高可靠性末端效應器控制系統(tǒng)設計

沈 力，王小濤

（南京航空航天大學 航天學院，江蘇 南京 210016）

隨著我國的空間站建設已經(jīng)提上日程，空間站建設是一個復雜的大系統(tǒng)工程，在建設過程中要求有搬運能力強的空間大機械臂，實現(xiàn)目標飛行器和機械臂之間的數(shù)據(jù)傳輸，并能夠提供航天員出艙活動的平臺。針對上述要求末端效應器無疑是最合適的方案。

鎖合末端效應器（簡稱末端效應器）是大型空間站機械臂的一部分，包括捕獲機構、拉緊機構和鎖合機構，主要完成對目標飛行器的捕獲、抓取及釋放等任務。末端效應器具有結構簡單、兼容性好、在軌壽命長、可靠性高和相互性好等優(yōu)點。

為了實現(xiàn)高可靠性末端效應器控制系統(tǒng)，提出并設計了高可靠性獨立控制系統(tǒng)，并且通過從軟硬件的角度提高系統(tǒng)的可靠性；在高可靠性獨立控制系統(tǒng)的基礎上，設計了合理的容錯控制策略。該系統(tǒng)能夠完成對其準確測試。

1 高可靠性獨立控制系統(tǒng)

末端效應器機械機構的運動可以看作是一個點到點的運動，首先需要考慮在兩個位置之間的運動軌跡，也就是運動規(guī)劃問題，然后根據(jù)規(guī)劃的運動要求進行執(zhí)行器的控制，因此末端效應器的運動控制系統(tǒng)包括任務的運動規(guī)劃和驅(qū)動機構的執(zhí)行級控制。

1.1 運動規(guī)劃

對于末端效應器的運動控制規(guī)劃較為簡單而且固定。為保證長期穩(wěn)定可靠的工作，需要減少摩擦損耗，因此要保證運動應盡可能的平滑，也就是要求加速度要小并且變化平緩，速度變化也要平緩。在該要求下，最終的速度軌跡可以采用梯形、正弦形等形式，通過采樣得到一組合適的軌跡點輸入到控制輸入端即可。一般情況下，速度控制的主要功能是通過有目的地限制加速度來減少軌跡誤差。為避免驅(qū)動軸產(chǎn)生沖擊、失步、超程和振蕩，保證運動部件的平穩(wěn)和準確定位，在啟停階段或各程序轉(zhuǎn)接時，要進行加減速控制，以使進給速度平滑過渡。

目前運動控制系統(tǒng)中常用的加減速規(guī)律包括很多，常見的加減速控制算法有直線、三角函數(shù)、指數(shù)、拋物線、S曲線加減速等算法。在本系統(tǒng)中采用了三角函數(shù)加減速規(guī)律，如圖1所示。由于三角函數(shù)的計算復雜，不能滿足數(shù)控系統(tǒng)實時性要求?？梢允孪葘ζ溥M行處理，將其做成查找表的形式存放于內(nèi)存中。

由于三角函數(shù)加減速規(guī)律可以實現(xiàn)平滑運動，采用這種運動軌跡，使得控制更加容易，并且潛在里也會提高系統(tǒng)的控制精度，延長系統(tǒng)壽命。三角函數(shù)的最大加速度、速度等參數(shù)要結合電機的參數(shù)和負載情況進行選擇。

1.2 驅(qū)動機構的執(zhí)行級控制設計

圖1 三角函數(shù)加減速規(guī)律:加速度、速度、位置變化曲線Fig.1 Triangle function and deceleration rule:acceleration，speed，position change curves

在確定了控制系統(tǒng)期望輸入以后，關鍵是驅(qū)動機構的執(zhí)行級控制問題，也就是無刷直流電機的控制問題。由于無刷直流電動機通過利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器，保留了直流電動機的優(yōu)點，同時又具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，并且特別適合空間環(huán)境，因此我們這里主要考慮執(zhí)行單元無刷直流電動機的控制問題。

