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    機(jī)器人智能關(guān)節(jié)驅(qū)控結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法研究

    2022-03-28 12:26:20周長鵬楊振寧劉輝華高瀚君
    紡織學(xué)報(bào) 2022年3期
    關(guān)鍵詞:控制板電動(dòng)機(jī)芯片

    莫 帥, 周長鵬, 李 旭, 楊振寧, 劉輝華, 高瀚君

    (1. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300387; 2. 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300387; 3. 東莞市德晟智能科技有限公司, 廣東 東莞 523000; 4. 北京航空航天大學(xué) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100191)

    隨著消費(fèi)水平的提高,人們對(duì)服裝的需求量越來越大,對(duì)勞動(dòng)力需求也隨之增大,紡織機(jī)器人的出現(xiàn)極大地提高了服裝產(chǎn)業(yè)的效率。2006年智能機(jī)器人被列入先進(jìn)制造技術(shù)行業(yè),標(biāo)志著中國機(jī)器人行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。至2019年,工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到57.3億美元[1-2],在2020年國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中,機(jī)器人再次被重點(diǎn)關(guān)注,但由于機(jī)器人控制系統(tǒng)起步晚,關(guān)鍵核心技術(shù)受制于人,對(duì)高精尖機(jī)器人控制研究具有深遠(yuǎn)意義[3-5]。

    在紡紗環(huán)節(jié)中,通常由人工拔管、插管、落紗,造成勞動(dòng)強(qiáng)度大,勞動(dòng)成本高。為實(shí)現(xiàn)省時(shí)省力、提高生產(chǎn)效率,目前大都采用落紗理管機(jī)器人[6],其常常工作于高速輕載有沖擊的場(chǎng)合。紡織機(jī)器人常用結(jié)構(gòu)中包含大量機(jī)器人關(guān)節(jié),特別是落紗理管機(jī)器人關(guān)節(jié)廣泛采用電動(dòng)機(jī)加齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)組合設(shè)計(jì),其中直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能,可以得到較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,具有極高的性價(jià)比。針對(duì)電動(dòng)機(jī)控制等領(lǐng)域開展了大量研究,如:顧萬里等[7]針對(duì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的摩擦力和負(fù)載擾動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)控制性能的影響,設(shè)計(jì)了基于擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)滑膜控制器,有效改善了在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)有刷電動(dòng)機(jī)的控制效果;李宗俐等[8]設(shè)計(jì)了直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤器,特別針對(duì)電動(dòng)機(jī)在面臨電壓電流過載時(shí),仍能滿足快速跟蹤期望轉(zhuǎn)速;Chen等[9]針對(duì)水下機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)在某些條件下可能變化,提出了一種自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方案,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性;Zhao等[10-12]針對(duì)多機(jī)器人的學(xué)習(xí)跟蹤控制,提出了一種較優(yōu)跟蹤控制方法,可以在短時(shí)間內(nèi)訓(xùn)練多個(gè)機(jī)器人學(xué)習(xí)。

    現(xiàn)階段大部分研究沒有將電動(dòng)機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合考慮,本文針對(duì)紡織落紗理管機(jī)器人中驅(qū)動(dòng)整個(gè)軀干轉(zhuǎn)動(dòng)的腰部關(guān)節(jié)進(jìn)行研究,以期設(shè)計(jì)機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制可以滿足特定工況下的強(qiáng)度要求,并具備良好的速度、位置控制精度。

    1 總體方案設(shè)計(jì)

    本文設(shè)計(jì)的紡織機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)分為關(guān)節(jié)本體部分和運(yùn)動(dòng)控制部分[13-15],如圖1所示。機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)本體設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行三維建模,然后基于該模型進(jìn)行有限元仿真,設(shè)計(jì)滿足要求后進(jìn)行實(shí)體加工;電路板集成設(shè)計(jì)首先需選擇合適的主控芯片以及實(shí)現(xiàn)功能的元器件,然后分析各元器件間的布線方式,設(shè)計(jì)電路圖,繪制集成電路,最后將加工好的各個(gè)實(shí)體零件和電路板進(jìn)行裝配。

    圖1 機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Flow chart of design of waist joint of robot

    運(yùn)動(dòng)控制主要由上位機(jī)、控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電流采集模塊、過溫保護(hù)模塊、通信模塊、位置檢測(cè)模塊、電源模塊等組成。其中:電源模塊內(nèi)含2級(jí)降壓電路,分別為7.4 V降壓到5 V和5 V降壓到3.3 V,為各個(gè)模塊供電;控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊都采用STM32為控制芯片,控制模塊為實(shí)現(xiàn)多路控制、便于擴(kuò)展采用STM32F103RCT6,驅(qū)動(dòng)模塊為減小驅(qū)動(dòng)板體積采用36引腳的STM32F103T8U6作為主控芯片。硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

