多模式驅(qū)動的機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器設(shè)計及實(shí)驗(yàn)

夏 磊 范 堅 戈亦文 郝風(fēng)吉 閆 雪 羅 翔

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京211189)

在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域,作為動力源的直流電機(jī)被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人各關(guān)節(jié)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)中.常見的關(guān)節(jié)驅(qū)動方式大多采用直流伺服電機(jī)加減速傳動裝置[1],如法國的BIP2000[2]、MIT的M2[3]、日本的ASIMO[4-5]等.而直流伺服電機(jī)中最常用的是直流電機(jī).與無刷電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)相比,直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕便、控制簡單等特點(diǎn),因此應(yīng)用于很多機(jī)器人,如HRP-2[6]和BIP2000都選用了直流電機(jī).

人類步行時,各個關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)工作,不僅能按照預(yù)想的軌跡運(yùn)動,同時還能提供所需的主動力,完成相應(yīng)的動作.因此對于步行機(jī)器人的驅(qū)動關(guān)節(jié)也有同樣的要求,即需要既能精確實(shí)現(xiàn)運(yùn)動軌跡的跟蹤又能提供所需的力矩.對于直流電機(jī)的驅(qū)動控制,研究者大多關(guān)注直流電機(jī)的位置控制或速度控制(即按照期望的軌跡或速度運(yùn)動),并提出了很多直流電機(jī)閉環(huán)反饋調(diào)速的方法.但是,對于機(jī)器人而言,各驅(qū)動關(guān)節(jié)不僅要能實(shí)現(xiàn)位置控制或速度控制,完成預(yù)期的動作,很多時候還必須實(shí)現(xiàn)力矩控制,即讓電機(jī)輸出期望的力矩.比如機(jī)械手抓取物體時,手指必須施加適當(dāng)?shù)牧σ员ＷC物體不會因力過小而滑落或因力過大而被擠壞.步行機(jī)器人步行時,在行走階段,各驅(qū)動關(guān)節(jié)根據(jù)規(guī)劃的軌跡,在電機(jī)位置控制模式下完成預(yù)期動作;在蹬地階段,除了各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)動作以外,踝關(guān)節(jié)必須提供合適的力矩才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的成功邁步.除此之外,很多研究者通過控制離支撐面最近的踝關(guān)節(jié)的角度和力矩來調(diào)節(jié)ZMP位置,從而保證機(jī)器人步行的穩(wěn)定性[7-8].所以,驅(qū)動關(guān)節(jié)在不同條件下需要不同的控制模式.

目前在關(guān)節(jié)位置控制上,大多利用位移傳感器和采用反饋調(diào)節(jié)的方法實(shí)現(xiàn)位置控制,如基于光電編碼器的PID或模糊自適應(yīng)PID位置反饋控制[9].而在力/力矩控制上,常采用力/力矩傳感器以實(shí)現(xiàn)檢測反饋[10-11].但是,這種方法往往需要檢測x,y,z三個方向力和力矩,通過計算得出合力/力矩,因此比較復(fù)雜.Kong等[12]將直流電機(jī)和扭簧相結(jié)合,利用扭簧在一定范圍內(nèi)扭角與扭矩的線性關(guān)系,將力矩控制轉(zhuǎn)化為扭角的位置控制,雖然力矩控制效果較好,但增加了結(jié)構(gòu)和控制上的復(fù)雜性.

針對現(xiàn)行的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動控制的特殊要求,本文設(shè)計了具備位置控制和力矩控制功能為一體的關(guān)節(jié)控制器,并研究了這2種模式的切換控制方法.通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,所設(shè)計的控制器具備位置控制與力矩控制功能,且二者間能穩(wěn)定切換.

1 系統(tǒng)建模與控制方法

1.1 控制理論與系統(tǒng)建模

機(jī)器人運(yùn)動時,通過對驅(qū)動關(guān)節(jié)的控制可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照預(yù)期的規(guī)劃完成相應(yīng)動作.機(jī)器人關(guān)節(jié)控制主要是對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的控制.關(guān)節(jié)位置控制是對電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制,以按照期望的轉(zhuǎn)角完成相應(yīng)的軌跡運(yùn)動.而考慮到直流電機(jī)的驅(qū)動力矩與通過電機(jī)的電流成正比,所以關(guān)節(jié)力矩控制是對通過電機(jī)的電流進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出期望轉(zhuǎn)矩.

