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SCARA机器人是一种平面关节型机器人,其不仅在平面内具有较好的柔性而且在垂直方向上具有较强的刚度,被广泛应用于装配、搬运等行业。随着国家将机器人的发展上升到国家层面以及制造业快速发展,对机器人控制速度、控制精度以及稳定性提出了越来越高的要求。本文以永磁同步电机驱动SCARA机器人为研究对象,对机器人本体的运动学和动力学进行分析,并将机器人控制系统分解为机器人本体控制子系统与PMSM控制子系统两部分,在对每个控制子系统进行能量控制、信号控制以及平滑切换控制研究后,对PMSM驱动SCARA机器人进行能量控制、信号控制以及平滑切换控制研究。通过MATLAB/Simulink仿真软件进行仿真、验证。首先,基于D-H方法建立SCARA机器人本体模型,运用解析法推导SCARA机器人的正运动学方程和逆运动学解;采用三次样条插值算法对SCARA机器人进行关节空间轨迹规划;通过MATLAB/Simulink仿真软件对SCARA机器人的运动学方程及轨迹规划分别进行仿真、验证。在ADAMS中建立SCARA机器人的三维模型,并为模型添加约束,仿真验证SCARA机器人模型由4自由度简化为2自由度的可行性;使用拉格朗日法推导二自由度SCARA机器人的动力学方程。其次,对机器人本体控制子系统展开研究。(1)将机器人本体看做为多端口的能量变换装置,建立端口受控哈密顿控制模型,确定闭环系统期望的哈密顿函数,采用状态误差耗散的端口受控哈密顿原理设计闭环系统控制器,求取机器人本体路径跟踪所需输入的控制转矩;(2)将机器人本体看做为多端口的信号变换装置,建立信号控制模型,使用反步法设计机器人本体的信号控制器,求得机器人本体路径跟踪所需输入的控制转矩;(3)为使能量控制转矩与信号控制转矩平滑切换,提出了新的平滑切换控制策略—跟踪误差高斯函数,其意义在于只要有跟踪误差就可进行平滑切换,从而实现控制转矩的连续平滑变化;(4)采用Lyapunov稳定性原理和LaSalle不变集原理分析机器人本体的能量控制系统、信号控制系统以及能量与信号平滑切换控制系统的稳定性。通过Matlab/Simulink仿真平台进行仿真及结果分析,证明在机器人本体控制子系统中采用能量与信号平滑切换控制策略,可在保证系统稳态性能的同时提高低速时系统的动态响应速度。再次,对PMSM子系统展开研究。(1)建立驱动机器人第i个关节的PMSM速度伺服哈密顿数学模型,采用状态误差PCHD原理设计第i个PMSM的能量控制器,求取在期望负载转矩下第i个PMSM速度跟踪所需的控制电压;(2)为了提高PCHD控制器自身的动态响应速度,提出了自适应阻尼注入的状态误差PCHD控制器的设计思想;(3)使用反步法设计第i个关节PMSM速度伺服的信号控制器,求得速度跟踪所需的控制电压;(4)使用基于时间的平滑切换控制策略将能量控制电压与信号控制电压平滑切换,实现控制电压的连续平滑变化;(5)将2个PMSM能量控制系统并联构成PMSM能量控制子系统,证明2个PCHD系统并联依然是PCHD系统;将2个PMSM信号控制系统并联构成PMSM信号控制子系统;(6)采用Lyapunov稳定性原理和LaSalle不变集原理对单个PMSM的能量控制系统、信号控制系统以及能量与信号平滑切换控制系统进行稳定性分析;并对PMSM的能量控制子系统、信号控制子系统以及能量与信号平滑切换控制子系统进行稳定性分析。通过MATLAB/Simulink仿真软件进行仿真及结果分析,证明PMSM采用能量与信号平滑切换控制策略,可使系统既具有良好的稳态性能又具有快速的动态响应。最后,对PMSM驱动SCARA机器人能量与信号平滑切换控制系统展开研究。(1)将机器人本体的能量控制系统与PMSM子系统的能量控制系统级联构成PMSM驱动SCARA机器人能量控制系统,证明2个PCHD系统级联后依然是PCHD系统;(2)将机器人本体的信号控制系统与PMSM信号控制子系统级联构成PMSM驱动SCARA机器人信号控制系统;(3)将PMSM驱动SCARA机器人能量控制系统与信号控制系统通过基于时间的平滑切换控制策略构成PMSM驱动SCARA机器人能量与信号平滑切换系统,实现控制电压的连续平滑变化;(4)采用Lyapunov稳定性原理和LaSalle不变集原理分析PMSM驱动SCARA机器人的能量控制系统、信号控制系统以及能量与信号平滑切换控制系统的稳定性。通过MATLAB/Simulink仿真软件进行仿真及结果分析,证明PMSM驱动SCARA机器人能量与信号平滑切换控制系统具有较快的跟踪速度、良好的稳态性能。