    圖2 硬件系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of hardware system

    工作原理為:1)開機(jī)并由電源供電,系統(tǒng)初始化;2)上位機(jī)通過串口發(fā)送要達(dá)到的位置指令;3)控制板接收到信號(hào)并解析指令,再將信號(hào)通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)[16]廣播的方式傳送到每一個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器;4)驅(qū)動(dòng)器識(shí)別到呼叫自己的廣播后接收控制板的指令,驅(qū)動(dòng)器將接收到的數(shù)據(jù)與磁編碼器檢測(cè)到的當(dāng)前位置數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,通過比例積分微分(PID)計(jì)算后產(chǎn)生脈沖寬度控制(PWM)信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[17],磁編碼器一直將變化的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī);5)驅(qū)動(dòng)模塊通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)實(shí)時(shí)采集電動(dòng)機(jī)的溫度,當(dāng)實(shí)際值超過預(yù)定值時(shí),立即關(guān)斷產(chǎn)生PWM信號(hào)引腳,停轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī),從而起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的目的。

    2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

    2.1 有刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

    有刷電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速簡單,控制方便,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),在伺服器中也大量使用。有刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)下的電氣方程為

    U1=E1+IdR

    (1)

    式中:U1表示驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)外部直流電源的電壓,V;E1表示電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),V;Id表示電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)下的電樞電流,A;R表示電動(dòng)機(jī)電樞電阻,Ω。有刷直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

    E1=Cenφ

    (2)

    式中:Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù),由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定;n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;φ為勵(lì)磁磁通,T·m2。由此可推導(dǎo)出有刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式:

    (3)

    由式(3)可知,有刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法有:改變驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)外部直流電源的電壓U1;改變電動(dòng)機(jī)電樞電阻R;改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁通φ。本文采用PWM方波控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,即通過改變輸入電動(dòng)機(jī)的電壓改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,在利用橋式電路的基礎(chǔ)上選用STM32F103T8U6芯片作為主控芯片,利用高級(jí)定時(shí)器改變驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)平均電壓來改變轉(zhuǎn)速。橋式電路采用集成“H橋”芯片L9110S,該芯片將分立電路集成在單片集成電路(IC)中,可以減小電路設(shè)計(jì)復(fù)雜程度,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

    2.2 降壓模塊設(shè)計(jì)

    降壓模塊為7.4 V降壓至5 V、再由5 V降壓至3.3 V。其中7.4 V降壓至5 V電路采用LM317降壓芯片,5 V降壓至3.3 V電路采用AMS1117降壓芯片,以滿足不同模塊對(duì)電壓的需求。LM317降壓芯片為可調(diào)節(jié)降壓芯片,兩端的電壓差最大可達(dá)到40 V,本文實(shí)驗(yàn)中的壓差為2.4 V,完全符合要求。LM317降壓芯片輸入輸出電壓差值計(jì)算公式為

    (4)

    式中,Vout為降區(qū)芯片輸出端電壓,V;R17為降壓芯片輸出引腳電阻,Ω;R18為降壓芯片調(diào)節(jié)引腳處電阻,Ω;IAdj為調(diào)節(jié)引腳輸出電流,A。由于IAdjR18<

    2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

    通信模塊主要用于上位機(jī)與控制板通信及控制板與驅(qū)動(dòng)板通信。上位機(jī)與控制板通信采用串口通信,所用芯片為CH340C,實(shí)現(xiàn)USB-TTL電平轉(zhuǎn)換,其特點(diǎn)為采用5 V電壓源供電,內(nèi)置晶振,外圍電路連線簡單??刂瓢迮c驅(qū)動(dòng)板通信采用CAN通信,所用芯片為TJA1050和SN65HVD230D,主要區(qū)別為供電電壓不同。TJA1050為5 V電壓供電,放置于控制板;SN65HVD230D為5 V通用芯片和3.3 V通用芯片,放置于驅(qū)動(dòng)板。采用CAN總線通信傳遞信號(hào),采用串聯(lián)方式在總線的起始和末端分別加裝120 Ω的電阻,可以實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)串聯(lián)控制,相較于PWM通信降低了連線的復(fù)雜程度。

