硕士学位论文-基于ADAMS和SIMULINK联合仿真的高速并联机械手伺服系统研究.pdf

天津大学 硕士学位论文 基于ADAMS和SIMULINK联合仿真的高速并联机械手伺服系统研究 姓名：吕静 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：杨志永 20070801 中文摘要 本文密切结合国家自然科学基金项目，以实现二自由度D i a m o n d 并联机械 手全数字化仿真为目标，搭建了虚拟机电一体化样机模型，研究了系统的控制器 设计及参数全局优化方法，并取得如下成果： ( 1 ) 基于直接转矩控制原理，利用M a t l a b S i m u l i n k 软件建立了三相异步电机的数 字化模型及其伺服控制系统模块，分析了异步电动机在直接转矩控制系统下的磁 链轨迹、定子电压、定子电流、转速以及电磁转矩等参数的变化情况，解决了机 电一体化分析中电机伺服控制系统的快速数字模块化问题。， ( 2 ) 基于M s c A d a m s 商用软件，建立了D i a m o n d 高速并联机械手的刚体以及刚 柔混合多体动力学模型，获得了在已知驱动条件下两种模型的机械手末端执行器 动力学特性，并分析了并联机械手从动臂杆的柔性对于末端执行器质心轨迹和加 速度的影响。 ( 3 ) 基于M s c A d a m s 和M a t l a b S i m u l i n k 软件分别建立了D i a m o n d 并联机械手的 刚柔混合多体动力学模型及其伺服驱动系统的数字化模型，并以M a t l a b 中 S f u n c t i o n 为源代码，开发了机、电两类子系统的接口程序，完成了整个系统的 机电一体化虚拟样机模型。采用“位移速度驱动，实时负载反馈”的控制策略， 解决了半闭环控制中信息交换实时性的问题。 ( 4 ) 针对D i a m o n d 高速并联机械手的结构特点，研究了其刚体逆动力学建模及其 全域内伺服系统控制器参数整定方法。利用虚功原理构造了主模块的刚体动力学 逆解模型，为后续的伺服系统参数整定提供了必要的数学模型。以实际工况下的 动平台末端运动轨迹均方根误差最小为优化目标，对并联机械手伺服系统控制器 参数进行了整定，给出了使系统在全工作空间趋优的控制器参数的范围。 上述研究成果不仅对并联机械手数控技术的开发具有一定的指导作用，而且 还为评判机械零部件的优化设计的优劣和验证伺服系统控制策略及优化算法提 供了快速仿真平台。 关键词：高速并联机械手；直接转矩控制；机电一体化联合仿真；耦合动力学； P I D 参数全局优化 A B S T R A C T T h ed i s s e r t a t i o nd e a l sw i t hs o m ek e yi s s u e sr e l e v a n tt ot h ei n v e s t i g a t i o no n c o u p l e dd y n a m i c so f2D O Fp a r a l l e lm a n i p u l a t o r - D i a m o n d , i n c l u d i n gD i r e c tT o r q u e C o n t r o lt e c h n o l o g y , m e c h a t r o n i c sa n dp a r a m e t e rt u n i n gb a s e do nw h o l ew o r k s p a c e o p t i m i z a t i o n T h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e nc o m p l e t e d ( 1 ) B a s e do nt h ep r i n c i p l eo fD T C ( D i r e c tT o r q u eC o n t r 0 1 ) ，t h es e r v es u b s y s t e m i n c l u d i n gt h et h r e e - p h a s em o t o r i sc o n s t r u c t e db yu s i n gt h eM a t l a b S i m u l i n k c o m m e r c i a ls o f t w a r e T h ev a r i a t i o n so f F l u xT r a j e c t o r y , S t a t o rV o l t a g e ，S t a t o rC u r r e n t ， S p e e da n dT o r q u ea r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l yb a s e do nD T C ( 2 ) B a s e do nt h eA d a m sc o m m e r c i a ls o f t w a r e ，t h er i g i da n dr i g i d - f l e x i b l em u l t i b o d y d y n a m i cm o d e l so fo n ep a r a l l e lm a n i p u l a t o r - D i a m o