潔凈機(jī)器人手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分析及運(yùn)動(dòng)控制

1、控制與檢測(cè)組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)文章編號(hào)：1001 - 2265( 2007) 03- 0(34- ()3潔凈機(jī)器人手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分析及運(yùn)動(dòng)控制收稿日期：2(X)6- 08- 31 基金項(xiàng)目：超大觀模集成電路制適裝備匝大專項(xiàng)(2005.AA4Z5022)于雷二徐方13(L中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng)11(X)16 2中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049 3沈陽(yáng)新松 機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，沈陽(yáng)110168)摘要:針對(duì)潔凈機(jī)器人手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響在利用動(dòng)能公式分析得到其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與 位置關(guān)系的基礎(chǔ)上提出了 T中位置P1閉環(huán)加前饋參數(shù)整定的控制方法。該控制方法是由位置值實(shí)時(shí)

2、得到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，再由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)實(shí)時(shí)整定1>1參數(shù)。仿真結(jié)果表明了該控制方法能有效抑制轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，且簡(jiǎn)單可行。關(guān)鍵詞:潔凈機(jī)器人;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：PI前饋;參數(shù)整定中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AInertia Analysis and M otion Control of a C lean-room M aniixihterYU Lei12, XU Fang13(L Shenyang Institute of Autanatbn Chinese Acadeny of Science Shenyang 11(X)16 China 2 Graduale School o

3、f die Chuiese A catltiny ofScienfesj Beijhg 1(XX)49 Ch ha)Abstract A in hg at die uiilience of tie her! of a c lean- nxm rn ail puhter on die ws ttin |)erf()niance based on creating the nehtion of inertia and position ushg the khetk* eney foniula tlie paper presents a kind of control strategy w ith

4、positbn Pl closed loop and feed* ibiwanl paraneter tun hg The con tn 1 strategy k iiat gar n hg inertia neabthie fixin positbn and lining paraneter Pl ushg i)e hertH The sinulati)n results show that it Can not on K restraiii die illfluen<*e of die variant iieit ii()i)die syst«n perbniaiH efe

5、ctively; l)u t also be in* p ltmenlwl in orc easilyKeywords cleair nxm n)lx)l bieitia 14ank paiaiieter tuning© 啟942010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.ki.nct控制與檢測(cè)組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)© 啟942010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights res

6、erved.ki.nct控制與檢測(cè)組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)0引言潔凈機(jī)器人是i種工作在潔凈環(huán)境中，用于完成 特定的搬運(yùn)任務(wù)的機(jī)器人。其特殊的用途要求It運(yùn)動(dòng) 必須滿足以下要求:一是高速運(yùn)行，以縮短系統(tǒng)整個(gè)制 造過(guò)程的時(shí)間；二是平穩(wěn)無(wú)振動(dòng).以控制空氣中分子 級(jí)別顆粒的污染：三是髙精度，以提高晶関加丁的質(zhì) 呆降低生產(chǎn)成本。它結(jié)構(gòu)上是関柱坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)可完 成豎直方向的上卜運(yùn)動(dòng)，沿豎直軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)還仃個(gè) 手臂(潔凈機(jī)械手)用來(lái)完成水平方向的伸縮運(yùn)動(dòng)。潔凈機(jī)械手是個(gè)平面關(guān)節(jié)三連桿結(jié)構(gòu)，其伸縮運(yùn) 動(dòng)屮結(jié)構(gòu)要發(fā)生變化，從而轉(zhuǎn)動(dòng)慣凰要發(fā)生變化。而 轉(zhuǎn)動(dòng)慣星是TI接影響運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的_個(gè)參 數(shù).仃必要對(duì)作

7、為負(fù)載的潔凈機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)慣凰進(jìn)行 分析計(jì)并.以確疋它對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響 程度，也是設(shè)計(jì)控制方法必須要考慮的問(wèn)題。山于潔 凈機(jī)械手的平面關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性不能通 過(guò)各連桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量單獨(dú)計(jì)算然后疊加的方法來(lái)肖接計(jì) 算總的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣帯，本文利用動(dòng)能公式間接進(jìn)行計(jì) 算出潔凈機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到各個(gè)位胃處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣帚，從而 確定了負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣疑與位置的關(guān)系。為卜一步具體控 制方法的設(shè)計(jì)作了準(zhǔn)備。為消除負(fù)a轉(zhuǎn)動(dòng)慣W：變化対控制系統(tǒng)性能的影 響，也已經(jīng)冇了多種控制方法°針對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣帚變 化及不確定性，仃采用門適應(yīng)控制方法的"，仃采用先© 啟942010 China Acad