    2.4 位置檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

    在機(jī)器人關(guān)節(jié)控制中,位置檢測(cè)具有重要地位,常用的位置檢測(cè)元件有:碼盤式位置檢測(cè)元件(如光電編碼器)、霍爾式位置檢測(cè)元件。其中,霍爾式位置檢測(cè)元件具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。本文采用AS5600磁編碼器,其采用霍爾原理,利用的是磁性檢測(cè)的方式獲取位置信號(hào)。測(cè)量角度的范圍為0°~360°;采用12位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出分辨率,精度可達(dá)0.01°;其應(yīng)用范圍廣、性價(jià)比高。對(duì)于磁場(chǎng)的采集有PWM模式和集成電路總線(IIC)通信方式,為提高采樣精度和傳輸效率,選擇IIC通信方式。

    2.5 電流采集模塊設(shè)計(jì)

    在電流環(huán)實(shí)驗(yàn)中,設(shè)計(jì)電流采集電路,所用芯片為MAX44248。其中,OUTA和OUTB表示輸出通道A和B,INA+和INA-分別表示通道A的正負(fù)輸入,VSS表示接地,VDD表示5 V供電接口,INB+和INB-分別表示通道B的正負(fù)輸入,電流采集電路如圖3所示。在驅(qū)動(dòng)芯片的接地端串聯(lián)一個(gè)采樣電阻,R8、R9、R10、R11和C24組成差分濾波電路,為了抑制零點(diǎn)漂移,在R12電阻上接了一個(gè)0.8 V的抬升電壓。采樣點(diǎn)處的電壓U0經(jīng)過采樣電路后進(jìn)行ADC采集,采樣得到的電壓表達(dá)式為

    (5)

    將讀取到的電壓進(jìn)行運(yùn)算,反向求出采樣點(diǎn)的電流。差分放大器采用集成IC芯片MAX44248,并在ADC采集點(diǎn)加R13和C20組成輸出一階濾波,D1為輸出電壓鉗位,可以起到輸入輸出保護(hù)的作用,同時(shí)可以利用軟件實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。

    圖3 電流采集模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of current acquisition module

    2.6 驅(qū)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

    驅(qū)動(dòng)電路控制模塊采用的控制芯片為STM32F103T8U6芯片,該芯片具有性能高、接口豐富、功耗低、封裝體積小、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。其中晶振頻率為8 MHz的無源晶振采用高級(jí)定時(shí)器1產(chǎn)生PWM方波,兩引腳為電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)PWM和互補(bǔ)PWM控制輸出端,同時(shí)可以通過改變占空比控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和剎車。CAN通信、IIC通信通過專用引腳接口與外設(shè)相連。為方便程序燒錄調(diào)試,采用串行調(diào)試(SWD)模式。

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    機(jī)器人關(guān)節(jié)電路部分主要由控制板和驅(qū)動(dòng)板組成,控制板相當(dāng)于中轉(zhuǎn)站,將上位機(jī)與驅(qū)動(dòng)板建立聯(lián)系;驅(qū)動(dòng)板主要用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況,其控制流程如圖4所示。

    圖4 控制程序流程圖Fig.4 Control program flow chart.(a) Control board flow chart; (b) Drive board flow chart

    上位機(jī)的信號(hào)通過串口發(fā)送給控制板,控制板再將信號(hào)通過CAN總線發(fā)送給驅(qū)動(dòng)板,同時(shí)還可以進(jìn)行信號(hào)的反向傳遞。主程序包括串口中斷和CAN中斷,其工作流程如圖4(a)所示。驅(qū)動(dòng)板主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)的一切動(dòng)作,并實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)溫度電流,程序中主要包含CAN中斷、外部中斷、高級(jí)定時(shí)器中斷等,其中溫度保護(hù)和電流保護(hù)設(shè)為最高級(jí)中斷。主要控制過程為:驅(qū)動(dòng)板接收到控制板通過CAN通信發(fā)來的信號(hào),立即產(chǎn)生CAN中斷,將數(shù)據(jù)與磁編碼器的位置信號(hào)進(jìn)行比較,驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到該位置,其工作流程如圖4(b)所示。

    4 轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

    機(jī)器人關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)經(jīng)常需要電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn),在單轉(zhuǎn)速比例積分(PI)調(diào)節(jié)時(shí)雖然有限流電路的保護(hù),但在到達(dá)位置時(shí),電流立即下降將導(dǎo)致停靠位置不準(zhǔn)確。為此,引入轉(zhuǎn)速、電流環(huán)雙閉環(huán)控制,并通過實(shí)驗(yàn)將單速度環(huán)與轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。其中,ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、ACR為電流調(diào)節(jié)器[18-19]。在實(shí)際雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中加入濾波環(huán)節(jié),用于抑制各種擾動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)的影響,同時(shí)在調(diào)節(jié)器輸入端加入同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)以平衡延遲作用。