n da r ee s t a b l i s h e d T h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fe n d - e f f e c t o ra r eo b t a i n e du n d e rt h eg i v e nb o u n d a r yc o n d i t i o n s T h e e f f e c t so ff l e x i b i l i t yo fr o d so nt h ed y n a m i c so fe n d e f f e c t o ra r ed i s c u s s e dd e e p l y ( 3 ) B a s e do nt h ec o m m e r c i a ls o f t w a r e ，M a t l a b S i m u l i n ka n dM s c A d a m s ，t h e m e c h a t r o n i cc o u p l e dd y n a m i ca n a l y s i sp l a t f o r ma r ec o n s t r u c t e d T h em o d e lh a st h e r i g i d f l e x i b l ec o u p l e dd y n a m i cs u b s y s t e ma n dt h es e r v os u b s y s t e mw h i c hi n c l u d e st h e n u m e r i c a lm o d e lo ft h et h r e e p h a s em o t o ra n dc o n t r o l l e rb a s e do nD T C T h e c o r r e s p o n d i n gi n t e r f a c e i sd e v e l o p e di nt e r m so fS - f u n c t i o ni n M a t l a b T a k i n g D i s p l a c e V e l o c i t yD r i v i n ga n dR e a l t i m e L o a dF e e d b a c ka sc o n t r o li d e a l ，t h e d i f f i c u l t ya b o u tt h ei n f o r m a t i o nr e a l t i m ee x c h a n g ei ss o l v e d ( 4 ) An e wt u n i n gm e t h o do fc o n s t a n tP I Dp a r a m e t e r sf o rp a r a l l e lm a n i p u l a t o ri s i n v e s t i g a t e d C o n s i d e r i n gt h em e c h a t r o n i c sc o u p l i n g t h r e et r a j e c t o r i e sw i t l ld i f f e r e n t w e i g h t s a r es e l e c t e d ，t h e nk i n e m a t i c sa n di n v e r s ed y n a m i cm o d e la r es e tu pb yu s i n g v e c t o rm e t h o da n dv i r t u a lp o w e rp r i n c i p l e M a k i n gt h em i n i m i z e df o l l o w i n g t r a j e c t o r ye r r o r so fe n d e f f e c t o ra so p t i m i z e dg o a l ，t h ec o n t r o l l e rp a r a m e t e r sc o u l db e t u n e d T h ea b o v er e s e a r c hn o to n l yg i v e sg u i d a n c et ot h ed e s i g no fp a r a l l e lm a n i p u l a t o r m e c h a t i o n i c sb a s e do nt h ew h o l en u m e r i c a lm o d e la n di t sc o n t r o l l e rb u ta l s ol a ya s o l i df o u n d a t i o nf o rp h y s i c a lp r o t o t y p em a n u f a c t u r i n ga n di t si n d u s t r i a la p p l i c a t i o n K e yw o r d s ：P a r a l l e lM a n i p u l a t o r , D i r e c tT o r q u eC o n t r o l ，M e c h a t r o n i c s ，C o u p l e d D y n a m i c s ，P a r a m e t e rT u n i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得；垂注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 文名：即 期：矽D 7 年哆月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：汐7 年 | 具s E t 导师签名：知右采 签字日期：b 。