各个电机速度和位置的变化并做比较，比较后再分别对两个电机的PID参数进行调节。但是上述算法所应用的电机之间并不具有强耦合性，如果应用在frog-leg型真空机械手中，仍然会出现两个手臂抖动的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于PID自适应的控制装置、控制方法及应用其的机器人，其能实现对两个电机同步控制、减小两机械臂抖动。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种基于PID自适应的控制装置，其包括:DSP电机采集与控制器及采集卡；所述的DSP电机采集与控制器作为电机采集与控制的设备，有两路A/D，实现对电机速度反馈信号的采样；所述的采集卡，与DSP电机采集与控制器之间，是通过CAN总线进行通信。优选地，上述的DSP电机采集与控制器，包括控制模块、可编程CPLD、存储器电路RAM,以及RS232接口和CAN总线接口，所述的控制模块用以实现对电机驱动电路的驱动控制。
优选地，上述的采集卡是采用以PC104为工业控制总线。优选地，上述的电机包括电机驱动器及与其相连的位置和速度传感器。一种基于PID自适应的控制方法，其采用上述的基于PID自适应的控制装置，其包括以下步骤:I)根据机器人的运行规划，获得电机位置期望值，即两个电机轴在所有运动时刻位置的期望值；2)根据设在两个电机上的位置和速度传感器，读取电机当前的实际位置值和速度值；3)计算步骤:计算两个电机实际位置与期望位置的差值；4)接收步骤3)中的差值，设置两个电机的比例环节KP ；5)根据步骤2)中的位置值和速度值，进行PID控制，以设置两个电机的积分环节KI和微分环节KD ；6)将比例环节KP、积分环节KI和微分环节KD输入给电机驱动器。上述的基于PID自适应的控制方法，在步骤4)中，两个电机比例环节KP由两电机各自实际位置与期望位置的差值决定，两个比例环节KP的比值与两个差值的比值相同，但是方向相反。上述的基于PID自适应的控制方法，在步骤5)中，两个电机的积分环节KI和微分环节KD根据实际位置、速度值和期望位置值进行自适应调整，调整值由仿真器获得。上述的基于PID自适应的控制方法，在步骤5)和步骤6)间，还进一步包括有检测步骤，用于检测同步误差是否满足要求，若不满足要求，返回步骤5)，若满足要求，则进行步骤6)。上述的基于PID自适应的控制方法，在检测步骤中，其是对其中一臂做扰动，然后，利用frog-leg型真空机械手力学模型，得出两臂负载值，将该负载值输入仿真器中，同时，将交流永磁同步电机的参数及比例环节KP、积分环节KI和微分环节KD也输入仿真器中，由仿真器判断，两臂的同步误差是否满足要求，不满足时，返回步骤5)重应进行PID控制调整，满足时，才输出当前的积分环节KI和微分环节KD给电机驱动器。一种机器人，其还进一步包括有上述的基于PID自适应的控制装置。采用上述技术方案后，本发明的控制方法，采取自适应的PID参数对电机转速进行调节，PID参数中比例环节与积分和微分环节分别调整。由于比例环节KP作用较快，可快速消除干扰的影响，可利用其迅速将两电机的不同步减小，其参数选择以两电机实际位置与期望位置的差值决定；然后利用积分环节和微分环节对系统动态和稳态很好的响应来进一步消除机械手臂的抖动，积分环节和微分环节参数由实际位置、速度值和期望位置值来动态调整。与习用相比，本发明具有以下优点:快速:由于两电机采用比例环节，并且其参数设置以两电机实际输出与期望输出的差值为参考进行设计，可快速减小两电机的不同步；稳定:经该方法调节后，两电机实现同步要求，两个机械手臂不存在抖动现象；鲁棒性好:每个机器人的机械手臂由于在制作过程中都会存在差异，使得两个电机所控制的系统参数不确定，该方法对于这种随机扰动有很好的控制效果。
