專利名稱：基于pid自適應的控制裝置、控制方法及應用其的機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及伺服傳動裝置的控制技術領域，具體地講，是指一種基于PID自適應的控制裝置、控制方法及應用其的機器人，其適用于硅片傳輸機械手的兩手臂同步控制。
背景技術：
潔凈機器人是一種應用于集成電路制造業，用于硅片在生產線上不同的工藝加工模塊之間進行高效傳輸和定位的專用機器人。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，這就對潔凈機器人機械手臂在運行過程中的平穩性提出了較高要求。在各種潔凈機器人當中有一種frog-leg型真空機械手，其形狀和機械特性類似于青蛙的腿，有兩個手臂，分別由兩個電機對其控制。由于機械摩擦、機構設計、使用材料等因素的影響，兩個手臂的機械特性不可能完全相同。當同時對兩個電機施加相同的控制作用時，兩個手臂的運行可能會出現不同步的情況，導致手臂末端托盤出現抖動，甚至會滑落損壞硅片。如何減小frog-leg型真空機械手運行過程中的不同步性、減小機械手抖動成為硅片傳輸機械手研制的關鍵問題。frog-leg型真空機械手兩個手臂之間運動特性有強耦合性，即一個手臂的運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。在現有的技術中，文獻名為“雙直線電機同步驅動系統中模糊自適應PID控制方法的研究”(《沈陽工業大學學報》，2005，第27卷I期，34-37頁)，采用模糊自適應與傳統PID控制相結合的方案，實現了對PID控制器參數的在線自動整定，并采用速度與加速度的雙重補償。文獻名為“單神經元PID在多電機同步控制中的應用”(《機電工程》，2010，第27卷8期，14-18頁)，采用一種具有自學習和自適應能力的單神經元PID同步控制算法，單神經元PID控制算法可以在一定程度上解決傳統PID控制不易在線實時整定參數的問題，實現電機的同步控制。以上同步控制技術具有一定的相關性，即都是通過在輸出端檢測各個電機速度和位置的變化并做比較，比較后再分別對兩個電機的PID參數進行調節。但是上述算法所應用的電機之間并不具有強耦合性，如果應用在frog-leg型真空機械手中，仍然會出現兩個手臂抖動的情況。

發明內容
本發明的目的在于提供一種基于PID自適應的控制裝置、控制方法及應用其的機器人，其能實現對兩個電機同步控制、減小兩機械臂抖動。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:一種基于PID自適應的控制裝置，其包括:DSP電機采集與控制器及采集卡；所述的DSP電機采集與控制器作為電機采集與控制的設備，有兩路A/D，實現對電機速度反饋信號的采樣；所述的采集卡，與DSP電機采集與控制器之間，是通過CAN總線進行通信。優選地，上述的DSP電機采集與控制器，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對電機驅動電路的驅動控制。
優選地，上述的采集卡是采用以PC104為工業控制總線。優選地，上述的電機包括電機驅動器及與其相連的位置和速度傳感器。一種基于PID自適應的控制方法，其采用上述的基于PID自適應的控制裝置，其包括以下步驟:I)根據機器人的運行規劃，獲得電機位置期望值，即兩個電機軸在所有運動時刻位置的期望值；2)根據設在兩個電機上的位置和速度傳感器，讀取電機當前的實際位置值和速度值；3)計算步驟:計算兩個電機實際位置與期望位置的差值；4)接收步驟3)中的差值，設置兩個電機的比例環節KP ；5)根據步驟2)中的位置值和速度值，進行PID控制，以設置兩個電機的積分環節KI和微分環節KD ；6)將比例環節KP、積分環節KI和微分環節KD輸入給電機驅動器。上述的基于PID自適應的控制方法，在步驟4)中，兩個電機比例環節KP由兩電機各自實際位置與期望位置的差值決定，兩個比例環節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自適應的控制方法，在步驟5)中，兩個電機的積分環節KI和微分環節KD根據實際位置、速度值和期望位置值進行自適應調整，調整值由仿真器獲得。上述的基于PID自適應的控制方法，在步驟5)和步驟6)間，還進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，則進行步驟6)。