莫 帥， 周長(zhǎng)鵬， 李 旭， 楊振寧， 劉輝華， 高瀚君

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387； 3. 東莞市德晟智能科技有限公司, 廣東 東莞 523000； 4. 北京航空航天大學(xué) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100191)

隨著消費(fèi)水平的提高，人們對(duì)服裝的需求量越來(lái)越大，對(duì)勞動(dòng)力需求也隨之增大，紡織機(jī)器人的出現(xiàn)極大地提高了服裝產(chǎn)業(yè)的效率。2006年智能機(jī)器人被列入先進(jìn)制造技術(shù)行業(yè)，標(biāo)志著中國(guó)機(jī)器人行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。至2019年，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到57.3億美元[1-2]，在2020年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中，機(jī)器人再次被重點(diǎn)關(guān)注，但由于機(jī)器人控制系統(tǒng)起步晚，關(guān)鍵核心技術(shù)受制于人，對(duì)高精尖機(jī)器人控制研究具有深遠(yuǎn)意義[3-5]。

在紡紗環(huán)節(jié)中，通常由人工拔管、插管、落紗，造成勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)成本高。為實(shí)現(xiàn)省時(shí)省力、提高生產(chǎn)效率，目前大都采用落紗理管機(jī)器人[6]，其常常工作于高速輕載有沖擊的場(chǎng)合。紡織機(jī)器人常用結(jié)構(gòu)中包含大量機(jī)器人關(guān)節(jié)，特別是落紗理管機(jī)器人關(guān)節(jié)廣泛采用電動(dòng)機(jī)加齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)組合設(shè)計(jì)，其中直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能，可以得到較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，具有極高的性?xún)r(jià)比。針對(duì)電動(dòng)機(jī)控制等領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究，如：顧萬(wàn)里等[7]針對(duì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的摩擦力和負(fù)載擾動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)控制性能的影響，設(shè)計(jì)了基于擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)滑膜控制器，有效改善了在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)有刷電動(dòng)機(jī)的控制效果；李宗俐等[8]設(shè)計(jì)了直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤器，特別針對(duì)電動(dòng)機(jī)在面臨電壓電流過(guò)載時(shí)，仍能滿(mǎn)足快速跟蹤期望轉(zhuǎn)速；Chen等[9]針對(duì)水下機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)在某些條件下可能變化，提出了一種自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方案,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性；Zhao等[10-12]針對(duì)多機(jī)器人的學(xué)習(xí)跟蹤控制，提出了一種較優(yōu)跟蹤控制方法，可以在短時(shí)間內(nèi)訓(xùn)練多個(gè)機(jī)器人學(xué)習(xí)。

現(xiàn)階段大部分研究沒(méi)有將電動(dòng)機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合考慮，本文針對(duì)紡織落紗理管機(jī)器人中驅(qū)動(dòng)整個(gè)軀干轉(zhuǎn)動(dòng)的腰部關(guān)節(jié)進(jìn)行研究，以期設(shè)計(jì)機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制可以滿(mǎn)足特定工況下的強(qiáng)度要求，并具備良好的速度、位置控制精度。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的紡織機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)分為關(guān)節(jié)本體部分和運(yùn)動(dòng)控制部分[13-15]，如圖1所示。機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)本體設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行三維建模，然后基于該模型進(jìn)行有限元仿真，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求后進(jìn)行實(shí)體加工；電路板集成設(shè)計(jì)首先需選擇合適的主控芯片以及實(shí)現(xiàn)功能的元器件，然后分析各元器件間的布線方式，設(shè)計(jì)電路圖，繪制集成電路，最后將加工好的各個(gè)實(shí)體零件和電路板進(jìn)行裝配。

圖1 機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Flow chart of design of waist joint of robot

運(yùn)動(dòng)控制主要由上位機(jī)、控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電流采集模塊、過(guò)溫保護(hù)模塊、通信模塊、位置檢測(cè)模塊、電源模塊等組成。其中：電源模塊內(nèi)含2級(jí)降壓電路，分別為7.4 V降壓到5 V和5 V降壓到3.3 V，為各個(gè)模塊供電；控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊都采用STM32為控制芯片，控制模塊為實(shí)現(xiàn)多路控制、便于擴(kuò)展采用STM32F103RCT6,驅(qū)動(dòng)模塊為減小驅(qū)動(dòng)板體積采用36引腳的STM32F103T8U6作為主控芯片。硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of hardware system