    4.1 電流環(huán)設(shè)計(jì)

    參照工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制,遵循先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的設(shè)計(jì)原則,即先設(shè)計(jì)電流環(huán)再設(shè)計(jì)速度環(huán)。在電流環(huán)中有2個(gè)相差較大慣性環(huán)節(jié)的控制對(duì)象,采用PI調(diào)節(jié)器的典型Ⅰ型系統(tǒng),PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

    (6)

    式中:Ki為ACR比例系數(shù);τi為ACR積分時(shí)間常數(shù);s為傳遞函數(shù)經(jīng)過拉普拉斯變換后與時(shí)間相對(duì)應(yīng)的空間變量。典型Ⅰ型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

    (7)

    式中:τ∑i=Ts+Toi;Ts為PWM方波滯后時(shí)間常數(shù);Toi為電流反饋時(shí)間常數(shù)。

    通常希望電流超調(diào)量σi≤5%,可選阻尼比ξ=0.707,KITΣi=0.5,則KI為

    (8)

    式中,β為電流反饋系數(shù)。令τi=Tl,可得比例系數(shù)表達(dá)式:

    4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)

    和電流環(huán)設(shè)計(jì)相同,為實(shí)現(xiàn)無靜差,在電流環(huán)中已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上必須再加入一個(gè)積分環(huán)節(jié)。顯然,工程Ⅰ型系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)不到要求,所以轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)必須采用工程Ⅱ型系統(tǒng),轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)也采用PI閉環(huán)調(diào)節(jié),其傳遞函數(shù)為

    (9)

    式中:Kn為ASR比例系數(shù);τn為ASR積分時(shí)間常數(shù)。轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

    (10)

    式中:T∑n=1/KI+Ton,Ton為轉(zhuǎn)速反饋時(shí)間常數(shù);α為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù);β為電流反饋系數(shù);Ce為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù);Tm為機(jī)電時(shí)間常數(shù)。

    令轉(zhuǎn)速開環(huán)增益KN為

    (11)

    ASR的參數(shù)包括Kn和τn,典型Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)公式為:

    τn=hT

    (12)

    (13)

    故可推出

    其中,h為中頻寬,由動(dòng)態(tài)性能要求決定。

    5 實(shí)驗(yàn)分析

    為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可行性,首先針對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì),根據(jù)機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)流程圖,采用五級(jí)減速齒輪組,電動(dòng)機(jī)采用1718型精密空心杯電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源,具體參數(shù)如表1所示。針對(duì)使用位置,設(shè)計(jì)為扇形結(jié)構(gòu),優(yōu)化內(nèi)部齒輪排布方式,三維圖如圖5機(jī)器人驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)所示。輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0~40 r/min,轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°~360°。

    表1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.1 Motor parameter

    圖5 機(jī)器人腰部驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)Fig.5 Robot waist drive joint. (a) Front view;(b) Rear view

    通過運(yùn)用有限元分析,機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)各部分應(yīng)力在材料允許范圍之內(nèi),即機(jī)器人關(guān)節(jié)殼體、軸、齒輪滿足日常的使用要求。最后進(jìn)行實(shí)體加工,殼體采用鋁合金材料進(jìn)行銑削加工,齒輪采用銅合金材料進(jìn)行滾齒加工。

    控制電路方面,為實(shí)現(xiàn)所要求的功能,結(jié)合上述元件原理運(yùn)用Altium Designer 15進(jìn)行電路板設(shè)計(jì);為減小占用面積采用雙層板設(shè)計(jì),驅(qū)動(dòng)板集成電路如圖6所示。

    圖6 驅(qū)動(dòng)板集成電路圖Fig.6 Driver board integrated circuit diagram. (a) Front view; (b) Rear view

    最后,將各個(gè)部件進(jìn)行裝配調(diào)試,完成所有硬件部分的設(shè)計(jì),裝配實(shí)體如圖7所示。

    圖7 機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)實(shí)物圖Fig.7 Physical map of waist joint of robot.(a) Transmission system; (b) Drive board; (c) Entity

    為驗(yàn)證紡織機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,利用Keil軟件編寫程序,將程序燒錄到驅(qū)動(dòng)板,實(shí)現(xiàn)單轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制,搭建如圖8所示的實(shí)驗(yàn)硬件連接圖。

    圖8 實(shí)驗(yàn)硬件連接圖Fig.8 Experimental hardware connection diagram

    Mo等[20]對(duì)控制電動(dòng)機(jī)的硬件進(jìn)行了對(duì)比研究。為檢驗(yàn)不同控制方案下的電動(dòng)機(jī)響應(yīng)情況,同時(shí)觀察電流的變化情況,采用不同的控制方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖9所示。