本文提出的關(guān)節(jié)位置控制與力矩控制,建立在直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型上.

由經(jīng)典的直流等效電路[13]可得到在零初始條件下的電壓與電流的傳遞函數(shù),以及電流與反電動勢的傳遞函數(shù)，即

(1)

(2)

式中,Id為回路的電樞電流；E為反電動勢；Tl=L/R為電樞回路的電磁時間常數(shù)，R為直流電機(jī)電樞電阻,L為回路的總電感;IdL=TL/Cm為負(fù)載電流,TL為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Cm為常數(shù);Tm=JmR/(CeCm)為機(jī)電時間常數(shù)，Ce為電機(jī)常數(shù).因此,針對位置控制與力矩控制的要求,控制變量就是模型中的轉(zhuǎn)速n(s)和電樞電流Id(s).

1.2 控制方法

本文采用的控制方法是建立在PID控制思想上的.圖1為設(shè)計的控制系統(tǒng)框圖.

圖1 控制系統(tǒng)框圖

位置控制與力矩控制分別利用PID控制算法進(jìn)行閉環(huán)反饋控制,以達(dá)到高控制精度和動態(tài)調(diào)節(jié)的平衡要求.但何時采用位置控制或力矩控制,則需要根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測器(算法程序)實(shí)時監(jiān)測和響應(yīng)來完成控制模式的選擇.當(dāng)需要位置控制時,閉合位置反饋控制系統(tǒng)開關(guān),打開力矩反饋控制系統(tǒng)開關(guān);而需要力矩控制時,則閉合后者,打開前者.在位置控制與力矩控制下因控制的輸入不同,其控制增益參數(shù)也不同,故在相應(yīng)控制模式下需選用不同的PID參數(shù),而PID參數(shù)需預(yù)先進(jìn)行整定.

在控制模式切換中,需考慮2種切換模式：① 基于時間的切換.即在某一時刻由位置控制切換為力矩控制或由力矩控制切換為位置控制.② 基于電流的切換.即當(dāng)檢測電樞電流大于某個閾值時由位置控制切換為力矩控制,當(dāng)檢測到電流小于某個閾值時由力矩控制切換為位置控制，此方法和實(shí)際應(yīng)用類似,如機(jī)械手在抓取到物體時,由于物體反作用力的作用,負(fù)載力矩增大,即驅(qū)動電機(jī)的電流隨著增大,此時切換為力矩控制,一方面提供期望轉(zhuǎn)矩,另一方面起限流作用,保護(hù)電機(jī).在電機(jī)運(yùn)行過程中,狀態(tài)監(jiān)測器根據(jù)實(shí)時判斷模式切換條件來選擇閉合位置控制環(huán)還是力矩控制環(huán).

2 仿真

2.1 仿真搭建

為了驗(yàn)證所提出控制方法的可行性,利用Matlab/Simulink軟件對直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型采用PID控制算法進(jìn)行了驅(qū)動控制系統(tǒng)的仿真.本文以MAXON直流電機(jī)(RE25 20W 118752)作為控制對象,在仿真時,將MAXON RE25 20W直流電機(jī)相關(guān)參數(shù)[14]代入經(jīng)典數(shù)學(xué)模型中,同時根據(jù)需要加入PID控制環(huán)節(jié)、DAC延時環(huán)節(jié)、PWM驅(qū)動延時環(huán)節(jié)、ADC延時環(huán)節(jié)和反饋延時環(huán)節(jié)[13],位置控制仿真框圖如圖2所示.

圖2 位置控制Matlab仿真框圖

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1 位置控制仿真

位置控制仿真時,期望的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為一正弦信號,如圖3(a)所示.由圖可以看出,仿真時實(shí)際轉(zhuǎn)角在PID調(diào)節(jié)下其跟蹤期望轉(zhuǎn)角的性能良好.

