電流和速度雙閉環(huán)PI控制在機(jī)械手模型上的應(yīng)用

王海龍

摘 要：文章利用matlab對機(jī)械手控制進(jìn)行仿真，依據(jù)位置和電流的反饋信息，形成比位置反饋更穩(wěn)定的雙閉環(huán)控制，仿真結(jié)果表明雙閉環(huán)控制達(dá)到了預(yù)期目的，并通過德州儀器的TMS320F2812型DSP芯片構(gòu)建機(jī)械手控制系統(tǒng)，通過編程實現(xiàn)機(jī)械手的穩(wěn)定精確控制。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；仿真；電流；速度

引言

機(jī)械手運(yùn)動的精確控制對伺服系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性要求較高，一般采用閉環(huán)PID控制，傳統(tǒng)的數(shù)字PID控制是一種技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的控制算法，其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，且不依賴于具體被控對象的數(shù)學(xué)模型，具有動、靜態(tài)性能良好，穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)。但是傳統(tǒng)的PID控制對于動特性復(fù)雜的控制對象，其一次整定出的PID參數(shù)往往不能達(dá)到最優(yōu)?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展與應(yīng)用，一定程度上彌補(bǔ)了經(jīng)典控制理論對時變非線性隨機(jī)系統(tǒng)無能為力的缺點(diǎn)，但一般對被控對象具有一定的依賴性，不能從根本上解決復(fù)雜和不確定系統(tǒng)的控制問題。因此，考慮采用電流和速度雙閉環(huán)PI控制應(yīng)用到機(jī)械手伺服系統(tǒng)中來。

1 機(jī)械手模型

機(jī)械手本體動力學(xué)建模包括機(jī)械手運(yùn)動學(xué)正逆解和機(jī)械手剛體動力學(xué)建模，是進(jìn)行機(jī)械手控制和基于動力學(xué)模型控制算法設(shè)計的基礎(chǔ)。

機(jī)械手采用的是典型兩自由度平行四邊形結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示。圖中，共有三組平行四邊形，其中桿11、12、14、15為一組，桿11、16、19、110為一組，桿13、17、18、111為一組。以機(jī)械手的力矩輸入軸為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向為x軸，垂直方向為y軸，建立固定參考系o-xy。

圖中θ1為桿11與x軸正方向的夾角，θ2為桿12與x軸正方向的夾角，桿111在工作空間內(nèi)做平動運(yùn)動。因此，利用解析幾何知識可建立機(jī)械手末端點(diǎn)的運(yùn)動學(xué)正解方程：

2 PI調(diào)節(jié)的實現(xiàn)

一般在應(yīng)用中，采用位置反饋實現(xiàn)閉環(huán)PI控制，其調(diào)節(jié)性能并不理想，經(jīng)常造成后期的速度響應(yīng)特性差和力矩劇烈振動，出現(xiàn)波形發(fā)散等情況。為克服以上問題文章采用電流反饋和位置反饋的雙閉環(huán)系統(tǒng)PI控制模型，即在速度給定下，通過反饋回來的電流和位置進(jìn)行電流差和速度差的PI調(diào)節(jié)：（1）采集電流，經(jīng)過與對應(yīng)參數(shù)比較后送入到PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。（2）采集光電編碼機(jī)械角，轉(zhuǎn)換為電角度后與給定速度值比較后送入PI調(diào)節(jié)器。（如圖2所示）

3 仿真與分析

機(jī)械手的驅(qū)動伺服電機(jī)均采用永磁同步電機(jī)，并給定速度ω=1000rad/s；轉(zhuǎn)矩負(fù)載給定為1N·m，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行0.1s后，突加轉(zhuǎn)矩負(fù)載到3 N·m，仿真波形如圖3所示。

從雙閉環(huán)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速仿真圖可知，在電機(jī)運(yùn)行到0.1s時突加負(fù)載，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速有明顯的波動，但很快便恢復(fù)平穩(wěn)。這是因為當(dāng)突加負(fù)載時，電機(jī)出力突然要加大，導(dǎo)致電流也要增加，同時還要保證原來的轉(zhuǎn)速，此時速度、電流PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生了作用。PI調(diào)節(jié)器能快速的調(diào)節(jié)反饋和給定的誤差，達(dá)到輸出跟蹤給定的效果。但是為了提高電機(jī)轉(zhuǎn)速加大給定值，起始時PI輸入的誤差會很大，很容易造成系統(tǒng)超調(diào)。為了保證轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確跟蹤，給定的速度就要受到限制。從圖3中可以看出，PI速度調(diào)節(jié)器控制速度沒有產(chǎn)生超調(diào)，系統(tǒng)雖然在啟動和突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩時速度和轉(zhuǎn)矩均有短暫的抖動，但系統(tǒng)能快速的恢復(fù)穩(wěn)定，實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)速度模式下的快速跟蹤。

芯片和電路板采用TMS320F2812型DSP芯片作為機(jī)械手的控制單元，它可以同時控制2個電機(jī)，可應(yīng)用于多軸動態(tài)控制，機(jī)械手關(guān)節(jié)編碼器采用摩川TS5668N021型號絕對編碼器，解碼電路采用國產(chǎn)解碼電路板，采用100：1的減速器連接伺服電機(jī)輸出軸與機(jī)械手臂。機(jī)械手的運(yùn)動空間為2平方米橫截面，可實現(xiàn)截面內(nèi)任意點(diǎn)的自由精確控制。

4 結(jié)束語

根據(jù)MATLAB仿真結(jié)果，通過電流采集和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、電機(jī)轉(zhuǎn)子角度的反饋計算，實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的精確PI控制，達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟蹤給定指令的要求，仿真結(jié)果符合電機(jī)實際運(yùn)行特性，驗證了電流和速度雙閉環(huán)控制的伺服控制系統(tǒng)在控制精度和穩(wěn)定性上均符合預(yù)期要求。

參考文獻(xiàn)

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