工作原理為：1)開(kāi)機(jī)并由電源供電，系統(tǒng)初始化;2)上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送要達(dá)到的位置指令；3)控制板接收到信號(hào)并解析指令，再將信號(hào)通過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)[16]廣播的方式傳送到每一個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器；4)驅(qū)動(dòng)器識(shí)別到呼叫自己的廣播后接收控制板的指令，驅(qū)動(dòng)器將接收到的數(shù)據(jù)與磁編碼器檢測(cè)到的當(dāng)前位置數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)比例積分微分(PID)計(jì)算后產(chǎn)生脈沖寬度控制(PWM)信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[17]，磁編碼器一直將變化的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)；5)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)實(shí)時(shí)采集電動(dòng)機(jī)的溫度，當(dāng)實(shí)際值超過(guò)預(yù)定值時(shí)，立即關(guān)斷產(chǎn)生PWM信號(hào)引腳，停轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，從而起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的目的。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 有刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

有刷電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速簡(jiǎn)單，控制方便，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在伺服器中也大量使用。有刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)下的電氣方程為

U1=E1+IdR

(1)

式中：U1表示驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)外部直流電源的電壓，V；E1表示電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),V；Id表示電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)下的電樞電流,A；R表示電動(dòng)機(jī)電樞電阻,Ω。有刷直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

E1=Cenφ

(2)

式中：Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定；n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min；φ為勵(lì)磁磁通,T·m2。由此可推導(dǎo)出有刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式：

(3)

由式(3)可知，有刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法有：改變驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)外部直流電源的電壓U1；改變電動(dòng)機(jī)電樞電阻R；改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁通φ。本文采用PWM方波控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即通過(guò)改變輸入電動(dòng)機(jī)的電壓改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在利用橋式電路的基礎(chǔ)上選用STM32F103T8U6芯片作為主控芯片，利用高級(jí)定時(shí)器改變驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)平均電壓來(lái)改變轉(zhuǎn)速。橋式電路采用集成“H橋”芯片L9110S,該芯片將分立電路集成在單片集成電路(IC)中，可以減小電路設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2 降壓模塊設(shè)計(jì)

降壓模塊為7.4 V降壓至5 V、再由5 V降壓至3.3 V。其中7.4 V降壓至5 V電路采用LM317降壓芯片，5 V降壓至3.3 V電路采用AMS1117降壓芯片，以滿(mǎn)足不同模塊對(duì)電壓的需求。LM317降壓芯片為可調(diào)節(jié)降壓芯片，兩端的電壓差最大可達(dá)到40 V，本文實(shí)驗(yàn)中的壓差為2.4 V，完全符合要求。LM317降壓芯片輸入輸出電壓差值計(jì)算公式為

(4)

式中，Vout為降區(qū)芯片輸出端電壓，V；R17為降壓芯片輸出引腳電阻，Ω；R18為降壓芯片調(diào)節(jié)引腳處電阻，Ω；IAdj為調(diào)節(jié)引腳輸出電流，A。由于IAdjR18<

2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊主要用于上位機(jī)與控制板通信及控制板與驅(qū)動(dòng)板通信。上位機(jī)與控制板通信采用串口通信，所用芯片為CH340C，實(shí)現(xiàn)USB-TTL電平轉(zhuǎn)換，其特點(diǎn)為采用5 V電壓源供電，內(nèi)置晶振，外圍電路連線簡(jiǎn)單?？刂瓢迮c驅(qū)動(dòng)板通信采用CAN通信，所用芯片為T(mén)JA1050和SN65HVD230D，主要區(qū)別為供電電壓不同。TJA1050為5 V電壓供電，放置于控制板；SN65HVD230D為5 V通用芯片和3.3 V通用芯片，放置于驅(qū)動(dòng)板。采用CAN總線通信傳遞信號(hào)，采用串聯(lián)方式在總線的起始和末端分別加裝120 Ω的電阻，可以實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)串聯(lián)控制，相較于PWM通信降低了連線的復(fù)雜程度。

