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貝加萊慣量前饋控制技術(shù)在機器人控制中的應(yīng)用

       貝加萊運動控制技術(shù)中的慣量動態(tài)前饋技術(shù)能夠很好的解決機器人機械振動的問題慎接,并能夠同步地跟隨機器人機械慣量的變化,達到較好的控制狀態(tài)。


        前言
        機器人慣量前饋技術(shù)是貝加萊公司的一項非常重要的技術(shù)金蜀,即使在整個業(yè)界也是一項前沿的技術(shù),它能解決機器人在運動過程中抖動的問題的畴,提升機器人系統(tǒng)的精度和效率渊抄。目前該項技術(shù)僅為業(yè)內(nèi)少數(shù)公司擁有。
       
一丧裁、慣量匹配與扭矩前饋
        對于運動控制而言禁妓,慣量匹配是一項非常重要的特性需求,而對于驅(qū)動器央嘱,良好的慣量匹配才能產(chǎn)生更好的動態(tài)性能唧痴,在理想的剛性連接情況下,僅需計算出所需扭矩即可驅(qū)動系統(tǒng)馏纱,使其處于高動態(tài)特性運轉(zhuǎn)噩五,然而,由于機械系統(tǒng)的連接具有的彈性變形素牌,例如減速機碳携、皮帶、聯(lián)軸器等墓且,使其無法實現(xiàn)真正意義上的高動態(tài)控制特性临辰,這就帶來了慣量匹配的問題。在驅(qū)動器對負載的控制過程中巴疾,其電流環(huán)的計算周期非呈瞻撸快,在慣量匹配值較大的情況下玲躯,系統(tǒng)需要給出一個非常大的偏差才能在PID調(diào)節(jié)中實現(xiàn)輸出据德,然而,這一扭矩輸出會產(chǎn)生較大的振動跷车。
        貝加萊提供一種力矩前饋控制的模型用于解決這一問題棘利,通過快速給出慣量則能實現(xiàn)穩(wěn)定的控制。但是朽缴,對于機器人系統(tǒng)而言善玫,其關(guān)節(jié)連接處于多個維度的運動狀態(tài),其慣量的變化是多維的密强,如何施以良好的慣量匹配以確保機器人系統(tǒng)的高速運行呢茅郎?
        這是機器人系統(tǒng)目前存在的一個普遍問題,然而或渤,貝加萊的系統(tǒng)所具有的建模系冗、算法設(shè)計奕扣、高速扭矩控制等技術(shù)的組合形成了一種解決這一問題的辦法。
       
二掌敬、機器人機械振動的問題
        拉格朗日方程描述了機器人在整個運動過程中的動力學(xué)能量問題惯豆,動能與勢能的產(chǎn)生影響了機器人運動過程中的力矩、位置等參數(shù)的變化犀刀,例如機器人運動過程中由于機械臂位置變化而產(chǎn)生的勢能變化葬籽。
        在機器人系統(tǒng)中,由于機器人的各個關(guān)節(jié)的機械特性隨著運動過程的變化饮茬,其慣量也產(chǎn)生了變化努示,例如,當(dāng)機械臂處于X軸方向伸長時磷可,則沿著Y軸方向的旋轉(zhuǎn)在0~90度范圍內(nèi)躬筐,其慣量也發(fā)生了變化,從最大慣量變到最小慣量荸刁;而當(dāng)這個臂旋轉(zhuǎn)超過90度~180度范圍時帅忌,則其慣量又開始變大。由于這種慣量所產(chǎn)生的變化态措,會對驅(qū)動器整個控制過程產(chǎn)生調(diào)制振動此幕,這也是目前機器人控制中普遍存在的問題。
       
三桑抱、貝加萊動態(tài)慣量前饋技術(shù)
        貝加萊運動控制技術(shù)中的慣量動態(tài)前饋技術(shù)能夠很好的解決這一問題签缸,對于機器人系統(tǒng)而言,其慣量的變化是一個動態(tài)過程左腔,同時也是一個在數(shù)學(xué)上可建模的過程唧垦,因此,可以通過建立動態(tài)的慣量模型來為系統(tǒng)的控制提供前饋變量液样,如下圖所示振亮。