2.2.2 力矩控制仿真

力矩控制仿真時,期望電流為1 A,而負(fù)載電流IL先緩慢增加,斜率為0.2 A/s,然后在1 s時刻,負(fù)載電流突變至1 A,結(jié)果如圖3(b)所示.由圖可以看出,在1 s前由于負(fù)載較小,驅(qū)動電機(jī)電樞電流大于負(fù)載電流,根據(jù)動力學(xué)平衡方程,此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速會逐漸增大;而在1 s時刻,負(fù)載電流突然增加至1 A,此時在電壓平衡方程、動力學(xué)平衡方程以及PID調(diào)節(jié)下,電樞電流快速響應(yīng),直到與負(fù)載電流相等,達(dá)到動力學(xué)平衡,此時電機(jī)轉(zhuǎn)速維持恒定,電機(jī)輸出恒定轉(zhuǎn)矩.

2.2.3 位置控制與力矩控制切換仿真

位置控制與力矩控制切換仿真時,切換方法是基于時間的切換.先進(jìn)行位置控制后進(jìn)行力矩控制,切換時刻為1 s.位置控制時給予電機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速,即期望轉(zhuǎn)角為斜坡信號,負(fù)載電流以0.4 A/s的速度線性增加.當(dāng)時間運(yùn)行至1 s,進(jìn)行位置控制與力矩控制的切換,同時,負(fù)載電流突變至1 A.此時,期望電流為1 A,通過PID控制使電樞電流達(dá)到1 A,完成由位置控制轉(zhuǎn)為力矩控制,得到電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果如圖3(c)、 (d)所示.

由圖3可以看出,位置控制時,在PID調(diào)節(jié)下電機(jī)轉(zhuǎn)速快速增加直至恒定值,此時電機(jī)的啟動電流較大.而后在電壓平衡方程及動力學(xué)平衡方程調(diào)節(jié)下,電樞電流與負(fù)載電流相等,轉(zhuǎn)速維持恒定.當(dāng)位置控制切換為力矩控制時,負(fù)載電流突變至1 A,在PID調(diào)節(jié)下,電樞電流快速響應(yīng),直至與負(fù)載電流相等并保持恒定.在負(fù)載突然增大至完成力矩控制調(diào)節(jié)的過程中,電機(jī)轉(zhuǎn)速下降,調(diào)節(jié)完成后,電機(jī)轉(zhuǎn)速維持不變.

3 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)采用C8051F040作為主控制器,直流電機(jī)作為控制對象.為了實(shí)現(xiàn)位置控制和力矩控制,在硬件上必須實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動和系統(tǒng)的反饋.所設(shè)計的硬件主要包含以下幾個部分.

1) 單片機(jī)C8051F040.作為主控制器有如下功能:① 實(shí)時中斷響應(yīng)、控制模式切換等;② 利用單片機(jī)PCA工作在8位脈寬調(diào)制器的方式產(chǎn)生PWM(脈寬調(diào)制)控制信號并輸出;③ 利用單片機(jī)定時器/計數(shù)器對光電編碼器反饋產(chǎn)生的脈沖數(shù)進(jìn)行計數(shù),以監(jiān)測實(shí)時位置,進(jìn)行位置控制;④ 利用單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換模塊,對經(jīng)過放大后的反饋電流(轉(zhuǎn)換成電壓)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,以監(jiān)測實(shí)時電流,進(jìn)行電流控制(力矩控制);⑤ 利用單片機(jī)串口、CAN通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時采集,以便后續(xù)處理和分析.

圖3 Matlab/Simulink仿真結(jié)果

2) 驅(qū)動放大.采用L298N/L298P的H橋驅(qū)動電路,利用PWM信號,通過控制驅(qū)動橋三極管的通斷,完成驅(qū)動電壓的放大和PWM控制.

3) 直流伺服電機(jī).實(shí)驗(yàn)時采用轉(zhuǎn)動慣量小、控制方便的MAXON公司的直流電機(jī)(MAXON RE25 20W 118752).