2.4 位置檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

在機(jī)器人關(guān)節(jié)控制中，位置檢測(cè)具有重要地位，常用的位置檢測(cè)元件有：碼盤(pán)式位置檢測(cè)元件(如光電編碼器)、霍爾式位置檢測(cè)元件。其中，霍爾式位置檢測(cè)元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。本文采用AS5600磁編碼器，其采用霍爾原理，利用的是磁性檢測(cè)的方式獲取位置信號(hào)。測(cè)量角度的范圍為0°～360°；采用12位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出分辨率，精度可達(dá)0.01°；其應(yīng)用范圍廣、性?xún)r(jià)比高。對(duì)于磁場(chǎng)的采集有PWM模式和集成電路總線(IIC)通信方式，為提高采樣精度和傳輸效率，選擇IIC通信方式。

2.5 電流采集模塊設(shè)計(jì)

在電流環(huán)實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)電流采集電路，所用芯片為MAX44248。其中，OUTA和OUTB表示輸出通道A和B，INA+和INA-分別表示通道A的正負(fù)輸入，VSS表示接地，VDD表示5 V供電接口，INB+和INB-分別表示通道B的正負(fù)輸入，電流采集電路如圖3所示。在驅(qū)動(dòng)芯片的接地端串聯(lián)一個(gè)采樣電阻，R8、R9、R10、R11和C24組成差分濾波電路，為了抑制零點(diǎn)漂移，在R12電阻上接了一個(gè)0.8 V的抬升電壓。采樣點(diǎn)處的電壓U0經(jīng)過(guò)采樣電路后進(jìn)行ADC采集，采樣得到的電壓表達(dá)式為

(5)

將讀取到的電壓進(jìn)行運(yùn)算，反向求出采樣點(diǎn)的電流。差分放大器采用集成IC芯片MAX44248，并在ADC采集點(diǎn)加R13和C20組成輸出一階濾波，D1為輸出電壓鉗位，可以起到輸入輸出保護(hù)的作用，同時(shí)可以利用軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

圖3 電流采集模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of current acquisition module

2.6 驅(qū)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路控制模塊采用的控制芯片為STM32F103T8U6芯片，該芯片具有性能高、接口豐富、功耗低、封裝體積小、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。其中晶振頻率為8 MHz的無(wú)源晶振采用高級(jí)定時(shí)器1產(chǎn)生PWM方波,兩引腳為電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)PWM和互補(bǔ)PWM控制輸出端，同時(shí)可以通過(guò)改變占空比控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和剎車(chē)。CAN通信、IIC通信通過(guò)專(zhuān)用引腳接口與外設(shè)相連。為方便程序燒錄調(diào)試，采用串行調(diào)試(SWD)模式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人關(guān)節(jié)電路部分主要由控制板和驅(qū)動(dòng)板組成，控制板相當(dāng)于中轉(zhuǎn)站，將上位機(jī)與驅(qū)動(dòng)板建立聯(lián)系；驅(qū)動(dòng)板主要用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，其控制流程如圖4所示。

圖4 控制程序流程圖Fig.4 Control program flow chart.(a) Control board flow chart; (b) Drive board flow chart

上位機(jī)的信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送給控制板，控制板再將信號(hào)通過(guò)CAN總線發(fā)送給驅(qū)動(dòng)板，同時(shí)還可以進(jìn)行信號(hào)的反向傳遞。主程序包括串口中斷和CAN中斷，其工作流程如圖4(a)所示。驅(qū)動(dòng)板主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)的一切動(dòng)作，并實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)溫度電流，程序中主要包含CAN中斷、外部中斷、高級(jí)定時(shí)器中斷等，其中溫度保護(hù)和電流保護(hù)設(shè)為最高級(jí)中斷。主要控制過(guò)程為:驅(qū)動(dòng)板接收到控制板通過(guò)CAN通信發(fā)來(lái)的信號(hào)，立即產(chǎn)生CAN中斷，將數(shù)據(jù)與磁編碼器的位置信號(hào)進(jìn)行比較，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到該位置,其工作流程如圖4(b)所示。

4 轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

機(jī)器人關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)經(jīng)常需要電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，在單轉(zhuǎn)速比例積分(PI)調(diào)節(jié)時(shí)雖然有限流電路的保護(hù)，但在到達(dá)位置時(shí)，電流立即下降將導(dǎo)致?？课恢貌粶?zhǔn)確。為此，引入轉(zhuǎn)速、電流環(huán)雙閉環(huán)控制，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)將單速度環(huán)與轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。其中，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、ACR為電流調(diào)節(jié)器[18-19]。在實(shí)際雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中加入濾波環(huán)節(jié)，用于抑制各種擾動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)的影響，同時(shí)在調(diào)節(jié)器輸入端加入同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)以平衡延遲作用。

