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近些年来由于机器人技术的不断完善和成熟,协作机器人的应用领域范围不断扩大,具有非常广阔的应用前景。协作机器人又被称作人机协同作业机器人,主要功能是协作人类完成特定的操作任务,一方面可以减轻人类的劳动负担,另一方面可以感知人类操作的偏差并及时进行纠正。相较于传统工业机器人,协作型机器人具有质量轻、体积小、负载自重比高的特性,能够与人类协同工作,因此协作机器人已成为机器人领域的热门研究方向之一。关节伺服系统作为协作机器人的重要组成部分,其性能的优劣直接影响到整个机器人系统的控制性能,而电流环作为机器人关节伺服控制系统最里层的一环,它是精确跟踪电流指令、提高关节伺服系统性能的核心环节。因此本文围绕如何改善电流环来提高电流响应的动稳态性能以及抗干扰能力对协作机器人关节伺服系统电流控制策略展开研究。
(1)为了减小在动态过程中小转动惯量电机的反电动势对电流响应的影响,综合考虑解决方案的工程实践的复杂性和有效性,本文采用了反电动势补偿的策略。该策略利用位置编码器检测到的电机转速信号计算出反电动势的数值并将反电动势前馈补偿到电流控制器的输出。仿真和实验结果表明使用该策略电流响应的动态特性得到了明显的改善,证实了该策略能够减小反电动势影响的有效性。
(2)协作机器人关节伺服系统采用id=0的矢量控制方法能够实现电流的静态解耦,但在电机的运行过程中交直轴电流的动态耦合关系仍然存在。针对电机电流的动态耦合问题,本文采用了结构简单、易于实现的电流反馈解耦控制策略,其原理是通过获取到的电流反馈值根据电机模型建立电压补偿项,补偿项的值为耦合项值的相反量,这样使电压补偿项与电机电压耦合项正好抵消,得到完全的线性解耦的模型从而实现电流的动态解耦控制。仿真和实验结果表明,采用的方法实现了交直轴电流的动态解耦。
(3)为了提高电流环的抗干扰能力,本文采用了将扩张状态观测器与PI控制器相结合的策略,将扰动量扩张为一个新的状态并利用扩张状态观测器估测出扰动量,再将扰动量作为前馈补偿来抑制干扰。本文针对电机输出端负载突变引起电流突变的情况进行分析和研究,仿真结果表明该策略抗干扰能力明显优于传统的PI控制器。
(1)为了减小在动态过程中小转动惯量电机的反电动势对电流响应的影响,综合考虑解决方案的工程实践的复杂性和有效性,本文采用了反电动势补偿的策略。该策略利用位置编码器检测到的电机转速信号计算出反电动势的数值并将反电动势前馈补偿到电流控制器的输出。仿真和实验结果表明使用该策略电流响应的动态特性得到了明显的改善,证实了该策略能够减小反电动势影响的有效性。
(2)协作机器人关节伺服系统采用id=0的矢量控制方法能够实现电流的静态解耦,但在电机的运行过程中交直轴电流的动态耦合关系仍然存在。针对电机电流的动态耦合问题,本文采用了结构简单、易于实现的电流反馈解耦控制策略,其原理是通过获取到的电流反馈值根据电机模型建立电压补偿项,补偿项的值为耦合项值的相反量,这样使电压补偿项与电机电压耦合项正好抵消,得到完全的线性解耦的模型从而实现电流的动态解耦控制。仿真和实验结果表明,采用的方法实现了交直轴电流的动态解耦。
(3)为了提高电流环的抗干扰能力,本文采用了将扩张状态观测器与PI控制器相结合的策略,将扰动量扩张为一个新的状态并利用扩张状态观测器估测出扰动量,再将扰动量作为前馈补偿来抑制干扰。本文针对电机输出端负载突变引起电流突变的情况进行分析和研究,仿真结果表明该策略抗干扰能力明显优于传统的PI控制器。