洁净机器人手臂的转动惯量分析及运动控制

1、控制与检测组合机床与自动化加工技术文章编号：1001 - 2265( 2007) 03- 0(34- ()3洁净机器人手臂的转动惯量分析及运动控制收稿日期：2(X)6- 08- 31 基金项目：超大观模集成电路制适装备匝大专项(2005.AA4Z5022)于雷二徐方13(L中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳11(X)16 2中国科学院研究生院，北京100049 3沈阳新松 机器人自动化股份有限公司，沈阳110168)摘要:针对洁净机器人手臂的转动惯量对系统动态性能的影响在利用动能公式分析得到其转动惯量与 位置关系的基础上提出了 T中位置P1闭环加前馈参数整定的控制方法。该控制方法是由位置值实时

2、得到转动惯量，再由转动惯量来实时整定1>1参数。仿真结果表明了该控制方法能有效抑制转动惯量的 变化对系统动态性能的影响，且简单可行。关键词:洁净机器人;转动惯量：PI前馈;参数整定中图分类号：TP273文献标识码：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© 启942010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.ki.nct控制与检测组合机床与自动化加工技术© 启942010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights res

6、erved.ki.nct控制与检测组合机床与自动化加工技术0引言洁净机器人是i种工作在洁净环境中，用于完成 特定的搬运任务的机器人。其特殊的用途要求It运动 必须满足以下要求:一是高速运行，以缩短系统整个制 造过程的时间；二是平稳无振动.以控制空气中分子 级别颗粒的污染：三是髙精度，以提高晶関加丁的质 呆降低生产成本。它结构上是関柱坐标系结构可完 成竖直方向的上卜运动，沿竖直轴的旋转运动还仃个 手臂(洁净机械手)用来完成水平方向的伸缩运动。洁净机械手是个平面关节三连杆结构，其伸缩运 动屮结构要发生变化，从而转动惯凰要发生变化。而 转动惯星是TI接影响运动控制系统动态性能的_个参 数.仃必要对作

7、为负载的洁净机械手的转动惯凰进行 分析计并.以确疋它对运动控制系统的动态性能影响 程度，也是设计控制方法必须要考虑的问题。山于洁 净机械手的平面关节连杆机构运动的复杂性不能通 过各连杆转动惯量单独计算然后叠加的方法来肖接计 算总的等效转动惯帯，本文利用动能公式间接进行计 算出洁净机械手运动到各个位胃处的转动惯帚，从而 确定了负载转动惯疑与位置的关系。为卜一步具体控 制方法的设计作了准备。为消除负a转动惯W：变化対控制系统性能的影 响，也已经冇了多种控制方法°针对负载转动惯帚变 化及不确定性，仃采用门适应控制方法的"，仃采用先© 启942010 China Acad

8、emic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.ki.nct控制与检测组合机床与自动化加工技术ma ib)u l<Xe 岂 ii m作者简介：Fili (1976- )男,辽宁凌源人，中国科学院沈阳自动化研究所硕上研究生，主耍从事机器人控制研究等,(E-© 启942010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.ki.nct2007年第3期控制与检测1994-2010 China Academic J

9、ournal Electronic Publishing House. All rights reserved.2007年第3期控制与检测辩识转动惯疑然后格定的h整定控制方法的|刊。这 儿种典型的针对变化的负裁转动惯帚的控制方法，都 要经过先辩识转动惯帚，然后再修正控制参数。木文 充分利用负载转动惯景已知，且其变化与位宜存在点 接关系的便利条件，采用了一种位置円闭环加I前馈参 数整定的控制方法，以消除负载转动惯鼠变化对控制 系统性能的影响。前馈参数整定就是山位克值确定负 载转动惯駁再山负载转动惯战帑定P1参数。这种控转动惯帚 z、yxA/ ixLT.1/ 3 x(L 1 x shBx 2)2代