4) 編碼器.通過脈沖計數(shù)來精確計算位置,實(shí)時檢測電機(jī)轉(zhuǎn)角,反饋給單片機(jī)進(jìn)行位置控制.實(shí)驗(yàn)時采用MAXON公司附帶的HEDL-5540型、500線、三通道光電編碼器,可通過比較A，B通道信號相位之間的關(guān)系來判定旋轉(zhuǎn)方向.

5) 電流采樣.利用電阻采樣的方法,結(jié)合L298芯片電流反饋功能,對通過直流電機(jī)的電流進(jìn)行實(shí)時檢測并反饋,以完成電流控制(力矩控制).

6) 放大.為了提高檢測精度,達(dá)到AD轉(zhuǎn)換的要求,將采集到的電流信號變成微小的電壓信號,并采用LM358D放大器對電壓信號進(jìn)行放大.

3.2 軟件設(shè)計

在控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中,主要利用循環(huán)中斷的思想.中斷函數(shù)處理包括判斷采用何種控制模式(位置控制或力矩控制)、設(shè)定期望轉(zhuǎn)角或期望電流、增量式PID函數(shù)處理、占空比更新、AD轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機(jī)等.其中,最核心的部分是判斷采用位置控制還是力矩控制來完成期望的動作.這部分的實(shí)現(xiàn)是通過定時器0溢出中斷(每0.5 ms中斷一次)來完成.中斷響應(yīng)中設(shè)定切換條件為電機(jī)電流是否達(dá)到切換閾值,若達(dá)到，則采用力矩控制,未達(dá)到則采用位置控制.當(dāng)然切換條件是可以更改的,如基于位置控制可改為基于時間控制的切換.

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用驅(qū)動控制,該系統(tǒng)主要由驅(qū)動控制器、直流電流、實(shí)驗(yàn)裝置組成.

直流電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為26.7 mN·m,經(jīng)減速比317.86的減速箱減速增扭后，與傳動比1∶1的同步帶傳動機(jī)構(gòu)的同步帶輪相連,同步帶傳動機(jī)構(gòu)另一端與負(fù)載擺臂相連.負(fù)載擺臂重力G=5.782 N,等效臂長(重心距離擺動中心距離)約0.13 m.

4.1 力矩控制驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計的控制系統(tǒng)是否能夠通過設(shè)定期望電流值,利用PID的力矩控制功能,進(jìn)行了力矩控制的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn).擺臂在重力作用下位置產(chǎn)生不同的負(fù)載力矩為

TL=Glsinβ

(3)

式中,G為重力;l為重力臂;β為擺臂與豎直方向的夾角.

擺臂初始位置豎直向下.在程序Matlab/Simulink中,給定一個期望電流,在PID調(diào)節(jié)下,擺臂會隨著驅(qū)動力矩的增加而上升,直到驅(qū)動力矩與負(fù)載力矩相等.根據(jù)電機(jī)動力學(xué)平衡方程[13],此時擺臂會停在某個角度.因此,可根據(jù)角度β、重力G、重心位置l計算出此時負(fù)載力矩的大小,即近似等于驅(qū)動力矩大小.另一方面,采用由示波器檢測到的電樞電流有效值,計算出實(shí)際輸出力矩與負(fù)載力矩，并對其進(jìn)行比較,由此驗(yàn)證程序中設(shè)定的期望電流值與輸出轉(zhuǎn)矩的線性關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的曲線如圖4(a)、(b)所示.

通過擬合的曲線可知,所設(shè)計的控制器能通過設(shè)定電流值而改變驅(qū)動力矩大小,達(dá)到力矩控制的目的.