4.1 電流環(huán)設(shè)計(jì)

參照工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，遵循先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的設(shè)計(jì)原則，即先設(shè)計(jì)電流環(huán)再設(shè)計(jì)速度環(huán)。在電流環(huán)中有2個(gè)相差較大慣性環(huán)節(jié)的控制對(duì)象，采用PI調(diào)節(jié)器的典型Ⅰ型系統(tǒng)，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

(6)

式中：Ki為ACR比例系數(shù)；τi為ACR積分時(shí)間常數(shù);s為傳遞函數(shù)經(jīng)過(guò)拉普拉斯變換后與時(shí)間相對(duì)應(yīng)的空間變量。典型Ⅰ型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

(7)

式中：τ∑i=Ts+Toi；Ts為PWM方波滯后時(shí)間常數(shù)；Toi為電流反饋時(shí)間常數(shù)。

通常希望電流超調(diào)量σi≤5%，可選阻尼比ξ=0.707，KITΣi=0.5，則KI為

(8)

式中，β為電流反饋系數(shù)。令τi=Tl，可得比例系數(shù)表達(dá)式:

4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)

和電流環(huán)設(shè)計(jì)相同，為實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，在電流環(huán)中已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上必須再加入一個(gè)積分環(huán)節(jié)。顯然，工程Ⅰ型系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)不到要求，所以轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)必須采用工程Ⅱ型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)也采用PI閉環(huán)調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)為

(9)

式中：Kn為ASR比例系數(shù)；τn為ASR積分時(shí)間常數(shù)。轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

(10)

式中：T∑n=1/KI+Ton，Ton為轉(zhuǎn)速反饋時(shí)間常數(shù)；α為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；β為電流反饋系數(shù)；Ce為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；Tm為機(jī)電時(shí)間常數(shù)。

令轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益KN為

(11)

ASR的參數(shù)包括Kn和τn，典型Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)公式為：

τn=hT

(12)

(13)

故可推出

其中，h為中頻寬，由動(dòng)態(tài)性能要求決定。

5 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可行性，首先針對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)流程圖，采用五級(jí)減速齒輪組，電動(dòng)機(jī)采用1718型精密空心杯電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，具體參數(shù)如表1所示。針對(duì)使用位置，設(shè)計(jì)為扇形結(jié)構(gòu)，優(yōu)化內(nèi)部齒輪排布方式，三維圖如圖5機(jī)器人驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)所示。輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0～40 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°～360°。

表1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.1 Motor parameter

圖5 機(jī)器人腰部驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)Fig.5 Robot waist drive joint. (a) Front view;(b) Rear view

通過(guò)運(yùn)用有限元分析，機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)各部分應(yīng)力在材料允許范圍之內(nèi)，即機(jī)器人關(guān)節(jié)殼體、軸、齒輪滿(mǎn)足日常的使用要求。最后進(jìn)行實(shí)體加工，殼體采用鋁合金材料進(jìn)行銑削加工，齒輪采用銅合金材料進(jìn)行滾齒加工。

控制電路方面，為實(shí)現(xiàn)所要求的功能，結(jié)合上述元件原理運(yùn)用Altium Designer 15進(jìn)行電路板設(shè)計(jì);為減小占用面積采用雙層板設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)板集成電路如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)板集成電路圖Fig.6 Driver board integrated circuit diagram. (a) Front view; (b) Rear view

最后，將各個(gè)部件進(jìn)行裝配調(diào)試，完成所有硬件部分的設(shè)計(jì)，裝配實(shí)體如圖7所示。

圖7 機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)實(shí)物圖Fig.7 Physical map of waist joint of robot.(a) Transmission system; (b) Drive board; (c) Entity

為驗(yàn)證紡織機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，利用Keil軟件編寫(xiě)程序，將程序燒錄到驅(qū)動(dòng)板，實(shí)現(xiàn)單轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，搭建如圖8所示的實(shí)驗(yàn)硬件連接圖。

圖8 實(shí)驗(yàn)硬件連接圖Fig.8 Experimental hardware connection diagram

Mo等[20]對(duì)控制電動(dòng)機(jī)的硬件進(jìn)行了對(duì)比研究。為檢驗(yàn)不同控制方案下的電動(dòng)機(jī)響應(yīng)情況，同時(shí)觀察電流的變化情況，采用不同的控制方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。

