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模糊控制在并联机器人中的应用

2008/8/22    来源:万方数据    作者:夏非  倪天权  袁伟      
关键字:并联机器人  步进电动机  模糊控制  
分析了一种三平移并联机构中的驱动电动机,求出其动态方程及传递函数。简述了模糊控制器的设计与仿真,模糊控制中引入一个I型积分环节用来消除模糊控制固有的静态偏差。仿真结果及实际结果均表明有较好的控制效果。

    目前在对6自由度的并联机器人已进行了广泛深入研究的基础上,人们逐渐认识到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,更具有较好的发展前景,因此对其进行研究显得十分必要。由于非期望输出运动为常量的少自由度并联机器人机构因其实用性强,各国学者都对其进行了研究,并提出了许多新的机型,所研究的三平移并联机构(73-RRRP)便足其中的一种,如图1所示。

    图1三平移并联机器人机构示意图

    机器人驱动系统中的执行元件,通常采用步进电动机、直流伺服电动机或无刷电动机。由于步进电机具有良好的点位控制性能,没有累计误差等优点,在控制领域得到了广泛的应用。近年来。步进电动机控制技术取得了长足进步,使其与无刷电动机的原理与驱动方法很接近。而且步进电动机的闭环应用。极大地提高了它们的性能,其应用也越来越广泛。鉴于此,本设计采用步进电动机为驱动部件,并通过闭环方式,以期满足三平移并联机器人的控制要求,支路模型,如图2所示。

    图2 机器人支路模型

    1 步进电机的选用及驱动模型的建立

    步进电机有永磁式(PM)、反应式(VR)和混合式(HB)等三种类型。永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步距角一般为7.5°或15° ;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步距角一般为1.5°,但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰 ;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相 ;两相步距角一般为1.8°而五相步距角一般为0.72°。这种步进电机的应用最为广泛。同样,在并联机器人系统中实际使用的也是两相混合式步进电机,型号为56BYG250C。

    二相混合步进电动机有三个比较通用的数学模型:Sing-Ku模型、Pickup-Russell模型和Leenhouts模型。其中Pickup—Rus-sell模型对二相混合步进电动机的非线性问题,特别是绕组磁链,进行了详细的试验研究,比较准确的描述了电机内部电磁变化过程。具有较高的精度。但是它需要详细测试绕组的磁链变化,相当复杂,并不适合于通常的仿真。LeenhouLq电路模型用电感系数来体验绕组磁链电流的变化关系,考虑到四次谐波定位转矩,单相绕组动态电感恒定分量的值与相电流相关,实测较为复杂。

    考虑到模糊控制不需要建立被控对象非常精确的数学模型,而且步进电机内部存在高度的非线性关系等因素。因此,在Sing-Ku模型的基础上,结合文献,建立两相混合步进电动机系统的数学模型。

    步进电机的动态方程包括运动方程和电压平衡方程,可用传递函数的方法来分析系统动态响应。电机按控制指令运动到定位位置(激励量),一般是从前一励磁状态的稳定平衡点向新的稳定平衡点转动。而电机实际位置可能因为种种原因与激励量有一微小的差距,如果用拙氏变换来表示目标值和控制量,则传递函数可定义为:

    图3 两相混合步进电动机

    式中:U-绕组端电压,V ;L—各绕组自感,H ;M-A、B二相间互感,H ;R-相绕组电阻,Ω。

    结合上述分析,综合文献,二相混合步进电机在定压源二相励磁的传递函数为:


责任编辑:赵蔓
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