10、入参数值J, = y x Htfx 1 7+ L 5x2x llffx(I)人随转角e变化的曲线如图2Ja =W 2x£22x制方法不但节省了惯暈的辩识，使实现简单，而II能发4挥前馈和PI控制的优点。1洁净机械手的转动惯量分析洁净机械手是平而关节三连杆结构，做水平运动, 英结构简图见图L三杆长度为L = L2= L3 =11 Qiuib 三杆质戢为 M 1 = lkg M2= 0. 7kg M 3 = 0 4如 电机带动<1绕力轴旋转()<0<刃丿，同时通 过带轮带动/.2绕轴旋转，再通过带轮带动/.3绕C 轴旋转。人E C三处皮带传动的传动比为1：2： L所 以

11、其合成运动为/.I绕A轴转动，/3为沿本身直线平 动<2就复杂了。洁净机械手就是这样通过电机带动 4轴的转动来完成了 L2的肖线伸缩运动。町见，洁净 机械手在匸作屮三杆的相对位置结构要不断的发生变 化.其转动惯星也要发生变化。而折并到.4轴的总转 动惯凰很难直接计隽,不能通过各连杆转动惯暈单独 计算然后叠加的方法来直接计算因厶2和£3都存在 介成运动。卜一面将利用动能公式进行等效转动惯®的 计舁2。00.511.522.53.5位賈*角/"d4.5X，045 3 5 2 55 兰、«2*»«椚lz图1洁净机械手结构简图图2转动惯

12、量的变化曲线可见等效转动惯尿J.变化幅度较尢与转角位 ft 0(0<9<n)的iF弦平方成线性关系。在归号取得 最大值。因此洁净机械手采用日本安川SGMAHA5A 电机进行驱动,减速比为1： 5(1电机本身的转动惯凰只 有2 2kg- mm2o可以算得惯量比(负载作用在电机轴 的转动惯磺除以电机本身的转动惯彊)的变化至少为 2至7这样大的惯最比变化对控制系统性能的彫响不 能忽略.必须采収一定的控制描哋以消除负载转动惯 最变化的影响。2控制系统的数学模型由于交流永磁同步电机(IM SV1 )具有高精度，高 动态性能以及小体积的特点，在机器人等领域得到了 广泛的W用。洁净机械手采用交流

13、永磁同步电机作为 驱动装置.电机采用定子磁场定向原理进行矢呆控制. 其速度环控制的闭环传递函数为：设L1的转角为Q转动角速度为4此时H绕A 轴转动，L3为沿本身氏线平动M2绕瞬时转心P转动。/ 、厶 1 的动能 = X -Ix.W IxAl2 XG)2£ (22的动能 W 2=-7X A/2x/,2!x -y + 2x( sirOr x or厶3的动能 IT3=4xW3x (3x/.x “*)x2尸三动能相加后除三xo2即为折算到4轴的总的 厶其中 f=K,+Kp /(K严 XKJK 速度反馈系数K,tt前置放大器增施 K, 电流反馈增益，K”功率放大增益,K。,一 转矩常数.人一绕

14、组电感，他一绕组电阻，J 电机轴上总转动惯最，将(2丿式表示成G(S)=K xCaJS2 + IJS + c1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.控制与检测组合机床与自动化加工技术© 启942010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.ki.nct控制与检测组合机床与自动化加工技术可见速度闭坏是个二阶系统。卜面将在此基础上 进行位置闭环控制。3控制方案3

15、 1总体控制方案这里是在交流永磁同步电机矢帯控制的速度闭环 皋础上进行设计，山于已仃了速度环的控制，在外层的 位置闭环采用了 PI控制,不必用PID即可达到控制要 求。同时为了消除变化的负载转动惯帯对系统动态性 能的影响,允分利用负载转动惯最已知，口其变化与位 置的定量关系在位置P1闭环堆础上利用前馈対PI参 数进行整定，控制框图如图3o徨*卜T遼度环G图3控制框图这种控制方案的好处是,随转动惯駅变化进行实 时整定，消除变化的负载转动惯斎对系统动态性能的 影响；不用对负载转动惯駅进行辨识,直接利用转动惯 最与位宜的关系得到，使结构简单，实现方便:采用前 馈榕定PI参数使转动惯量的变化未对系统性