夕年多月日 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 现代机器人的研究始于2 0 世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展， 以及原子能的开发利用。自1 9 4 6 年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取 得了惊人的进步，向高速、大容量、低价格的方向发展。大批量生产的迫切需求 推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1 9 5 2 年数控机床的诞生。与数控机 床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，原子 能实验室的恶劣环境要求操作机械代替人处理放射性物质。在这一要求的背景 下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1 9 4 7 年开发了遥控机械手，1 9 4 8 年开 发了机械式的主从机械手。1 9 5 9 年美国英格伯格和德沃尔制造了世界上第一台 工业机器人，并兴办了世界上第_ 家机器人制造工厂。他们因此被称为机器人之 父。自此，工业机器人得到了迅速发展，并广泛应用于工业领域以及服务行业、 医疗卫生等方面。 。基于关节型的传统串联机器人在工业界尤其是制造业获得了普及应用，但是 在许多其它工业场合，比如在插装、分拣等工序中，需要机械手以很高的速度和 加速度完成工件的提取、移动和插入等操作。如何实现这类机械手的高速、高精 度运动控制一直是机器人技术研究的难点和热点问题。传统的工业机器人因采用 开环串联机构，即便是抓取几克重的物料也需较为粗大的动臂以提供足够的刚 度，因此难于实现末端执行器的高速运动。此时，便出现了全新的并联构型机器 人种类【l 捌。与串联构型机器人相比，并联机器人具有结构刚度大、承载能量强、 运动精度高以及位置反解简单和力反馈控制方便等诸多优点。由于其可将驱动器 安装在机架上，并将从动构件制成轻杆，因此在轻小物料的中短距离高速操作方 面表现出了良好的应用前景【3 一。并联机器人与目前广泛应用的串联机器人在应 用上构成互补关系，因而扩大了整个机器人的应用领域。国内外研发机构和学者 对它的研究与开发给予了高度重视，做了大量的研究工作，取得了一系列的成果。 在并联机器人机构的应用中，研究的深度和实用化或者说商品化进程较高的 有三种机型。一是六足结构的S t e w a r t 5 】平台，其被广泛应用于并联机床、机器人 装置，如美国H E X E L 公司的六轴C N C 定位平台，如图1 1 所示。根R O B O T O O L 研发项目( 2 0 0 2 年) 的统计，在共8 8 家单位的8 0 个机型中，就有6 0 个机型为 S t e w a r t 或基于此机型的6 自由度并联机构，占总数的7 5 。二是可实现3 维纯 平动的D E L T A 并联机器人，如瑞士A B B 公司生产的D E L T A 构型并联机器人 第一章绪论 I R B 3 4 0 F l e x P i e k e r ，见图l 之。还有一种是带有导向装置的三自由度并联( 混联) 机构t 如瑞典S M T T r i c e p t ( 前身为N e o sR o b o t i c s ) 的T f i c e p t6 0 0 并联机床( 见 图1 - 3 ) 。 图】4 六自由度并联样机图l - 5 六自由度并联误差补偿器 以S t e w a r t 平台为代表的六自由度并联机器人已得到了广泛的研究，但在某 些场合，少自由度并联机器人由于其驱动元件少、造价低、结构紧凑而有较高的 实用价值，更具有较好的应用前景，因此少自由度的并联机器人的设计理论的研 究和应用领域的拓展成为了并联机器人的研究热点之一。科研人员己相继研究具 有各自应用背景的新型少自由度并联机器人机型，并开发出其样机模型。 圈】6 “ C A M T I Y 并联机床圈1 7D S X 5 - - 7 0 混联机床 在少自由度并联机型的研究中，三维平移并联机构得到J 泛的重视。C l a v e l 口】 ( 1 9 8 8 ) 提出了一种可实现纯平动3 自由度D e l t a 并联机器人，在D e l t a 机构的 支链中采用平行四边形机构约束动平台的3 个转动自由度。T s a i 【l ”( 1 9 9 6 ) 提出 的D e l t a 机构完全采用回转副，并通过转轴的偏移扩大了D e l t a 机构的工作空问。 在T r i c e p t 并联机床上聚用的构型是由N e u m a n n 1 ( 1 9 9 8 ) 发明的一种具有3 个 可控位置自由度的并联机构，该机构3 个内副驱动支链并由导向装置约束动平 台。