8、emic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.ki.nct控制與檢測(cè)組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)ma ib)u l<Xe 豈 ii m作者簡(jiǎn)介：Fili (1976- )男,遼寧凌源人，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所碩上研究生，主耍從事機(jī)器人控制研究等,(E-© 啟942010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.ki.nct2007年第3期控制與檢測(cè)1994-2010 China Academic J

9、ournal Electronic Publishing House. All rights reserved.2007年第3期控制與檢測(cè)辯識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣疑然后格定的h整定控制方法的|刊。這 兒種典型的針對(duì)變化的負(fù)裁轉(zhuǎn)動(dòng)慣帚的控制方法，都 要經(jīng)過(guò)先辯識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣帚，然后再修正控制參數(shù)。木文 充分利用負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣景已知，且其變化與位宜存在點(diǎn) 接關(guān)系的便利條件，采用了一種位置円閉環(huán)加I前饋參 數(shù)整定的控制方法，以消除負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣鼠變化對(duì)控制 系統(tǒng)性能的影響。前饋參數(shù)整定就是山位克值確定負(fù) 載轉(zhuǎn)動(dòng)慣駁再山負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣戰(zhàn)帑定P1參數(shù)。這種控轉(zhuǎn)動(dòng)慣帚 z、yxA/ ixLT.1/ 3 x(L 1 x shBx 2)2代

10、入?yún)?shù)值J, = y x Htfx 1 7+ L 5x2x llffx(I)人隨轉(zhuǎn)角e變化的曲線如圖2Ja =W 2x£22x制方法不但節(jié)省了慣暈的辯識(shí)，使實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，而II能發(fā)4揮前饋和PI控制的優(yōu)點(diǎn)。1潔凈機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分析潔凈機(jī)械手是平而關(guān)節(jié)三連桿結(jié)構(gòu)，做水平運(yùn)動(dòng), 英結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖L三桿長(zhǎng)度為L(zhǎng) = L2= L3 =11 Qiuib 三桿質(zhì)戢為 M 1 = lkg M2= 0. 7kg M 3 = 0 4如 電機(jī)帶動(dòng)<1繞力軸旋轉(zhuǎn)()<0<刃丿，同時(shí)通 過(guò)帶輪帶動(dòng)/.2繞軸旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)帶輪帶動(dòng)/.3繞C 軸旋轉(zhuǎn)。人E C三處皮帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比為1：2： L所 以

11、其合成運(yùn)動(dòng)為/.I繞A軸轉(zhuǎn)動(dòng)，/3為沿本身直線平 動(dòng)<2就復(fù)雜了。潔凈機(jī)械手就是這樣通過(guò)電機(jī)帶動(dòng) 4軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成了 L2的肖線伸縮運(yùn)動(dòng)。町見，潔凈 機(jī)械手在匸作屮三桿的相對(duì)位置結(jié)構(gòu)要不斷的發(fā)生變 化.其轉(zhuǎn)動(dòng)慣星也要發(fā)生變化。而折并到.4軸的總轉(zhuǎn) 動(dòng)慣凰很難直接計(jì)雋,不能通過(guò)各連桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣暈單獨(dú) 計(jì)算然后疊加的方法來(lái)直接計(jì)算因厶2和£3都存在 介成運(yùn)動(dòng)。卜一面將利用動(dòng)能公式進(jìn)行等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣®的 計(jì)舁2。00.511.522.53.5位賈*角/"d4.5X，045 3 5 2 55 蘭、«2*»«椚lz圖1潔凈機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖2轉(zhuǎn)動(dòng)慣

12、量的變化曲線可見等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣尿J.變化幅度較尢與轉(zhuǎn)角位 ft 0(0<9<n)的iF弦平方成線性關(guān)系。在歸號(hào)取得 最大值。因此潔凈機(jī)械手采用日本安川SGMAHA5A 電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),減速比為1： 5(1電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣凰只 有2 2kg- mm2o可以算得慣量比(負(fù)載作用在電機(jī)軸 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣磺除以電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣彊)的變化至少為 2至7這樣大的慣最比變化對(duì)控制系統(tǒng)性能的彫響不 能忽略.必須采収一定的控制描哋以消除負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣 最變化的影響。2控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由于交流永磁同步電機(jī)(IM SV1 )具有高精度，高 動(dòng)態(tài)性能以及小體積的特點(diǎn)，在機(jī)器人等領(lǐng)域得到了 廣泛的W用。潔凈機(jī)械手采用交流