圖4 電流與電壓/負(fù)載轉(zhuǎn)矩近似線性關(guān)系

4.2 位置控制實(shí)驗(yàn)

位置控制的性能主要由其對期望轉(zhuǎn)角的跟蹤性能決定.實(shí)驗(yàn)中,首先,設(shè)定期望的脈沖為一正弦信號,幅值為30 000脈沖(折算到擺臂轉(zhuǎn)角約為67.95°),而周期分別為10,5,2.5和1.25 s,觀察不同頻率正弦信號的跟蹤性能;其次,同樣設(shè)定一定期望脈沖為正弦信號,周期為2.5 s,觀察幅值為(折算到擺臂的角度)40.77°,45.30°,56.63°,67.95°的正弦信號跟蹤性能.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在給定幅值(30 000脈沖,約67.95°)的情況下,位置控制的軌跡跟蹤和正弦信號的周期/頻率有關(guān),信號周期大于等于5 s時,位置控制實(shí)現(xiàn)較理想,當(dāng)頻率增大時,響應(yīng)逐漸變差;類似地,在給定相同周期(均為2.5 s)的情況下,位置控制的軌跡跟蹤情況和正弦信號的幅值有關(guān),信號幅值小于等于20 000脈沖(折算到擺臂約45.30°)時,位置控制實(shí)現(xiàn)較理想,當(dāng)幅值繼續(xù)增大時,響應(yīng)逐漸變差.因此,需進(jìn)一步分析響應(yīng)變差原因.

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),最終發(fā)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)硬件限制、電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大是電機(jī)跟蹤響應(yīng)變差的主要原因.圖5為期望轉(zhuǎn)角為正弦信號、周期均為2.5 s、不同幅值(40.77°,45.30°,56.63°,67.95°)下的響應(yīng)跟蹤曲線.可以看到,隨著幅值的增加,響應(yīng)越來越差.與此同時,可以看到占空比長期處于0值的時間越來越長,說明電機(jī)長期處在全電壓(實(shí)驗(yàn)中為18 V)工作狀態(tài),因此,不管PID如何調(diào)節(jié),驅(qū)動電壓始終達(dá)到最大值,轉(zhuǎn)速為全速.由此判定,響應(yīng)變差是由于驅(qū)動系統(tǒng)硬件條件約束所致.

圖5 不同擺臂幅度的跟蹤響應(yīng)

4.3 力矩控制實(shí)驗(yàn)

首先,設(shè)定期望電流為正弦信號,幅值設(shè)定為40(數(shù)字量),改變正弦信號頻率(周期分別為10,5,2.5,1.25 s),觀察跟蹤響應(yīng)情況;其次,同樣設(shè)定期望電流為正弦信號,周期均為2.5 s,改變正弦信號幅值(分別為10,20,30,均為程序中的數(shù)字量),觀察跟蹤響應(yīng).由于電流始終為正,因此程序中必須將電流取絕對值.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),給定相同幅值而頻率不同的正弦電流值時,當(dāng)周期大于等于5 s,其實(shí)際電流跟蹤期望電流的性能較理想,可以很好地實(shí)現(xiàn)力矩控制,當(dāng)頻率再增大時,跟蹤響應(yīng)變差;但是與位置控制不同的是,給定周期相同而幅值不同的正弦期望電流時,隨著幅值的減少,其響應(yīng)并沒有逐漸變好,同時,占空比在多個幅值下均未長期處于0的狀態(tài)(見圖6),也就是說,對于響應(yīng)的制約硬件系統(tǒng)并不是主要的原因，因而需進(jìn)一步分析響應(yīng)變差原因.

圖6 不同電流幅值的跟蹤響應(yīng)曲線

經(jīng)過多種因素的驗(yàn)證與排查,發(fā)現(xiàn)響應(yīng)變差的主要因素為PID參數(shù).對PID參數(shù)為Kp=0.2,Ki=0.1,Kd=3和Kp=0.2,Ki=0.325,Kd=3的階躍響應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)中,給定期望電流為相同的階躍值(均為20),觀察不同PID參數(shù)下控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性.根據(jù)控制理論,上升時間ts為從起始響應(yīng)時間開始至進(jìn)入允許誤差范圍(一般誤差允許范圍為小于5%)的時間.由此可得,Kp=0.2,Ki=0.1,Kd=3的階躍響應(yīng)上升時間ts約為700 ms,而Kp=0.2,Ki=0.325,Kd=3的階躍響應(yīng)上升時間ts約為60 ms,由此可以看出，后者響應(yīng)明顯加快.