上述的基于PID自適應的控制方法，在檢測步驟中，其是對其中一臂做擾動，然后，利用frog-leg型真空機械手力學模型，得出兩臂負載值，將該負載值輸入仿真器中，同時，將交流永磁同步電機的參數及比例環節KP、積分環節KI和微分環節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)重應進行PID控制調整，滿足時，才輸出當前的積分環節KI和微分環節KD給電機驅動器。一種機器人，其還進一步包括有上述的基于PID自適應的控制裝置。采用上述技術方案后，本發明的控制方法，采取自適應的PID參數對電機轉速進行調節，PID參數中比例環節與積分和微分環節分別調整。由于比例環節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的不同步減小，其參數選擇以兩電機實際位置與期望位置的差值決定；然后利用積分環節和微分環節對系統動態和穩態很好的響應來進一步消除機械手臂的抖動，積分環節和微分環節參數由實際位置、速度值和期望位置值來動態調整。與習用相比，本發明具有以下優點:快速:由于兩電機采用比例環節，并且其參數設置以兩電機實際輸出與期望輸出的差值為參考進行設計，可快速減小兩電機的不同步；穩定:經該方法調節后，兩電機實現同步要求，兩個機械手臂不存在抖動現象；魯棒性好:每個機器人的機械手臂由于在制作過程中都會存在差異，使得兩個電機所控制的系統參數不確定，該方法對于這種隨機擾動有很好的控制效果。


圖1是本發明基于PID自適應的控制裝置的結構框圖。圖2是本發明控制方法的結構框圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。參考圖1所示，本發明公開了一種基于PID自適應的控制裝置，其包括:DSP電機采集與控制器I及采集卡2，其中:DSP電機采集與控制器I作為電機3的采集與控制的設備，有兩路A/D，實現對電機速度反饋信號的采樣，有控制模塊以實現對電機驅動電路的驅動控制，其內部還有可編程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(—種工業計算機總線標準)為工業控制總線；其與DSP電機采集與控制器I之間，是通過CAN總線進行通信。電機3為兩個，每個電機3包括電機驅動器31及位置和速度傳感器32，其輸入和輸出端與DSP電機采集與控制器I連接。本發明還公開了一種基于PID自適應的控制方法，其包括以下步驟:I)根據機器人的運行規劃，獲得電機位置期望值，即兩個電機軸在所有運動時刻位置的期望值；2)根據設在兩個電機上的位置和速度傳感器32，讀取電機當前的實際位置值和速度值；3)計算步驟:計算兩個電機實際位置與期望位置的差值；4)接收步驟3)中的差值，設置兩個電機的比例環節KP ；在此步驟中，兩個電機3比例環節KP由兩電機各自實際位置與期望位置的差值決定，兩個比例環節KP的比值與兩個差值的比值相同，但是方向相反。5)根據步驟2)中的位置值和速度值，進行PID控制，以設置兩個電機的積分環節KI和微分環節KD ；在該步驟中，兩個電機3的積分環節KI和微分環節KD根據實際位置、速度值和期望位置值進行自適應調整，調整值可由仿真器獲得；6)將比例環節KP、積分環節KI和微分環節KD輸入給電機驅動器31。在實施過程中，其還進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型真空機械手力學模型，得出兩臂負載值，將該負載值輸入仿真器中，同時，將交流永磁同步電機的參數及比例環節KP、積分環節KI和微分環節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)重應進行PID控制調整，滿足時，才輸出當前的積分環節KI和微分環節KD給電機驅動器31。上述仿真器為MATLAB仿真器。本發明的控制方法，采取自適應的PID參數對電機轉速進行調節，PID參數中比例環節與積分和微分環節分別調整。由于比例環節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的不同步減小，其參數選擇以兩電機實際位置與期望位置的差值決定；然后利用積分環節和微分環節對系統動態和穩態很好的響應來進一步消除機械手臂的抖動，積分環節和微分環節參數由實際位置、速度值和期望位置值來動態調整。本發明還公開了一種機器人，其除了具有現有的機器人的特征外，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，由于機械摩擦、機構設計、使用材料等因素，在機器人工作時兩個手臂的力學特性不一致，相當于電機驅動的負載發生了變化，并且兩個手臂的力是相互作用的。