T s a i t ”1 ( 1 9 9 9 ) 通过自由度分析提取支链的运动学特征，系统研究了并联机 构的综合问题，特别研究了一类实现3 自由度平动的并联机构。R a s i m A l i z a d e 【1 3 1 于2 0 0 4 年提出基于平台类型和联接平台的形式和类型进行分类的一种并联机构 的结构综合和分类的新方法和公式，并综合出具有单平台和多平台的纯并联和串 并混联机构。 在国内黄真教授研制出了解耦微型6 维力传感器和微动机械，并开发了多 个少自由度并联机器人机构新机型 1 4 1 0 天津大学的黄田教授【1 8 于1 9 9 9 年在D e l t a 机构的基础上提出一种实现3 自由度平动的3 一H s s 并联机床，通过在支链中引 入过约束支链有效地提高了并联机床的静剐度和精度。 综合可见，我国并联机器人技术相比国外虽然起步较晚，却已取得了一些列 科研成果。不过，国内并联机器人距离大批量的工业化应用尚待进一步的研究。 随着国民经济的快速发展对并联机器人，特别是拥有自主知识产权的低成本少 自由度并联机器人的需求将会变得越来越追切。如何设计出新型并联机构及其伺 服控制系统，并快速进行验证以及对于驱动控制系统参数的优化等相关技术的 研究将对于我国并联机器人的发展和工程应用具有重要的现实意义。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 机械子系统 在机器人动力学特性分析中通常将机器人系统模化为由刚性杆和刚性铰组 成的多刚体系统，然而，随着机器人朝着高速、轻质方向发展，机器人各部件的 柔性变形对机器人末端的运动精度和系统振动等产生了不可忽视的影响。传统的 多刚体系统模型已经无法正确描述实际的机器人系统的动力学问题，柔性效应对 机器人动力学特性的影响受到了各国学者的高度重视【胁1 9 1 。 柔性臂在空间和某些特殊工业过程应用中正在发挥着越来越重要的作用。由 于小的惯性，机械手可以在作业空间达到很高的运行速度，轻的重量和较少的材 料使得整个机械臂设计制造的成本大大降低。随着空间技术和机器人技术的发 展，使得考虑部件的柔性的系统的动力学分析和控制理论的研究倍受重视。由于 运动过程中关节和连杆的柔性效应的增加，使结构发生变形从而使任务执行的精 度降低，所以结构柔性特征必须予以考虑。 S u b u d h i 2 0 j 等采用E u l e r - L a g r a n g e 和A M M ( a s s u m e dm o d e sm e t h o d ) 对多柔性 杆和多柔性副操作器进行建模和控制仿真，结果表明在考虑负载和阻尼情况下， 对执行器运行路径的精度和机构振动控制都产生了良好的效果。因此，对机械手 的柔性臂进行建模，和控制系统的联合运行仿真，将是本文工作的主要内容之一。 1 2 2 电机控制系统 2 0 世纪7 0 年代，德国学者B l a s c h k e 2 1 】根据直流调速系统的控制思想提出了 感应电机的矢量控制方案，从而开创了交流调速传动的新领域。矢量控制的目标 是把异步电机等效为直流电机，基础是保持转子磁场不变，这样就可以获得与直 流电机相媲美的调速性能。但是矢量控制需要对转子磁场定向以进行坐标旋转变 换，所以系统结构复杂，计算量大，并且对电机转子参数的依赖性较大。当转子 电阻或转子时间常数发生变化时，其控制就会出现严重的问题，因而需要加上对 转子参数进行辨识的环节，这无疑又加大了控制的复杂程度。 在8 0 年代中期，德国学者D e p e n b r o c k ( 2 2 】教授于1 9 8 5 年提出直接转矩控 制方法，其思路是把电机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在 定子坐标系进行磁链、转矩计算，通过跟踪型P W M 逆变器的开关状态直接控制 转矩。接着在1 9 8 7 年【2 3 】又把直接转矩控制推广到弱磁调速范围。不同于矢量控 制，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单等优点， 它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题 第一章绪论 【2 4 】。异步电机直接转矩控制的建立，对机械手控制，快速准确实现预定轨迹，将 会使当代工业中对机械手的应用产生重大变化。 现代电机控制的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、减少成本，另一方 面又不断地有技术指标及其苛刻的特殊应用的系统需求。随着微电子技术和计算 机技术的飞速发展，以及控制理论的完善、仿真工具的日渐成熟，给电机控制行 业带来了很多机遇和发展契机。 1 2 3 机电耦合过程分析 从1 8 3 2 年P i x i i H 做成永磁发电机和1 8 8 8 年多布罗斯基发明电动机之日起， 机电耦合问题就产生了。建立一种可以用于实时控制的包括机构动力学和电机动 力学的机电耦合动力学模型，根据电机输出转矩和实际机构驱动转矩需要匹配的 原则，建立起整体系统的机电耦合动力学，这一过程往往很复杂，很长时间才能 较准确地建立。拉格朗日分析力学、麦克斯韦的电磁场理论、电机系统的派克模 型建立、电机拖动理论和过渡过程理论以及转子动力学的基本理论为机电耦合问 题的研究奠定了坚实的基础，但是由于各国的科研工作的中心以及研究知识面的 问题等等，在6 0 年代以前，控制领域的机电耦合问题还没有深入系统的研究成 果出现。