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实时高效的工业机器人控制系统设计
【摘 要】本文提出了一种基于工业控制计算机、实时控制系统和高速通讯总线为基础的先进机器人控制体系结构。利用工业控制计算机强大计算能力，将计算结果在每一个伺服周期内通过高速总线传递给各轴伺服驱动器，作为原有线性控制器的前馈补偿，以期达到较好的控制效果。
【关键词】实时控制系统；高速通讯总线；自动化
随着机械自动化水平的提高，机器人以其在机械结构、适用范围、灵活性、成本以及维护等方面的优势，使其应用渐为广泛，并成为一种发展趋势。而机器人控制系统的性能决定着机器人的品质，目前主流高性能运动控制系统的发展趋势是在具有很强计算能力的计算机上集成高性能实时系统和高速通讯总线的控制架构。以该种控制结构完成具有前馈补偿的控制结构。运动学、动力学和用于前馈补偿的伺服控制算法均在计算性能强大的工控机中完成。在每一个伺服周期内伺服控制指令通过高速通讯总线传递给驱动器，同时在同一个伺服周期内完成运动指令的反馈。伺服控制指令被叠加到电流回路指令给定端作为前馈补偿，其可以补偿动力学耦合和结构柔性产生的非线性效应。控制指令可以根据相应的控制算法进行实时计算。在前馈补偿作用下，每一个主动关节即可以视为一个简单的单输入单输出系统，从而采用驱动器内部的线性控制器即可获得较好的控制性能。
1 Windows 内嵌实时系统
目前由于Windows 良好的人机界面和交互功能，在工控领域应用越来越广泛，但由于其并不是一个实时系统，时间片设定在5 毫秒以下时，其便很难保持精确稳定的运行。从而用于实时性要求较高的工控场合会存在很多的局限性，如完成伺服层的伺服调试，需要1个毫秒以下的精确定时。为了解决这一矛盾，出现了很多利用Window 环境进行扩展或者内嵌实时内核的实时系统。其中德国Beckhoff 公司的TwinCAT 系统就是其中之一，TwinCAT（The Windows Control and Automation Technology）的原意是指“基于Windows 的控制和自动化技术”，其通过在Windows 环境下内嵌实时内核的方法，将每一台PC 变为多个具有很强大处理能力的PLC 集合，并同时具有良好的开发和编程环境，符合IEC-61131-3 标准。其集成的人机界面开发环境，可以支持高级语言如VC++，Matlab 直接编程。TwinCAT 将实时控制与Windows 环境有机结合，为工控机进行高性能工控任务提供了强大的实时扩展。所有的Windows 环境下的程序，例如图形和可视化模块均可以通过ADS 通讯的方式访问TwinCAT 数据，或进行实时的数据交互。同时TwinCAT 在软件方面集成了完善的错误诊断，稳定和安全机制，特别在各从站信号同步方面，采用了分布式时钟和抖动监测器，严格保证信号同步，增加了系统可靠性。同时其实时内核具有很高优先级和稳定性，在Windows 系统蓝屏时，仍可保证后台服务稳定运行。
2 基于工业以太网的高速通讯总线技术