在以上結(jié)果的基礎(chǔ)上,改變PID參數(shù)為Kp=0.2,Ki=0.325,Kd=3，重新對周期相同而幅值不同的正弦電流跟蹤響應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到類似于圖6的實(shí)驗(yàn)曲線.此時,PID參數(shù)調(diào)整后其跟蹤響應(yīng)的性能明顯提高.

4.4 位置/力矩控制切換實(shí)驗(yàn)

4.4.1 基于時間的切換

圖7為2種控制模式基于時間(切換時刻為20 s)的切換實(shí)驗(yàn)結(jié)果.實(shí)驗(yàn)時,在位置控制階段(20 s前),給定的參考位置幅值為15 000脈沖(約34°)、周期為10 s的正弦信號;力矩控制階段(20 s后),給定的期望電流為幅值45、周期為10 s的余弦信號,由于電流沒有負(fù)值,因此取其絕對值作為期望值.

圖7 20 s時由位置控制切換為力矩控制

實(shí)驗(yàn)時,程序中先設(shè)定位置控制,使電機(jī)按照預(yù)期正弦信號來回擺動,此時可以從圖7中看到在PID控制下電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)角能夠較好地跟隨期望轉(zhuǎn)角;當(dāng)切換時間達(dá)到20 s時,位置控制切換為力矩控制,為了防止電流突變,將記錄的電機(jī)實(shí)際電流作為期望電流,然后設(shè)定期望電流作為線性函數(shù)的起點(diǎn),線性增加直到余弦信號的幅值為45.此后期望電流設(shè)定為幅值為45、周期10 s的余弦信號.由圖7中的曲線可看出,20 s切換后,首先電機(jī)電流線性增加,直至余弦信號幅值為45,然后數(shù)字量電流在PID控制下跟蹤期望電流,完成力矩控制.

4.4.2 基于電流的切換

圖8為2種控制模式切換前后檢測到的電機(jī)電流的變化曲線.在程序中,設(shè)定電流的閾值為60,若檢測到反饋的數(shù)字量電流值大于60時,則將位置控制切換為力矩控制.

在位置控制階段,同樣給予一個正弦變化的期望轉(zhuǎn)角,使電機(jī)跟隨期望脈沖轉(zhuǎn)動;此時電機(jī)電流周期性變化;在滿足切換條件反饋數(shù)字量電流大于設(shè)定值60時,則由位置控制切換為力矩控制,此時給定一個期望數(shù)字量電流值70,通過PID控制使得電機(jī)電樞數(shù)字量電流達(dá)到70,從而輸出恒定力矩,完成力矩控制;當(dāng)檢測到的數(shù)字量電流值滿足切換條件(反饋數(shù)字量電流小于設(shè)定值60)時,則由力矩控制切換為位置控制,繼續(xù)進(jìn)行位置控制,如此循環(huán).在實(shí)驗(yàn)時,為了滿足切換條件,通過給擺臂一個人為的瞬間沖擊使電機(jī)停轉(zhuǎn),因而使得負(fù)載力矩急劇上升.

圖8 基于電流的切換實(shí)驗(yàn)

圖8中的中心線框?yàn)槲恢每刂茣r的電樞數(shù)字量電流值，設(shè)電流值隨著位置正弦信號的變化而呈周期性的變化;虛線框?yàn)榱乜刂茣r的電樞數(shù)字量電流值,該電樞數(shù)字量電流值始終與設(shè)定的數(shù)字量電流值一致,由此可以看出,基于電流的切換是可行的.

5 結(jié)論

1) 所設(shè)計的控制器能通過設(shè)定電流值來改變驅(qū)動力矩大小,達(dá)到力矩控制的目的;

2) 所設(shè)計的控制器能實(shí)現(xiàn)位置控制，且影響其響應(yīng)速度的因素主要是驅(qū)動系統(tǒng)硬件;

3) 所設(shè)計的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)力矩控制，且影響其響應(yīng)速度的因素主要是PID參數(shù);

4) 所設(shè)計的基于電流切換的控制器,能夠基于時間和電流平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)位置控制和力矩控制的切換.因此,關(guān)節(jié)控制器能夠應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動和靈活的控制.

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