13、永磁同步電機(jī)作為 驅(qū)動(dòng)裝置.電機(jī)采用定子磁場(chǎng)定向原理進(jìn)行矢呆控制. 其速度環(huán)控制的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：設(shè)L1的轉(zhuǎn)角為Q轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為4此時(shí)H繞A 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，L3為沿本身氏線平動(dòng)M2繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)心P轉(zhuǎn)動(dòng)。/ 、厶 1 的動(dòng)能 = X -Ix.W IxAl2 XG)2£ (22的動(dòng)能 W 2=-7X A/2x/,2!x -y + 2x( sirOr x or厶3的動(dòng)能 IT3=4xW3x (3x/.x “*)x2尸三動(dòng)能相加后除三xo2即為折算到4軸的總的 厶其中 f=K,+Kp /(K嚴(yán) XKJK 速度反饋系數(shù)K,tt前置放大器增施 K, 電流反饋增益，K”功率放大增益,K。,一 轉(zhuǎn)矩常數(shù).人一繞

14、組電感，他一繞組電阻，J 電機(jī)軸上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣最，將(2丿式表示成G(S)=K xCaJS2 + IJS + c1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.控制與檢測(cè)組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)© 啟942010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.ki.nct控制與檢測(cè)組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)可見速度閉壞是個(gè)二階系統(tǒng)。卜面將在此基礎(chǔ)上 進(jìn)行位置閉環(huán)控制。3控制方案3

15、 1總體控制方案這里是在交流永磁同步電機(jī)矢帯控制的速度閉環(huán) 皋礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，山于已仃了速度環(huán)的控制，在外層的 位置閉環(huán)采用了 PI控制,不必用PID即可達(dá)到控制要 求。同時(shí)為了消除變化的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣帯對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性 能的影響,允分利用負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣最已知，口其變化與位 置的定量關(guān)系在位置P1閉環(huán)堆礎(chǔ)上利用前饋対PI參 數(shù)進(jìn)行整定，控制框圖如圖3o徨*卜T遼度環(huán)G圖3控制框圖這種控制方案的好處是,隨轉(zhuǎn)動(dòng)慣駅變化進(jìn)行實(shí) 時(shí)整定，消除變化的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣斎對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的 影響；不用對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣駅進(jìn)行辨識(shí),直接利用轉(zhuǎn)動(dòng)慣 最與位宜的關(guān)系得到，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便:采用前 饋榕定PI參數(shù)使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化未對(duì)系統(tǒng)性

16、能產(chǎn)生 彩響之前就將其消除掉；同時(shí)發(fā)揮了 PI的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 穩(wěn)定性好、可您性高等優(yōu)點(diǎn)。3 2控制參數(shù)整定策略首先離線辨識(shí)，在電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣凰已知的條 件卜.離線辨識(shí)出電機(jī)的速度環(huán)傳遞函數(shù)式（3）中的參 數(shù)a 4 qK.然后在線實(shí)時(shí)整定，山位宜值通過(guò)（1丿式 計(jì)算出負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量丸則電機(jī)軸上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J =Jn + 4其中Jn電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣戰(zhàn)i為減速比，I將丿代入（3丿式得到具體的傳遞函數(shù)G（S）,最后由G （S殊整定PI參數(shù)。圧于模型的口整定方法仃Z-N法，卑于Kessler 對(duì)稱瑕優(yōu)原理的（調(diào)整方法等,這里采用方便計(jì)算的 基于Kessler對(duì)稱眾優(yōu)原理的口調(diào)整方法。設(shè)被控對(duì)彖的開環(huán)傳遞函數(shù)