    在單轉(zhuǎn)速環(huán)控制時(shí),由圖9(a)可知,速度在很快的時(shí)間就可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,且超調(diào)量并不大;由圖9(b)可知,在啟動(dòng)瞬間電流非常大,是額定電流的62.5倍。機(jī)器人關(guān)節(jié)為頻繁啟動(dòng)部件,啟動(dòng)電流沖擊加速元器件的老化,并對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)造成沖擊,嚴(yán)重影響機(jī)器人關(guān)節(jié)壽命,故在工程中應(yīng)盡量避免此類情況的發(fā)生。

    在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上加入帶電流截止的負(fù)反饋,將最大電流限制在額定電流的1.5倍,測(cè)量在額定工況空載時(shí)的轉(zhuǎn)速,如圖9(c)所示。可以看出,轉(zhuǎn)速的響應(yīng)時(shí)間明顯加長,并且在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之前有多次抖動(dòng)使得進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間變長,主要原因是對(duì)電流不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。

    圖9 額定工況下不同控制方案電動(dòng)機(jī)響應(yīng)Fig.9 Motor response of different control schemes under rated conditions.(a) Single speed loop control speed;(b) Single speed loop control current; (c) Speed control with cut-off current speed loop; (d) Speed and current double closed loop control speed; (e) Speed and current double closed loop control current; (f) Speed comparison between speed loop with cut-off and double closed loop

    針對(duì)帶電流截止的速度環(huán)中轉(zhuǎn)速存在抖動(dòng),引入轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制,如圖9(d)、(e)所示,電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)的過程中電流環(huán)對(duì)電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)速在達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速后快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。將轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速與帶電流截止的單轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)速進(jìn)行對(duì)比,如圖9(f)所示,雙閉環(huán)調(diào)速比帶截止電流轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)速更快地達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,并且對(duì)超調(diào)量的抑制效果更加明顯,可大大提高機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性,故最終采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速。

    為檢測(cè)在設(shè)定不同轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的響應(yīng)情況,分別測(cè)試500、1 000、5 000 r/min下的轉(zhuǎn)速、電流響應(yīng)曲線,輸出波形如圖10所示。在轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)電流沒有達(dá)到截止電流就已達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速,同時(shí)也率先進(jìn)入穩(wěn)態(tài);在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí),電流剛剛達(dá)到設(shè)定的電流最大值就達(dá)到了設(shè)定轉(zhuǎn)速,達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間會(huì)比500 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)長。對(duì)比3種轉(zhuǎn)速可以看出,隨著轉(zhuǎn)速的提高,電動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)長變長。在轉(zhuǎn)速圖上,3條曲線都很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài),并且在轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制下電動(dòng)機(jī)在500 r/min時(shí),轉(zhuǎn)速誤差為±0.5 r/min;在1 000 r/min時(shí),轉(zhuǎn)速誤差為±1 r/min;在5 000 r/min時(shí),轉(zhuǎn)速誤差為±2 r/min。可見,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高其相對(duì)誤差減小,對(duì)于高控制精度的機(jī)器人關(guān)節(jié)應(yīng)盡量采用大傳動(dòng)比以減小相對(duì)誤差帶來的影響。本文中機(jī)器人關(guān)節(jié)減速比為395,大大降低了相對(duì)誤差帶來的影響,該機(jī)器人關(guān)節(jié)可以滿足運(yùn)動(dòng)控制要求。

    圖10 不同轉(zhuǎn)速下電動(dòng)機(jī)響應(yīng)Fig.10 Motor response at different speeds.(a) Motor speed; (b) Motor current

    6 結(jié) 論

    本文以紡織機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)為研究對(duì)象,對(duì)現(xiàn)有關(guān)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化,完成了三維模型設(shè)計(jì)和加工,針對(duì)驅(qū)動(dòng)電路原理進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路板,實(shí)驗(yàn)證明該驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)具有較高性能和效率。

    針對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)為頻繁啟動(dòng)部分,為防止電流產(chǎn)生嚴(yán)重超調(diào)并滿足運(yùn)動(dòng)控制高效、可靠的要求,可采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制。在多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)控制方式上,采用CAN總線方式進(jìn)行串聯(lián)通信,可避免采用PWM總線方式的并聯(lián)通信,為多路機(jī)器人關(guān)節(jié)的聯(lián)動(dòng)控制簡化了系統(tǒng)布線。測(cè)試證明,轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制能滿足運(yùn)動(dòng)控制的需要。為減小轉(zhuǎn)速相對(duì)誤差,設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用高減速比使電動(dòng)機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速區(qū)。

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