噴涂機器人伺服系統(tǒng)建模與仿真

魯鳳明 譚曉東

摘 ?要：伺服系統(tǒng)常用于機器人的關(guān)節(jié)機構(gòu)，由于轉(zhuǎn)矩變化和負載擾動等因素的影響，需要伺服系統(tǒng)有很好的跟蹤精度和控制性能。為了使伺服系統(tǒng)達到理想性能，使用理想的控制策略與控制方法，文章建立了電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制的伺服電機仿真模型，仿真實驗結(jié)果表明：使用基于位置控制的伺服系統(tǒng)后，位置跟蹤誤差小，提高了電機的控制精度，驗證了系統(tǒng)設(shè)計的正確性和可行性，為系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計及實驗分析奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：噴涂機器人;伺服;仿真分析

中圖分類號：TP242.3 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）13-0108-03

Abstract： Servo system is often used in the joint mechanism of robot. Due to the influence of torque change and load disturbance， servo system is needed to have good tracking accuracy and control performance. In order to make the servo system achieve ideal performance and use the ideal control strategy and control method， the servo motor simulation model of current loop， speed loop and position loop control is established in this paper. The simulation results show that the position tracking error is small， the control accuracy of the motor is improved， and the correctness and feasibility of the system design are verified by using the servo system based on position control. It lays a foundation for the software and hardware design and experimental analysis of the system.

Keywords： spraying robot; servo; simulation analysis

引言

動車車體噴涂機器人主要是對動車車體進行膩子噴涂，由于車體尺寸非常大，普通的噴涂機器人尺寸并不直接適用于車體噴涂，需要重新設(shè)計一種末端執(zhí)行器工作空間足夠大的自動噴涂機器人。機器人工作時需增設(shè)上升下降軸和左右移動軸兩個軸，以實現(xiàn)車體上下弧度的垂直噴涂，在機器人外部加設(shè)Y軸方向長距離驅(qū)動裝置，伺服系統(tǒng)驅(qū)動上升下降軸和左右移動軸兩個軸按上位機規(guī)劃好的軌跡運動到指定位置，實現(xiàn)整個車體的噴涂。而車體對機器人的噴涂質(zhì)量要求較高，機器人末端執(zhí)行器位置控制精度將直接影響機器人噴涂精度，所以對伺服系統(tǒng)定位精度要求嚴格。為了保證噴涂裝備能達到規(guī)定的精度的要求，噴涂裝備的伺服驅(qū)動系統(tǒng)的定位精度一定要合理，使其誤差小于規(guī)定要求。而永磁同步電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能直接影響機器人關(guān)節(jié)運行過程中的性能，從而影響到最終的定位精度。所以，以機器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)為例，建立永磁同步電機伺服系統(tǒng)建模數(shù)學模型，對整個伺服系統(tǒng)仿真，確定合理的參數(shù)，從而保證整個系統(tǒng)能夠達到控制需求。

1 永磁同步電機伺服系統(tǒng)建模

交流伺服系統(tǒng)通常是由電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)構(gòu)成的三閉環(huán)系統(tǒng)[1]。在設(shè)計中首先確定電流環(huán)結(jié)構(gòu)，然后將電流環(huán)作為速度環(huán)的一個結(jié)構(gòu)，接著是位置環(huán)。PMSM伺服控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1.1 電流環(huán)設(shè)計

在伺服系統(tǒng)控制中，電流環(huán)是一個重要的環(huán)節(jié)，電流環(huán)位于伺服控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，主要實現(xiàn)d、q軸電流的快速并準確跟隨及電流限幅，就可以快速響應(yīng)轉(zhuǎn)矩的變化，所以電流的反饋必不可少，電流環(huán)的采樣頻率遠高于速度環(huán)的采樣頻率。電流環(huán)主要由電流調(diào)節(jié)器、逆變器以及電流檢測裝置組成。

1.3 位置環(huán)設(shè)計

位置環(huán)是伺服控制系統(tǒng)的最外環(huán)，主要實現(xiàn)輸出位置信號對位置指令的復(fù)現(xiàn)，它實現(xiàn)伺服電機的定位，由于位置環(huán)的特殊性， 一般不能出現(xiàn)超調(diào)， 故伺服控制系統(tǒng)的位置環(huán)控制器一般采用P控制。

因為位置伺服控制系統(tǒng)是高階動態(tài)系統(tǒng)，所以必須對位置調(diào)節(jié)器降階，系統(tǒng)速度環(huán)的響應(yīng)遠快于位置環(huán)，所以可以將速度環(huán)近似等效成一階慣性環(huán)節(jié)。位置環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

2 仿真驗證

在交流伺服三閉環(huán)控制系統(tǒng)中，位置環(huán)采用比例控制，速度環(huán)和電流環(huán)采用比例積分控制。伺服控制系統(tǒng)采用永磁同步電機，功率1.5kW，額定電流9.3A，額定轉(zhuǎn)矩4.8N·m，定子電阻0.836Ω，定子電感5.13mH，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，使用17位絕對編碼器作為位置反饋。

在Matlab/Simulink中使用階躍信號和斜坡信號對控制系統(tǒng)進行位置指令的跟蹤仿真，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，使用PID控制可以使控制系統(tǒng)的指令跟蹤誤差很小，滿足機器人定位要求。

3 結(jié)論

本文在先確定使用PI調(diào)節(jié)的電流控制器，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出采用PI調(diào)節(jié)的速度控制器，最后基于電流閉環(huán)、速度閉環(huán)以及方法進行機器人交流伺服系統(tǒng)的定位控制。通過仿真驗證了證明了在使用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制的基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)可以有效提高系統(tǒng)的快速跟蹤性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對交流伺服系統(tǒng)的準確定位控制，同時保證伺服系統(tǒng)快速響應(yīng)，說明位置控制在實際的機器人控制中非常重要，可以用于點到點以及插補等軌跡規(guī)劃中。

參考文獻：

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