前饋模型

        在這個模型中,當(dāng)設(shè)定位置鞭莽、設(shè)定速度及加速度值給出后坊秸,則將根據(jù)當(dāng)前值和機械常數(shù)來計算出整個運動過程的慣量變化,并計算出力矩輸出的前饋值給電機澎怒,該值與控制器給定值在電流環(huán)中的控制輸出進行疊加褒搔,使得扭矩輸出可以快速的實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)調(diào)整,從而降低扭矩輸出的偏差喷面。
        該前饋輸出需要在偏差產(chǎn)生之前即給出星瘾,并且以每50uS的周期不斷地刷新,由于其高速刷新,確保了扭矩輸出值高速與高精度死相,并能夠同步地跟隨機械慣量的變化洪洪,達到較好的控制狀態(tài)先俐。
       
四丘三、基于MATLAB/Simulink的前饋模型設(shè)計
        MATLAB/Simulink是目前最為流行的建模工具,由于與Mathworks公司的合作坷字,貝加萊控制系統(tǒng)與MATLAB/Simulink建模仿真軟件建立了接口連接许辖,經(jīng)過MATLAB/Simulink仿真工具建模生成的控制器模型可以通過代碼自動生成技術(shù)產(chǎn)生控制器的C代碼,而這一代碼無需手工重寫即可導(dǎo)入到B&R控制器中通肋,從而實現(xiàn)在環(huán)測試贮猛。


MATLAB/Simulink機器人運動仿真過程

        機器人可表征為一個通過歐拉-拉格朗日方程建立的空間運動學(xué)方程,通過MATLAB璃蓬,將系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)闺蜈,如機械臂長度、質(zhì)量想祝、關(guān)節(jié)減速比等及動態(tài)參數(shù)昵人,如旋轉(zhuǎn)角度、加速度览讳、起始與終點位置等輸入到模型中誊酌,它提供了笛卡爾關(guān)節(jié)操作空間的動力學(xué)模型,反應(yīng)了操作力與關(guān)節(jié)力之間的關(guān)系露乏,操作空間與關(guān)節(jié)空間的速度與加速度關(guān)系碧浊,建立了關(guān)節(jié)輸入力矩與輸出力矩之間的關(guān)系。

[DividePage:NextPage]

        這個模型是一個二次微分方程瘟仿,可以通過歐拉-拉格朗日法進行解析箱锐,可解析得出以下值:
        慣量項;離心式和科里奧利項劳较;引力項
        當(dāng)建立模型后驹止,我們可以進行如下動作:
        1.      建立未知參數(shù)的識別
        在系統(tǒng)中建立靜態(tài)參數(shù)、通過AS的力矩跟蹤來定義動態(tài)參數(shù)的識別兴想,并計算出基礎(chǔ)參數(shù)
        2.      激活前饋控制
        將所計算的基礎(chǔ)值輸出給B&R PLC幢哨,通過AS軟件,在PLC中建立了一個運動模型嫂便,將這些基礎(chǔ)值給出后捞镰,系統(tǒng)將計算出一個附加力矩輸出值。
        將該附加力矩輸出給驅(qū)動器毙替,驅(qū)動器將在其電流環(huán)計算中岸售,預(yù)先給出電流值,即可實現(xiàn)前饋控制弯枢,而這個附加值是通過系統(tǒng)不斷的計算玖远,以微秒級的周期循環(huán)并提供給驅(qū)動器的電流環(huán)計算的坦妙。


Automation Studio中的前饋控制程序

        上圖為在Automation Studio中前饋控制的模型和,TrqFF為前饋周期寫入契惶,6AxATrqFF是采用C代碼寫出的前饋實現(xiàn)代碼段璃帘。
       
五、控制效果
        下圖是實際通過B&R Automation Studio的軸監(jiān)測的示波器功能對整個輸出進行采樣得到的扭矩控制過程變化曲線驳蒙,其中藍色曲線為關(guān)閉前饋控制的情況熬魄,可以看到,其扭矩變化的波動較大组缎;而紅色曲線則表明了采用了前饋控制后的效果滔壳,明顯地提高了力矩輸出的穩(wěn)定性。

前饋控制效果

        該項技術(shù)代表了機器人控制技術(shù)的最高水平朴轰,所設(shè)計的機器人系統(tǒng)其精度更高武填、運行過程平穩(wěn)、抖動較小唆阿,顯然優(yōu)于同類機器人系統(tǒng)的設(shè)計益涧。


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