图1是本发明基于PID自适应的控制装置的结构框图。图2是本发明控制方法的结构框图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。参考图1所示，本发明公开了一种基于PID自适应的控制装置，其包括:DSP电机采集与控制器I及采集卡2，其中:DSP电机采集与控制器I作为电机3的采集与控制的设备，有两路A/D，实现对电机速度反馈信号的采样，有控制模块以实现对电机驱动电路的驱动控制，其内部还有可编程CPLD、存储器电路RAM，以及RS232接口和CAN总线接口。采集卡2是采用以PC104(—种工业计算机总线标准)为工业控制总线；其与DSP电机采集与控制器I之间，是通过CAN总线进行通信。电机3为两个，每个电机3包括电机驱动器31及位置和速度传感器32，其输入和输出端与DSP电机采集与控制器I连接。本发明还公开了一种基于PID自适应的控制方法，其包括以下步骤:I)根据机器人的运行规划，获得电机位置期望值，即两个电机轴在所有运动时刻位置的期望值；2)根据设在两个电机上的位置和速度传感器32，读取电机当前的实际位置值和速度值；3)计算步骤:计算两个电机实际位置与期望位置的差值；4)接收步骤3)中的差值，设置两个电机的比例环节KP ；在此步骤中，两个电机3比例环节KP由两电机各自实际位置与期望位置的差值决定，两个比例环节KP的比值与两个差值的比值相同，但是方向相反。5)根据步骤2)中的位置值和速度值，进行PID控制，以设置两个电机的积分环节KI和微分环节KD ；在该步骤中，两个电机3的积分环节KI和微分环节KD根据实际位置、速度值和期望位置值进行自适应调整，调整值可由仿真器获得；6)将比例环节KP、积分环节KI和微分环节KD输入给电机驱动器31。在实施过程中，其还进一步包括有检测单元，用于检测同步误差是否满足要求，若不满足要求，返回步骤5)，若满足要求，则进行步骤6)。在检测时，是对其中一臂做扰动，然后，利用frog-leg型真空机械手力学模型，得出两臂负载值，将该负载值输入仿真器中，同时，将交流永磁同步电机的参数及比例环节KP、积分环节KI和微分环节KD也输入仿真器中，由仿真器判断，两臂的同步误差是否满足要求，不满足时，返回步骤5)重应进行PID控制调整，满足时，才输出当前的积分环节KI和微分环节KD给电机驱动器31。上述仿真器为MATLAB仿真器。本发明的控制方法，采取自适应的PID参数对电机转速进行调节，PID参数中比例环节与积分和微分环节分别调整。由于比例环节KP作用较快，可快速消除干扰的影响，可利用其迅速将两电机的不同步减小，其参数选择以两电机实际位置与期望位置的差值决定；然后利用积分环节和微分环节对系统动态和稳态很好的响应来进一步消除机械手臂的抖动，积分环节和微分环节参数由实际位置、速度值和期望位置值来动态调整。本发明还公开了一种机器人，其除了具有现有的机器人的特征外，还具有上述的控制装置，并采用了上述的控制方法。在使用时，由于机械摩擦、机构设计、使用材料等因素，在机器人工作时两个手臂的力学特性不一致，相当于电机驱动的负载发生了变化，并且两个手臂的力是相互作用的。由于洁净机器人要对晶片进行操作，要求其有很好的稳定性，需要快速的抑制掉由上述原因引起的手臂抖动，PID参数中的比例环节KP具有很快的作用效果，但是只用比例环节KP无法使控制系统稳定，还需要加入积分环节KI和微分环节KD，PID三个参数共同作用才能使手臂抖动快速、稳定的抑制掉，实现双电机同步控制。与习用相比，本发明具有以下优点:快速:由于两电机采用比例环节，并且其参数设置以两电机实际输出与期望输出的差值为参考进行设计，可快速减小两电机的不同步；稳定:经该方法调节后，两电机实现同步要求，两个机械手臂不存在抖动现象；鲁棒性好:每个机器人的机械手臂由于在制作过程中都会存在差异，使得两个电机所控制的系统参数不确定，该方法对于这种随机扰动有很好的控制效果。所谓鲁棒性，是指控制系统在一定(结构，大小)的参数摄动下，维持某些性能的特性。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种基于PID自适应的控制装置，其特征在于:其包括:DSP电机采集与控制器及采集卡；所述的DSP电机采集与控制器作为电机采集与控制的设备，有两路A/D，实现对电机速度反馈信号的采样；所述的采集卡，与DSP电机采集与控制器之间，是通过CAN总线进行通信。