17、為仇（S丿=警先 求得被控對(duì)象G°（S）頻率響應(yīng)曲線中相角為-135。處 的頻率3畑然后山下式計(jì)算PI參數(shù)7, _ £46_1廣兀?廠3 3%叫丿其中久（3瘁丿是在3瘁處被控對(duì)象頻率響應(yīng)曲線 的幅值。4仿真潔凈機(jī)械手采用H木安川電機(jī)SGMAHA5A作為 驅(qū)動(dòng)，電機(jī)木身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣戰(zhàn)為0 022 x 10'4 kg采 用單位階躍響應(yīng)法對(duì)電機(jī)的速度閉環(huán)進(jìn)行辨饑得其 速度閉壞傳遞函數(shù)G（S）二“總J的單位為 1（14kg- in2,這里S的二次項(xiàng)系數(shù)相對(duì)較小將其忽 略。然后在不同的位置轉(zhuǎn)角處進(jìn)行MATLAB仿真。圖 4給出了在不同位置轉(zhuǎn)角處，有利用前饋實(shí)時(shí)整定參數(shù) （實(shí)線）和

18、無(wú)實(shí)時(shí)整定參數(shù)（虛線）的位置P1閉環(huán)控制 的單位階躍響應(yīng)比較曲線。圖4仃前饋參數(shù)整宦（實(shí)線）和無(wú)前饋參數(shù)整定（虛線）時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)（下轉(zhuǎn)第40頁(yè)）略能夠削弱抖振的影響，保證了系統(tǒng)具仃較好的穩(wěn)定 性和快速跟蹤性能以及較強(qiáng)的魯棒性能。山此可見, 迭代學(xué)習(xí)的I' I我調(diào)整特性能夠改善系統(tǒng)的控制性能, |佃離散變結(jié)構(gòu)控制1J迭代7習(xí)控制*11結(jié)介能保證系統(tǒng) 具有快速的跟蹤性能以及較強(qiáng)的抗擾性能。B-0.60.60.40.20-0.2-0.40.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 L4 1.6 1.8 2 f/s圖3 DVS(： 1L(:綃合學(xué)習(xí)X次后的位移跟蹤特性曲線(上接第36頁(yè))從仿真

19、結(jié)果可以看出，利用前饋實(shí)時(shí)整定參數(shù)的 位a pI閉環(huán)控制使系統(tǒng)在各個(gè)位且轉(zhuǎn)角處的階躍響 應(yīng)達(dá)到快速上升且超調(diào)吊小，獲得了很好的控制性能。 而無(wú)實(shí)時(shí)格定參數(shù)的位置曰閉環(huán)控制，其階躍響應(yīng)只 在個(gè)別位置轉(zhuǎn)角處獲得與前者相同的控制性能，在大 多數(shù)位置轉(zhuǎn)角處的響應(yīng)性能都落后前者。5結(jié)論潔凈機(jī)械手的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J、變化幅度較大，與 轉(zhuǎn)角位置0fO<0<n)的正弦平方成線性關(guān)系。過(guò)大 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣屋變化對(duì)控制系統(tǒng)性能的彩響不能忽略。利用已知負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣重與位置的定星關(guān)系，在位 S PI閉環(huán)基礎(chǔ)上利用前饋對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行整定，有效消 除變化的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣暈對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，使系 統(tǒng)在務(wù)個(gè)位邊轉(zhuǎn)角處都具仃

20、良好的動(dòng)態(tài)性能；同時(shí)結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。該控制方法即將在我們實(shí)際的潔4結(jié)論本文針對(duì)交流永磁肖線電動(dòng)機(jī)在執(zhí)行暇復(fù)性的跟 蹤控制任務(wù)時(shí)，提岀了一種復(fù)合控制方法離散變 結(jié)構(gòu)與迭代學(xué)習(xí)控制相結(jié)合。該控制策略是在DVSC 屮引入一個(gè)迭代學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)，來(lái)調(diào)整變結(jié)構(gòu)控制器的參 數(shù)，從而削弱抖振.改善跟蹤性能。仿真結(jié)果表明，這 種控制并法能夠結(jié)件二者的優(yōu)點(diǎn)，既保證變結(jié)構(gòu)控制 的魯棒特性，又很好的發(fā)揮了迭代學(xué)習(xí)的智能作用，使 系統(tǒng)獲得較好的跟蹤效果。I參考文獻(xiàn)|1|高為炳.變結(jié)構(gòu)控制的理論及設(shè)計(jì)方法|1 |.北京：科學(xué)出 版社.19% 278- 299.|21瞿少成，王永驥.BLDC位置何服系統(tǒng)的離散變結(jié)構(gòu)控制|

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