16、能产生 彩响之前就将其消除掉；同时发挥了 PI的结构简单、 稳定性好、可您性高等优点。3 2控制参数整定策略首先离线辨识，在电机本身的转动惯凰已知的条 件卜.离线辨识出电机的速度环传递函数式（3）中的参 数a 4 qK.然后在线实时整定，山位宜值通过（1丿式 计算出负载的转动惯量丸则电机轴上总转动惯量J =Jn + 4其中Jn电机轴的转动惯战i为减速比，I将丿代入（3丿式得到具体的传递函数G（S）,最后由G （S殊整定PI参数。圧于模型的口整定方法仃Z-N法，卑于Kessler 对称瑕优原理的（调整方法等,这里采用方便计算的 基于Kessler对称眾优原理的口调整方法。设被控对彖的开环传递函数

17、为仇（S丿=警先 求得被控对象G°（S）频率响应曲线中相角为-135。处 的频率3畑然后山下式计算PI参数7, _ £46_1广兀?厂3 3%叫丿其中久（3瘁丿是在3瘁处被控对象频率响应曲线 的幅值。4仿真洁净机械手采用H木安川电机SGMAHA5A作为 驱动，电机木身的转动惯战为0 022 x 10'4 kg采 用单位阶跃响应法对电机的速度闭环进行辨饥得其 速度闭坏传递函数G（S）二“总J的单位为 1（14kg- in2,这里S的二次项系数相对较小将其忽 略。然后在不同的位置转角处进行MATLAB仿真。图 4给出了在不同位置转角处，有利用前馈实时整定参数 （实线）和

18、无实时整定参数（虚线）的位置P1闭环控制 的单位阶跃响应比较曲线。图4仃前馈参数整宦（实线）和无前馈参数整定（虚线）时系统阶跃响应（下转第40页）略能够削弱抖振的影响，保证了系统具仃较好的稳定 性和快速跟踪性能以及较强的鲁棒性能。山此可见, 迭代学习的I' I我调整特性能够改善系统的控制性能, |佃离散变结构控制1J迭代7习控制*11结介能保证系统 具有快速的跟踪性能以及较强的抗扰性能。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图3 DVS(： 1L(:绡合学习X次后的位移跟踪特性曲线(上接第36页)从仿真

19、结果可以看出，利用前馈实时整定参数的 位a pI闭环控制使系统在各个位且转角处的阶跃响 应达到快速上升且超调吊小，获得了很好的控制性能。 而无实时格定参数的位置曰闭环控制，其阶跃响应只 在个别位置转角处获得与前者相同的控制性能，在大 多数位置转角处的响应性能都落后前者。5结论洁净机械手的等效转动惯量J、变化幅度较大，与 转角位置0fO<0<n)的正弦平方成线性关系。过大 的转动惯屋变化对控制系统性能的彩响不能忽略。利用已知负载转动惯重与位置的定星关系，在位 S PI闭环基础上利用前馈对PI参数进行整定，有效消 除变化的负载转动惯暈对系统动态性能的影响，使系 统在务个位邊转角处都具仃

20、良好的动态性能；同时结 构简单，实现方便。该控制方法即将在我们实际的洁4结论本文针对交流永磁肖线电动机在执行暇复性的跟 踪控制任务时，提岀了一种复合控制方法离散变 结构与迭代学习控制相结合。该控制策略是在DVSC 屮引入一个迭代学习机构，来调整变结构控制器的参 数，从而削弱抖振.改善跟踪性能。仿真结果表明，这 种控制并法能够结件二者的优点，既保证变结构控制 的鲁棒特性，又很好的发挥了迭代学习的智能作用，使 系统获得较好的跟踪效果。I参考文献|1|高为炳.变结构控制的理论及设计方法|1 |.北京：科学出 版社.19% 278- 299.|21瞿少成，王永骥.BLDC位置何服系统的离散变结构控制|

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