由于運動主要依靠機械機構傳動，因此末端效應器控制系統(tǒng)性能要求主要考慮抵達位置的高精度。高精度主要指的是控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，也就是說要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差要小，而對動態(tài)特性要求不高。

1.2.1 控制方案

由直流電機運動方程可知，在忽略摩擦阻尼的情況下，加速度與電動機的轉(zhuǎn)矩成正比，而且轉(zhuǎn)矩又與電機的電流成正比，因此，要實現(xiàn)電機的高精度高動態(tài)性能控制，就需要同時對電機的速度、電流及位置進行檢測和控制。因此，本控制系統(tǒng)通過三閉環(huán)結構實現(xiàn)電機的運動控制，如圖2所示。

當電機處于運行狀態(tài)時，給定的位置信號Ua與反饋位置信號Ub的偏差經(jīng)過（位置環(huán)）PID調(diào)節(jié)得到速度的參考值Vg；控制器根據(jù)測出的反饋位置信息計算出當前轉(zhuǎn)速，Vg與當前轉(zhuǎn)速的偏差進行PI調(diào)節(jié)（速度環(huán)）得到電流的給定電壓參考值Uig；電機繞組電流反饋信號經(jīng)過電流傳感器的檢測得到當前主回路的電流反饋電壓值Uif，將Uif與Uig進行PI計算，得到的電流調(diào)節(jié)器的輸出去調(diào)節(jié)占空比，進而控制功率開關管的導通與關斷，從而實現(xiàn)對無刷直流電動機位置、轉(zhuǎn)速、電流或轉(zhuǎn)矩的控制。

在三閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電流環(huán)和速度環(huán)均為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)。電流環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的快速性，抑制電流環(huán)內(nèi)部干擾，限制最大電流保障系統(tǒng)安全運行，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。速度環(huán)的作用是增加系統(tǒng)抗負載擾動的能力，抑制速度波動，速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤的性能，位置環(huán)采用PID控制。

圖2 系統(tǒng)控制框圖Fig.2 System control diagram

因為末端效應器的控制主要考慮位置精度，而對動態(tài)特性要求不高，因此本系統(tǒng)中采用了包含位置環(huán)在內(nèi)的三閉環(huán)的控制方式。

1.2.2 中心控制器硬件實現(xiàn)方案

本系統(tǒng)的中心控制器采用的是DSP TMS320F2812芯片，此芯片內(nèi)集成了A/D、PWM控制器、CAN控制器等功能模塊，使得電機的控制相對簡單。另外，采用高性能DSP為控制核心的電機系統(tǒng)具有性能優(yōu)越、高可靠性、快速響應、體積小、重量輕等特點。在系統(tǒng)中設置了速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實行串級連接，把速度調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。如圖3即為基于DSP芯片TMS320F2812的實現(xiàn)框圖。

1.2.3 控制系統(tǒng)硬件各個模塊的實現(xiàn)方案

1）PWM控制電路實現(xiàn)

圖3 系統(tǒng)硬件設計框圖Fig.3 A hardware design diagram of the system

本系統(tǒng)的電機調(diào)速主要考慮采用PWM （脈寬調(diào)制）調(diào)速。調(diào)壓調(diào)速是無刷直流電機目前最常用的一種調(diào)速方式，主要是通過改變加在電機電樞繞組兩端的電壓來改變電機的轉(zhuǎn)速，這種方法通常將電機的電壓由額定電壓向下調(diào)節(jié)電樞電壓，達到使電機轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速變?yōu)橄蛳抡{(diào)速，這種調(diào)速方法調(diào)節(jié)的過程中損耗的能量小，且轉(zhuǎn)速過程中系統(tǒng)波動比較小，靜態(tài)的穩(wěn)定性較高，響應速度快。是當前無刷直流電機應用最常見的、運行最穩(wěn)定、最有效的調(diào)速方式，它通常有PWM調(diào)節(jié)方式、旋轉(zhuǎn)變流機構調(diào)節(jié)方式以及靜止變流機構調(diào)節(jié)方式。目前無刷直流電機無級調(diào)速系統(tǒng)也大多都采用調(diào)壓調(diào)速中的PWM調(diào)節(jié)方式。