在單轉(zhuǎn)速環(huán)控制時(shí)，由圖9(a)可知，速度在很快的時(shí)間就可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，且超調(diào)量并不大；由圖9(b)可知，在啟動(dòng)瞬間電流非常大，是額定電流的62.5倍。機(jī)器人關(guān)節(jié)為頻繁啟動(dòng)部件，啟動(dòng)電流沖擊加速元器件的老化，并對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)造成沖擊，嚴(yán)重影響機(jī)器人關(guān)節(jié)壽命，故在工程中應(yīng)盡量避免此類(lèi)情況的發(fā)生。

在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上加入帶電流截止的負(fù)反饋，將最大電流限制在額定電流的1.5倍，測(cè)量在額定工況空載時(shí)的轉(zhuǎn)速,如圖9(c)所示。可以看出，轉(zhuǎn)速的響應(yīng)時(shí)間明顯加長(zhǎng)，并且在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之前有多次抖動(dòng)使得進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間變長(zhǎng)，主要原因是對(duì)電流不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。

圖9 額定工況下不同控制方案電動(dòng)機(jī)響應(yīng)Fig.9 Motor response of different control schemes under rated conditions.(a) Single speed loop control speed;(b) Single speed loop control current; (c) Speed control with cut-off current speed loop; (d) Speed and current double closed loop control speed; (e) Speed and current double closed loop control current; (f) Speed comparison between speed loop with cut-off and double closed loop

針對(duì)帶電流截止的速度環(huán)中轉(zhuǎn)速存在抖動(dòng)，引入轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制，如圖9(d)、(e)所示，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)的過(guò)程中電流環(huán)對(duì)電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速在達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速后快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。將轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速與帶電流截止的單轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)速進(jìn)行對(duì)比，如圖9(f)所示，雙閉環(huán)調(diào)速比帶截止電流轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)速更快地達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，并且對(duì)超調(diào)量的抑制效果更加明顯，可大大提高機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，故最終采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速。

為檢測(cè)在設(shè)定不同轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的響應(yīng)情況，分別測(cè)試500、1 000、5 000 r/min下的轉(zhuǎn)速、電流響應(yīng)曲線，輸出波形如圖10所示。在轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)電流沒(méi)有達(dá)到截止電流就已達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，同時(shí)也率先進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，電流剛剛達(dá)到設(shè)定的電流最大值就達(dá)到了設(shè)定轉(zhuǎn)速，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間會(huì)比500 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)長(zhǎng)。對(duì)比3種轉(zhuǎn)速可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)長(zhǎng)變長(zhǎng)。在轉(zhuǎn)速圖上，3條曲線都很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，并且在轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制下電動(dòng)機(jī)在500 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速誤差為±0.5 r/min；在1 000 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速誤差為±1 r/min；在5 000 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速誤差為±2 r/min?？梢?jiàn)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高其相對(duì)誤差減小，對(duì)于高控制精度的機(jī)器人關(guān)節(jié)應(yīng)盡量采用大傳動(dòng)比以減小相對(duì)誤差帶來(lái)的影響。本文中機(jī)器人關(guān)節(jié)減速比為395，大大降低了相對(duì)誤差帶來(lái)的影響，該機(jī)器人關(guān)節(jié)可以滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)控制要求。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下電動(dòng)機(jī)響應(yīng)Fig.10 Motor response at different speeds.(a) Motor speed; (b) Motor current

6 結(jié) 論

本文以紡織機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)為研究對(duì)象，對(duì)現(xiàn)有關(guān)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，完成了三維模型設(shè)計(jì)和加工，針對(duì)驅(qū)動(dòng)電路原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路板，實(shí)驗(yàn)證明該驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)具有較高性能和效率。

針對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)為頻繁啟動(dòng)部分，為防止電流產(chǎn)生嚴(yán)重超調(diào)并滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)控制高效、可靠的要求，可采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制。在多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)控制方式上，采用CAN總線方式進(jìn)行串聯(lián)通信，可避免采用PWM總線方式的并聯(lián)通信，為多路機(jī)器人關(guān)節(jié)的聯(lián)動(dòng)控制簡(jiǎn)化了系統(tǒng)布線。測(cè)試證明，轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制能滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)控制的需要。為減小轉(zhuǎn)速相對(duì)誤差，設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用高減速比使電動(dòng)機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速區(qū)。