当今，随着控制理论的应用更加广泛，机电耦合问题的研究乃大势所趋。 对机电耦合问题的研究方法，学者一直在寻找一种可以方便建立和能进行准 确仿真的方法和应用平台，因为需要电机和机构两部分内容，因此，就得需要能 建立这两部分的软件来实现，但现在的技术很难达到这种要求。研究的重点就落 在如何将建立电机和机构的部分，通过一种通用的接口，将他们联合起来，更好 地进行机电耦合研究。 1 3 本文的主要研究内容 本文密切结合国家自然科学基金项目高速、高精度、轻型并联机械手动 态设计与控制技术基础( 项目编号：5 0 3 7 5 1 0 6 ) ，以天津大学具有自主知识产权 的二自由度D i a m o n d 并联机构为研究对象，以建立全数字化高速并联机械手机 电一体化模型为目标，进行包括刚柔多体动力学模型、伺服电机调速系统、机 电信息交换技术、联合仿真平台快速化验证和伺服子系统控制器参数全局优化等 课题研究。全文编排如下： 第一章阐述课题的研究背景和意义，综述国内外相关领域的研究概述，并提出 主要研究内容。 第二章建立基于直接转矩控制原理的三相交流电机仿真控制系统，构建电机、 第一章绪论 磁链观测器、逆变器和开关信号选择单元等仿真模型，并根据负载特性对 电机参数进行选择，最后验证电机仿真控制模型系统的正确性。 第三章搭建高速并联机械手的机电一体化模型，对机械子系统部分分别建立了 刚体动力学模型及刚柔耦合动力学模型，运用直接转矩控制原理，研究了 该机械手基于机电一体化模型的耦合动力学特性。 第四章引入基于均方根误差模型的P I D 参数整定方法，对变负载伺服系统的控 制器参数进行全局优化。 第五章汇总全文主要结论，并提出今后工作展望。 各章均以引言开始，简要介绍本章研究内容和目的；以小节结尾，简要归纳 该章所得结论。 第二章直接转矩控制原理及其数字化实现 2 1 引言 第二章直接转矩控制原理及其数字化实现 直接转矩控制( D T C ) 是一种高性能的交流变频调速技术，其基本思想是以转 矩为中心来进行磁链及转矩的综合控制。本章首先介绍关于直接转矩控制的原 理，以及三相交流异步电机的数学模型。然后，基于直接转矩( D T C ) 原理建立三 相电机伺服系统数字化模型。最后，经仿真结果验证电机控制系统的正确性和有 效性。 2 2 直接转矩控制的主要控制特点 直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构， 优良的静动态特性受到了普遍的注意并得到迅速的发展。直接转矩控制技术是继 矢量控制之后又一高性能的交流变频调速技术，德 D e p e n b r o c k 2 2 】教授和日本学 者T a k a h a s h i l 2 5 】分别提出的关于直接转矩控制算法的开创性方案，虽然在理论推 导和实现方法上有所不同，但是基本思想是一致的，即放弃了矢量控制中电流解 耦的控制思想，去掉了P W M 脉宽调制器和电流反馈环节，转而通过检测母线电 压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器直接实现 对定子磁链和转矩的解耦控制。 因此，直接转矩控制有以下几个主要特点： ( 1 ) 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电 动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化； 既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模 型。省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算，因此，它所需要的信号处理工作 特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机物理过程能够做出直接和明 确的判断。 ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把 它观测出来；而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电 动机转子电阻和电感，因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易 受参数变化影响的问题。 第二章直接转矩控制原理及其数字化实现 ( 3 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和 控制其各个物理量，使问题变得简单明了。 ( 4 ) 综上所述，直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方法，直接在定子坐 标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式 调节产生P W M 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以便获得转矩的 高动态性能、控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概 念明确，是一种具有高静动态性能的交流调速方法。 