PWM調(diào)節(jié)方式是一種根據(jù)能量轉(zhuǎn)換等效原理，是由將固定不變的系統(tǒng)電壓斬截成占空比可變的PWM波，經(jīng)過改變占空比來實現(xiàn)電機電樞兩端平均電壓的電壓調(diào)節(jié)方式，這種調(diào)節(jié)方式的特點具有體積小、調(diào)速性能好、成本低、控制方便等優(yōu)點，與此同時，它也比較容易與控制器之間構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制方法也顯得靈活多變。因此，我們采用PWM調(diào)壓調(diào)節(jié)方式。在本系統(tǒng)中PWM脈沖波的產(chǎn)生是直接通過DSP的PWM口得到。

2）驅(qū)動電路設計

對于末端效應器系統(tǒng)，驅(qū)動電路部分采用專門的集成的驅(qū)動模塊結合MOSFET實現(xiàn)。為了避免和DSP之間產(chǎn)生干擾，增強可靠性，采用光電隔離模塊和集成驅(qū)動模塊共同構成驅(qū)動電路來驅(qū)動功率MOSFET管。如圖4所示，由光電隔離模塊和IR2112模塊組成的驅(qū)動A相橋臂的連接方式。光耦部分起到隔離和電平轉(zhuǎn)換的作用。驅(qū)動三相全橋電路需要6路PWM信號，而IR2112只能同時輸出2路PWM信號，所以驅(qū)動電路共需要3片IR2112芯片。

圖4 驅(qū)動電路Fig.4 Driving circuit

3）電流檢測和速度檢測電路

電流檢測電路就是將電機的三相電流進行數(shù)模轉(zhuǎn)換器采集，然后反饋到主控制器，與控制芯片內(nèi)的速度控制器產(chǎn)生的電信號做比較，完成對電機的電流閉環(huán)控制。本控制系統(tǒng)中實際的電流比較小，功率也比較小，因此采用了一個旁路電阻來檢測實際電機的相電流的大小，電阻位于三相功率變換全控的電路的橋臂和地線之間。

速度檢測電路是控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。速度檢測電路檢測電機的實際轉(zhuǎn)速并且將檢測的實際速度信號轉(zhuǎn)化為電信號直接傳送到控制芯片的引腳，然后在主控制器內(nèi)完成對轉(zhuǎn)速的計算并且和電機的預定轉(zhuǎn)速作比較完成回路系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用控制器的計算處理能力，采用霍爾位置傳感器的信號來計算無刷直流電機的轉(zhuǎn)速。

2 末端效應器控制器可靠性及長壽命設計

在第一章節(jié)中末端效應器的詳細設計中控制器的設計包括任務級執(zhí)行級控制方案、具體軟硬件實現(xiàn)中元器件選擇及實現(xiàn)方案等都是以高可靠性為中心進行分析和設計的。下面主要從軟硬件的角度考慮故障的處理方法，還有容錯控制策略的設計。

2.1 軟硬件可靠性保證

2.1.1 硬件可靠性保證

解決可靠性問題最主要的方法是執(zhí)行器故障診斷和處理。常見電機故障有：

1）電機過載、過流。由于系統(tǒng)的電流比較小，故可以采用主回路串聯(lián)采樣電阻的方法進行過流檢測。定子電流經(jīng)過電阻之后轉(zhuǎn)變成電壓信號，在此串入小電阻，小電阻兩端的電壓經(jīng)過放大隔離后送入A/D單元，通過主控制器的軟件編程或邏輯實現(xiàn)對電機的過載保護。