2.根据权利要求1所述的基于PID自适应的控制装置，其特征在于:所述的DSP电机采集与控制器，包括控制模块、可编程CPLD、存储器电路RAM，以及RS232接口和CAN总线接口，所述的控制模块用以实现对电机驱动电路的驱动控制。
3.根据权利要求1或2所述的基于PID自适应的控制装置，其特征在于:所述的采集卡是采用以PC104为工业控制总线。
4.根据权利要求3所述的基于PID自适应的控制装置，其特征在于:所述的电机包括电机驱动器及与其相连的位置和速度传感器。
5.一种基于PID自适应的控制方法,其米用权利要求1 4任一所述的基于PID自适应的控制装置，其特征在于:其包括以下步骤: 1)根据机器人的运行规划，获得电机位置期望值，即两个电机轴在所有运动时刻位置的期望值； 2)根据设在两个电机上的位置和速度传感器，读取电机当前的实际位置值和速度值； 3)计算步骤:计算两个电机实际位置与期望位置的差值； 4)接收步骤3)中的差值，设置两个电机的比例环节KP; 5)根据步骤2)中的位置值和速度值，进行PID控制，以设置两个电机的积分环节KI和微分环节KD ； 6)将比例环节KP、积分环节KI和微分环节KD输入给电机驱动器。
6.根据权利要求5所述的基于PID自适应的控制方法，其特征在于:在步骤4)中，两个电机比例环节KP由两电机各自实际位置与期望位置的差值决定，两个比例环节KP的比值与两个差值的比值相同，但是方向相反。
7.根据权利要求5或6所述的基于PID自适应的控制方法，其特征在于:在步骤5)中，两个电机的积分环节KI和微分环节KD根据实际位置、速度值和期望位置值进行自适应调整，调整值由仿真器获得。
8.根据权利要求5或6所述的基于PID自适应的控制方法，其特征在于:在步骤5)和步骤6)间，还进一步包括有检测步骤，用于检测同步误差是否满足要求，若不满足要求，返回步骤5)，若满足要求，则进行步骤6)。
9.根据权利要求8所述的基于PID自适应的控制方法，其特征在于:在检测步骤中，其是对其中一臂做扰动，然后，利用frog-leg型真空机械手力学模型，得出两臂负载值，将该负载值输入仿真器中，同时，将交流永磁同步电机的参数及比例环节KP、积分环节KI和微分环节KD也输入仿真器中，由仿真器判断，两臂的同步误是否满足要求，不满足时，返回步骤5)重应进行PID控制调整，满足时，才输出当前的积分环节KI和微分环节KD给电机驱动器。
10.一种机器人，其特征在于:其还进一步包括有权利要求1 4任一所述的基于PID自适应的控制装置。
全文摘要
本发明公开了一种基于PID自适应的控制装置、控制方法及应用其的机器人，该控制装置，包括DSP电机采集与控制器及采集卡；DSP电机采集与控制器作为电机采集与控制的设备，实现对电机速度反馈信号的采样；采集卡，与DSP电机采集与控制器之间，是通过CAN总线进行通信。本发明的控制方法，采取自适应的PID参数对电机转速进行调节，PID参数中比例环节与积分和微分环节分别调整。与习用相比，本发明具有以下优点快速由于两电机采用比例环节，且其参数设置以实际输出与期望输出的差值为参考进行设计，可快速减小两电机的不同步；稳定调节后，两个机械手臂不存在抖动现象；鲁棒性好。
文档编号G05B13/04GK103197540SQ20121000381
公开日2013年7月10日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者贾凯, 曲道奎, 徐方, 邹风山, 宋吉来, 甘戈, 陈守良, 刘晓帆 申请人:沈阳新松机器人自动化股份有限公司