由于潔凈機器人要對晶片進行操作，要求其有很好的穩定性，需要快速的抑制掉由上述原因引起的手臂抖動，PID參數中的比例環節KP具有很快的作用效果，但是只用比例環節KP無法使控制系統穩定，還需要加入積分環節KI和微分環節KD，PID三個參數共同作用才能使手臂抖動快速、穩定的抑制掉，實現雙電機同步控制。與習用相比，本發明具有以下優點:快速:由于兩電機采用比例環節，并且其參數設置以兩電機實際輸出與期望輸出的差值為參考進行設計，可快速減小兩電機的不同步；穩定:經該方法調節后，兩電機實現同步要求，兩個機械手臂不存在抖動現象；魯棒性好:每個機器人的機械手臂由于在制作過程中都會存在差異，使得兩個電機所控制的系統參數不確定，該方法對于這種隨機擾動有很好的控制效果。所謂魯棒性，是指控制系統在一定(結構，大小)的參數攝動下，維持某些性能的特性。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種基于PID自適應的控制裝置，其特征在于:其包括:DSP電機采集與控制器及采集卡；所述的DSP電機采集與控制器作為電機采集與控制的設備，有兩路A/D，實現對電機速度反饋信號的采樣；所述的采集卡，與DSP電機采集與控制器之間，是通過CAN總線進行通信。
2.根據權利要求1所述的基于PID自適應的控制裝置，其特征在于:所述的DSP電機采集與控制器，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對電機驅動電路的驅動控制。
3.根據權利要求1或2所述的基于PID自適應的控制裝置，其特征在于:所述的采集卡是采用以PC104為工業控制總線。
4.根據權利要求3所述的基于PID自適應的控制裝置，其特征在于:所述的電機包括電機驅動器及與其相連的位置和速度傳感器。
5.一種基于PID自適應的控制方法,其米用權利要求1 4任一所述的基于PID自適應的控制裝置，其特征在于:其包括以下步驟: 1)根據機器人的運行規劃，獲得電機位置期望值，即兩個電機軸在所有運動時刻位置的期望值； 2)根據設在兩個電機上的位置和速度傳感器，讀取電機當前的實際位置值和速度值； 3)計算步驟:計算兩個電機實際位置與期望位置的差值； 4)接收步驟3)中的差值，設置兩個電機的比例環節KP; 5)根據步驟2)中的位置值和速度值，進行PID控制，以設置兩個電機的積分環節KI和微分環節KD ； 6)將比例環節KP、積分環節KI和微分環節KD輸入給電機驅動器。
6.根據權利要求5所述的基于PID自適應的控制方法，其特征在于:在步驟4)中，兩個電機比例環節KP由兩電機各自實際位置與期望位置的差值決定，兩個比例環節KP的比值與兩個差值的比值相同，但是方向相反。
7.根據權利要求5或6所述的基于PID自適應的控制方法，其特征在于:在步驟5)中，兩個電機的積分環節KI和微分環節KD根據實際位置、速度值和期望位置值進行自適應調整，調整值由仿真器獲得。
8.根據權利要求5或6所述的基于PID自適應的控制方法，其特征在于:在步驟5)和步驟6)間，還進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，則進行步驟6)。
9.根據權利要求8所述的基于PID自適應的控制方法，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型真空機械手力學模型，得出兩臂負載值，將該負載值輸入仿真器中，同時，將交流永磁同步電機的參數及比例環節KP、積分環節KI和微分環節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)重應進行PID控制調整，滿足時，才輸出當前的積分環節KI和微分環節KD給電機驅動器。
10.一種機器人，其特征在于:其還進一步包括有權利要求1 4任一所述的基于PID自適應的控制裝置。
全文摘要
本發明公開了一種基于PID自適應的控制裝置、控制方法及應用其的機器人，該控制裝置，包括DSP電機采集與控制器及采集卡；DSP電機采集與控制器作為電機采集與控制的設備，實現對電機速度反饋信號的采樣；采集卡，與DSP電機采集與控制器之間，是通過CAN總線進行通信。本發明的控制方法，采取自適應的PID參數對電機轉速進行調節，PID參數中比例環節與積分和微分環節分別調整。與習用相比，本發明具有以下優點快速由于兩電機采用比例環節，且其參數設置以實際輸出與期望輸出的差值為參考進行設計，可快速減小兩電機的不同步；穩定調節后，兩個機械手臂不存在抖動現象；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 優先權日2012年1月6日
發明者賈凱, 曲道奎, 徐方, 鄒風山, 宋吉來, 甘戈, 陳守良, 劉曉帆 申請人:沈陽新松機器人自動化股份有限公司