2）電機過速。

3）驅(qū)動器非正常復位。本系統(tǒng)采用了硬件冗余，設計了急停電路，使系統(tǒng)停止運行。

另外光電編碼器等傳感部件也可能發(fā)生故障。在系統(tǒng)運行時可能出現(xiàn)的故障有：

1）數(shù)據(jù)傳輸錯誤。診斷辦法是采用奇偶校驗法判別，然后用線性外推法給出當前傳感器數(shù)據(jù)；

2）數(shù)據(jù)采集錯誤。這種故障可能造成控制力矩的波動，診斷采用野點剔除的辦法加以剔除，然后用線性外推法給出當前傳感器數(shù)據(jù)。

2.1.2 軟件可靠性保證

1）系統(tǒng)啟動自檢。在啟動系統(tǒng)時，必須檢測元器件是否正常工作。

2）系統(tǒng)故障報警和處理。當有故障發(fā)生時，軟件能檢測出該故障，并診斷其故障類型，從而做出必要的處理。

3）事故急停處理。當一旦有事故發(fā)生時，系統(tǒng)應該立即關閉，力求將事故對系統(tǒng)的破壞降低到最低程度。

2.2 高可靠性獨立控制系統(tǒng)的合理容錯控制策略設計

空間站遠程遙操作機械臂SSRMS（Space Station Remote Manipulator System）、歐洲遙操作機械臂ERA（European Robotic Arm）、日本實驗艙遙操作機械臂JEMRMS（JapaneseExperimental Module Remote Manipulator System）在設計和運行過程中都要求機械臂系統(tǒng)至少能夠容忍兩次故障的發(fā)生。這對末端效應器控制系統(tǒng)也提出了一個新的要求。控制系統(tǒng)的容錯設計及故障檢測與診斷是提高航天器的可靠性的有效途徑。

末端效應器控制系統(tǒng)除了提高單一控制系統(tǒng)的高可靠性之外，考慮采用控制系統(tǒng)的容錯也是提高可靠性的一個合理的選擇。同時對于一個精密的運動控制系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的容錯性是調(diào)試和運行時需要考慮的功能完整性問題。對于控制系統(tǒng)的容錯設計主要考慮以下兩方面的要素：

1）需要結合具體的任務，選擇合適的傳感器、執(zhí)行器和控制器備份策略；

2）需要考慮與之相配合的故障診斷和診斷方法。

對于傳感器、執(zhí)行器和控制器備份方案，本系統(tǒng)了采用類似于ERA的關節(jié)控制系統(tǒng)，即采用雙繞組永磁同步電機構建相互獨立的2套驅(qū)動子系統(tǒng)，但是由于2套驅(qū)動系統(tǒng)工作在冷備份模式，容錯能力不高，且沒有充分利用冗余備份的傳感器資源，所以為了提高容錯能力，本系統(tǒng)選擇了雙繞組余度電機工作在熱備份模式。

由于末端效應器機械機構具有模型非線性、摩擦非線性和負載變動的自適應等因素，本系統(tǒng)的故障檢測和故障診斷主要是基于傳感器冗余信息的故障檢測方法，主要通過位置傳感器、力傳感器的信號來推斷系統(tǒng)的狀態(tài)，進而進行故障檢測。位置信息的配置主要包括電機數(shù)字霍爾傳感器、電機旋轉(zhuǎn)變壓器等多級容錯備份和故障檢測。力傳感器的故障通過計算電機位置信息和參考力進行比較來判斷。

結合實際情況，本控制系統(tǒng)的電機驅(qū)動控制部分容錯設計主要采用了雙繞組余度電機工作在熱備份模式。相應的故障檢測方法為基于傳感器冗余信息的故障檢測方法。具體的冗余切換邏輯結構如圖5所示。

圖5 冗余切換邏輯結構Fig.5 Redundancy switching logic structure

3 結 論

末端效應器機械機構在空間環(huán)境中穩(wěn)定可靠性的工作，作為其核心的電機控制系統(tǒng)的長期穩(wěn)定可靠的工作就顯得尤為重要。因此文中首先考慮完成任務的運動規(guī)劃問題，然后考慮了控制系統(tǒng)方式及其軟硬件實現(xiàn)的具體要求，來實現(xiàn)高可靠性獨立控制系統(tǒng)的設計。并且在高可靠性獨立控制系統(tǒng)的基礎上，還設計了合理的容錯控制策略。此系統(tǒng)經(jīng)過實驗，達到了設計要求。

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