2 3 交流异步电动机数学模型 对于控制电机的发展，主要有两个方向：一个是直流电机，由于其易于控制 且控制精度高，运行平稳等优点一直是研究热点。但是其由于结构复杂，购置和 维修成本高，而且其对最大负载转矩限制，环境要求较高等缺点，因此一定程度 上限制了它的应用。另一个是交流电机的发展，随着电机控制理论的发展，亦可 达到工业上精度要求，再加上它本身结构简单，维修方便，成本低，功率大，可 以用于高负载和恶劣的环境等优点，在工业中应用越来越广泛。 一般来说，交流调速系统，特别是变频传动系统的控制是比较复杂的，要设 计一个品质优良的系统和确定最佳的控制方式，都必须对系统的静态和动态特性 进行充分的研究。交流电机是交流调速系统中的一个主要环节，其静态和动态特 性以及控制技术又远比直流电机复杂，而建立一个适当的异步电机数学模型则是 研究交流传动系统静态和动态特性及其控制技术的理论基础。在直接转矩控制系 统中，转矩模型、磁链模型等都是在异步电机的数学模型基础上建立起来的。 在对交流异步电动机进行数学建模时，使用到一些假设，如 ( 1 ) 假设三相绕组对称( 在空间上互差1 2 0 角度) ，所产生的磁动势沿气隙圆周 按正弦规律分布； ( 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的； ( 3 ) 忽略铁心磁滞及涡流等损耗； ( 4 ) 不考虑频率和温度变化对绕组的影响。 定子坐标系下异步电动机的数学模型由下式表示： 虬( f ) = R ( ，) + 虬( f ) 口口 0 = B 一”( f ) + j 国“ ( f ) 由此可写出转子磁链方程： 炸( f ) = I ( 争( ( ，) 一”( ，) ) + 缈“ ( f ) ) 沈 ，P ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 第二章直接转矩控制原理及其数字化实现 定子磁链方程为： 虬( f ) = I 妣( f ) 一R ( f ”国 转矩方程可表示如下： 乃= F 1i 3I 虬( f ) 忱( f ) l s i n O 式中， 缒定子电压空间矢量 定子电流空间矢量 虬定子磁链空间矢量 ￥r ( t ) 转子磁链空间矢量 电机角速度 臼定子磁链与转子磁链之问的夹角，即磁通角 乃电动机转矩 2 4 直接转矩控制 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 尽管矢量控制理论能实现交流电动机高性能速度控制，但所得到的控制器对 于较大范围应用来说太复杂，而且对电机参数的依赖性过大。控制方法的改进( 即 替代矢量变换) 应保持直接转矩控制的特点。直接转矩控制系统是根据对定子电 压、电流的检测，实时计算出电机的磁链和转矩，将其与给定值比较，通过磁链 矢量和转矩的控制选择逆变器的最佳开关模式来直接控制磁链矢量的运动轨迹 和速度，实现对异步电动机转矩和速度的控制【2 2 】。 2 4 1控制原理 和矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换， 简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和 转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。 采用空问矢量分析的方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转 矩和磁链，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式控制产生脉宽信号。由定子 电压空间矢量和磁链空间矢量的关系式( 2 4 ) ，当改变非零电压矢量能使定子磁链 运动，适当地控制电压矢量的顺序和作用时间，可以迫使磁链按所需的轨迹运动。 定子磁链，转子磁链与电动机转矩之问的关系可用下式表示： 乃= 只( 虬。如一虮卢如) ( 2 6 ) 式中、a 、虬口、如分别代表定子磁链、定子电流的口、P 的分量。 第二章直接转矩控制原理及其数字化实现 在实际运行中，为充分利用电动机的铁心，常常保持定子磁链幅值为额定值， 转子磁链幅值由负载决定，要想改变转矩就只有通过改变磁通角来完成。磁通角 的改变是通过选择正确的电压矢量来实现，工作电压矢量使定子磁链走，零电压 矢量使定子磁链停，控制定子磁链走走停停，即改变磁链的平均旋转速度，就控 制了磁通角的大小，也就控制了转矩。 2 4 2 系统结构图 图2 - 1 直接转矩控制框图 根据图2 1 可知，直接转矩控制系统的基本控制原理是：由开关状态确定的 电压状态信号直接去控制逆变器，输出相应的电压空间矢量，去控制产生所需的 定子磁链。电压空间矢量的工作状态和零状态的交替接通，控制了定子磁链的走 走停停，实现了对转矩的动态控制。而通过对定子磁链和转矩的调节，又形成 P W M 的调制过程，产生电压状态信号。 模型组成部分主要有以下几个： ( 1 ) 电动机模型：电动机模型包括磁链模型和转矩模型，它可以有不同的方案 来实现，对输入量也可以有不同的处理和要求。 ( 2 ) 转矩调节器：转矩调节环实现转矩直接自控制。 ( 3 ) 磁链调节器：磁链调节环实现对磁链幅值的直接自控制。 ( 4 ) 开关信号选择：开关信号选择单元综合来自转矩调节，扇区判断环节和磁 链调节环节的三种开关控制信号，形成正确的电压开关信号，以实现对电压空间 矢量的正确选择。 2 4 3直接转矩控制系统数字化实现 由于异步电动机的三相定子电压、电流、和转速都是可以方便测出来的，因 1 0 第二章直接转矩控制原理及其数字化实现 此采用以下建模步骤：首先，将整个系统按照算法分成几个子模块，然后，采用 S i m u l i n k 中的基本模块分别建立各个子系统，通过封装技术将他们封装，最后把 各个子模块连接起来，构成整个系统的仿真模型。 图2 - 2 系统结构S i m u l i n k 模型 F l u x & T o q u eh y s t e r e s i s L - ： 7T o r q u e 。 H _ 1 ) l f H 附 F l u xn 时 1 a b o T O r q + x T o r q L 曲c H _ T t HT L FP u l s e s F l u x F l u x - ) u J ”m 咖 L a b o IL r+ r m k s e 髓O r$ e o t o r T or q u ma n dF I“ 图2 - 3D T C 系统 根据电机数学模型，分别建立各个模块过程如下： ( I ) 磁链与转矩观测模块：在直接转矩控制中，定子磁链的准确观测有着重 要的作用。目前对于定子磁链的估计大体上可分为三种模型：U I 模型，I N 模型， U N 模型。此处用的是第一种，U I 模型，根据定子电路的反电势来求解定子磁 链，因其物理概念明确，实现简单，故使用最为广泛。 根据式( 2 4 ) 确定异步电动机的定子磁链，式子( 2 6 ) 确定转矩，在计算中唯一 需要知道的电动机参数是易于确定的定子电阻R 。，结构如图2 4 所示。 第二章直接转矩控制原理及其数字化实现 图2 - 4 磁链转矩观测模块 图2 4 为使用M a t l a b S i m u l i n k 建立的磁链、转矩观测器，其中S u b s y s t e m 和 S u b s y s t e m l 为采用C l a r k 变换原理建立的定子三相静止坐标系向两相静止坐标系 的转换，输出为瞬时转矩和磁链的幅值和相位。 用此模型能以足够精度检测出来的定子电压与定子电流，实现起来非常简 单。该模型在3 0 额定转速以上时，能够较准确的确定定子磁链，而且结构简单， 鲁棒性强。在低速时定子电阻随温度的变化不能忽略，因此对磁链观测的准确性 有较大的影响。 ( 2 ) 磁链与转矩调节模块：+ 调节模块用施密特触发器的两点式调节。 、。广翮 一， 7 刨 d T e ，2 。n 同 7 匕U1 r f f r a 2 I I 爿丑咂抄 I 一 厂翮 图2 5 磁链与转矩调节模块 图2 5 中T o r q u e * ，F l u x * 是来自速度调节器的转矩给定值和定子磁链的给定 值，F l u x 为定子磁链在三相坐标系上的投影值，T o r q u e 为实际转矩值，最后输出 各自的比较输出信号，为后面的电压矢量开关信号模块提供参考。 ( 3 ) 磁链区间判断： 按照图2 6 所示的电压空间矢量和磁链空问矢量关系划分磁链区间S ( x = 1 6 ) 。 电压空间矢量为括号里的三位逻辑值，表示逆变桥上桥臂的开关状态，“1 ”表示 导通，“0 ”表示截止。如( 1 0 0 ) 表示逆变器桥臂A ，B ，C - - - 相的开关状态分别为导 通、截止和截止。 第二章直接转矩控制原理及其数字化实现 ( t o o ) l t o ) 、忍 声 气么 l 棚” 图2 6 电压空间矢量和磁链空间矢量关系 将磁链向三相坐标轴风投影，得到各分轴分量。然后通过所示的磁链区问 判断模块得到逻辑值，根据逻辑值就可以得到定子磁链所属区间。 表2 1 逻辑值与磁链区间的关系 ( 4 ) 开关信号选择单元：由磁链开关信号、转矩开关信号和扇区判断信号得 到开关信号表格，逆变器开关状态选择模型采用S F u n c t i o n 查开关状态选择表实 现。 图2 7 开关信号选择 根据计算出信号HP h i ，HT e ，S e c t o r 查表2 2 和表2 3 ，得到需要输出的电 压向量，进一步将其转变成6 位二进制向量，输入到三相电桥中。 第二章直接转矩控制原理及其数字化实现 表2 - 2H P h - 1 时 表2 - 3H P h i = 2 时 以上两表采用M a t l a b S i m u l i n k 的数字化实现形式，查表得到此时需要输出 的空问电压向量然后通过选择模块选择其对应得6 位二进制向量，并转化为相 应控制三相电桥的开关的闭合脉冲信号，其中P u l s eG e n e t a t o r 为控制开关变化频 率的信号发生器。 2 5 仿真及结果 仿真中电机的丰要参数：三相鼠笼异步电动机额定功率P = 3 k W ，极对数= 2 ， 额定电压U = 2 2 0 V ，额定频率f = 5 0 1 - 1 z ，定子电阻置- 17 8 9 f 1 ，转子电阻罡= 17 8 1 n ，定子漏电感L = o0 0 5 4 H 转子漏电感L = 00 1 1 H ，定于转子之间的互感 L - 0 2 0 6 H ，转动惯量，= 0 l k g m 2 ，负载转矩给定值是5 0 N 1 1 1 ，输入一个阶跃信 号，在00 5 秒的时候电机转速突变为3 5 r a d s 。在以上参数设置下，获得的仿真 结果如下图所示： 圈2 8 定子磁链轨迹 第二章直接转矩控制原理及其数字化实现 M 掣蛾 卿蝴蠢精神纳一蠢嘲$ | ；氛 I 刍 1 B I tk l 恕 I t - k # 艺0 兰誓兰联【盟誓! ：段二三毯二疋：j 盖二工 ”“ m 哪一铡? 转矩和电流 及其局部放大 转矩在5 0N m 上下波动，控制在1 0 0N 1 1 1 范围以内，在启动开始的时候， 由于克服自身的惯性和阻力，转矩比较大，转速较低，但之后转速迅速上升，在 启动0 0 5 s 时转速达到给定值，也趋于稳定，转矩也在5 0N m 上下波动，幅度 不超过1 0 0N m 。因此，基于直接转矩控制理论所建立的电机伺服控制系统，其 动态响应快，控制简单方便等优点，在这里都体现出来，为以后的机电耦合打下 良好基础。 2 6 本章小结 根据直接转矩控制理论，利用M a t l a b S i m u l i n k 这一优良的仿真工具可以方 便地模拟异步电动机在直接转矩控制系统下的磁链轨迹、定子电压、定子电流、 转速以及电磁转矩等参数的变化情况。通过仿真可以看出，直接转矩控制具有理 论清晰，结构简单，响应迅速，易于实现的优点，圆形轨迹控制方案的转矩脉动 较小，调速性能较好，对以后的实际系统开发具有很好的指导作用。 一Ez)93口IIo卜 第三章高速并联机械手机电一体化联台仿真 3 1 引言 第三章高速并联机械手机电一体化联合仿真 高速并联机械手是一种机电一体化产品，其设计和优化涉及机构子系统和伺 服子系统两大方面，并且二者之间存在较强的耦台效应。另外考虑到高速、高 精度和大的承载量是并联机械手的未来发展方向，因此有必要从整个系统角度研 究并联机械手的机电一体化特性。高速并联机械手机电一体化数字模型平台的措 建是机电一体化研究的基础，其中包括机械子系统模型的建立、电机数学模型的 确立以及伺服控制系统的构件。在上述数字模型的基础上，对高速并联机械手进 行机电一体化联合仿真，并对其耦合动力学特性进行分析研究。 3 2 机械子系统 3 21D i a m o n d 并联机构 D i a m o n d 机构是在国家“8 6 3 ”高技术发展计划机器人技术主体的资助下，由 天津大学发明的一种具有我国自主知识产权的全铰接2 平动自由度并联机构，该 机构模型如图3 - 1 所示。 图3 - lD i a m o n d 并联机械手三维实体造型 机械手由静平台，动平台和两条运动支链组成。每条支链包古两个平行四边 形结构，分剐由机架- 主动臂一支架一连架从动臂和支架一内从动臂一动平台一外从动臂 组成，各运动构件之间采用纯转动铰链连接。两个主动臂分别由两个伺服电机驱 第三章高速并联机械手机电一体化联合仿真 动，从而实现动平台的二自由度平动。该机构还可以与一个单自由度进给机构串 接成三自由度混联机械手，特别适合于在一个平面内需要高速运动。而在于之正 交方向需要长距步进或者缓进的场合，可以满足医药、轻工、电子、食品等行业 中对轻小物料高速、中短距搬运或者操作的需求。 并联机械手的几何尺寸和惯性参数如表3 - l 所示。 表3 一l并联机械手的几何尺寸和惯性 主动臂长度 0 2 5 从动臂长度b ( m ) 动平台质量m I ( k 酚 主动臂质量m z ( k g ) 从动臂质量帕( k 曲 支架的质量m 4 ( k 酌 3 2 2 刚柔混合动力学模型 机器人动力学仿真分析是机器人设计的重要内容，早期分析时建立的模型中 构件都属于刚体，在做运动分析时不会发生弹性变形。而实际上，在较大载荷或 加减速的情况下，机构受力后会有较大的变形和位移变化，产生振动。目前，对 并联机械手的研究主要基于刚体动力学分析，系统模化为刚性结构这种分析和 结构对于中低速度系统通常是适宜的。但是机构在高速运动过程中，系统的若干 部件及有大的刚性运动又存在小的变形运动，因而弹性变形对机器人末端运动精 度和系统振动等产生了不可忽视的影响。 根据D i a m o n d 并联机构几何尺寸，利用A d a m s 多体动力学软件分别建立了 机构的全刚体和刚柔混合动力学模型，如图3 - 2 和图3 - 3 所示。其中，刚柔混合 模型中只针对刚性相对较弱的长杆进行柔性体替换，如连架从动臂杆和内、外从 动臂杆。 图3 - 2D i a m o n d 井联机械手剐伴动力学模犁 第三章高速并联机械手机电体化联合仿真 图3 - 3D i 蛐o n d 井联机械手刚柔混台动力学模型 在两个动力学模型中，机构所有的边界约束条件相同，实际电机产生的转矩 分别通过施加在两个转动副上的给定驱动来模拟，给定驱动由已知的样条曲线数 据来确定。通过动力学分析，研究给定驱动情况下末端执行器质心的位移和加速 度。电机I 和2 的驱动转速信号分别如图3 _ 4 和图3 - 5 。剐、柔两种状态下，末 端执行器质心位置的x 、Y 方向运动轨迹和加速度对比如图3 - 6 3 9 。 图3 4 电机I 驱动转速 圉3 - 5 电机2 驱动转速 由计算结果对比图3 - 6 3 - 9 可知，在相同边界条件下两种模型计算结果有 较大的区别。其中从动臂杆的柔性对末端执行器Y 向位移的影响要大于x 向。 在一个运行周期内柔性模型末端执行器的Y 向位移总体要小于刚性模型末端 执行器。从动臂杆柔性对于末端执行器x 和Y 向加速度的影响只存在于运行的 某些时刻，其影响趋势随时间而变化。 第三章高速并联机械手机电一体化联合仿真 翻“ 霎仰 卜 n 薹 茎“ J 1 n D I 。 “ 3 p 曲 _ - 峙u p 1 = 裂I 厂l J ，i 、 ， l ， 、