工业机器人技术(郭洪红)第5节.ppt

　　2. 速度控制 　　在前面的式(5.16)中研究了机械系统的运动方程, 这里当我们忽略黏性摩擦系数, 且相对于负载转矩电动机产生的转矩增加时, 加速度变为正值, 电动机的旋转速度上升。反之, 当转矩减小时, 加速度变为负值, 电动机的旋转速度下降。 电动机的速度控制系统构成如图5.15所示, 是由转矩控制来实现的, 速度控制环路配置在转矩控制环路的外侧。 图 5.15 速度控制系统 　　采用以测速发电机和编码器为代表的速度传感器,可以检测出电动机的旋转速度。这个速度用来与速度指令ω*m进行比较。 这里将产生的速度误差Δωm返回到速度控制部分, 并且通过转矩指令T*的增减,力图使速度指令与实际速度达到一致。 速度控制部分采用PI控制, 即比例积分控制: 　 (5.31) 　　在式(5.31)中,用速度误差Δωm乘以增益Kp的结果,与速度误差的积分值乘以增益K1的结果进行相加,就给出了产生转矩指令的一种方法。通过对Kp与K1的选定, 可以实现所希望的速度控制响应。 　　3. 位置控制 　　电动机轴的旋转通过同步传送皮带和滚珠丝杠传送至机器人的机构部分, 转换成位置的变化。在这种情况下, 如果把机械系统的运动全部换算到电动机轴上,则可以理解,最终会以下列电动机转速的积分形式求出位置θ: (5.32) 　　因此,为了使实际位置θ跟踪目标位置θ*, 应当根据由θ*和θ决定的位置误差Δθ,对电动机的速度ω进行调整,于是如图5.16所示, 即将位置控制器配置到了速度环的外侧。 图 5.16 位置控制系统 　　在图5.16中, 将分相器和绝对编码器检测出的电动机轴位置与位置指令进行比较, 再经过与5.4.1节中4小节对应的作为半闭环系统的位置控制器, 产生速度控制指令, 构成如图5.15所示的速度控制系统的输入。在位置控制器中,一般都采用比例控制方法得到速度指令, 多数情况下其形式为 (5.33) 但是在机器人的控制中,位置指令常常由系统前面的函数形式给出, 如图5.17中虚线表示的那样, 将位置指令的微分形式叠加到速度指令上, 同时采用了前馈控制。这种复合控制形式也是经常采用的。 图 5.17 位置、 速度与转矩的关系 5.5 机械系统的控制 5.5.1 机器人手指位置的确定 　　图5.18表示的是机器人的位置决定机构。电动机轴的驱动力通过减速器(齿轮)传递到滚珠丝杠, 然后由滚珠丝杠的旋转运动变换成滚珠螺母的直线运动。 这里对电动机轴的位置和速度进行检测, 以取代对机器人手指的位置和速度进行测定, 然后采用半闭环方式对执行器进行控制。  　　因此, 将检测出的电动机的电流、速度和位置传送到控制器，在控制器中形成电压指令，由驱动器进行功率放大后， 再驱动执行电机。 图 5.18 由机器人决定的位置控制 5.5.2 设计方法 　　可以按照下列要求来说明位置控制的设计方法: 　　(1) 设可移动范围为300mm, 滚珠丝杠的节距(每一转的进给量)为5mm。  　　(2) 设工件(被搬运物体)的最大质量为9kg。  　　(3) 设确定位置的精度为0.01mm。  　　(4) 加速和减速按照图5.19表示的形式进行。  　　(5) 采用直流电动机。 图 5.19 速度模式 5.5.3 电动机 　　1. 从电动机轴的方向观察到的负载转动惯量JL 　　设横向移动的质量m为10kg,其中工件的最大质量为9 kg, 其他附加的质量为1kg。电动机一侧齿轮的转动惯量J1=1×10-2kg·cm2, 滚珠丝杠及滚珠丝杠一侧齿轮的组合转动惯量J2=1×10-1kg·cm2,减速比为Z1/Z2=1／10, 滚珠丝杠的节距P为5 mm, 于是, JL可以表示为 (5.34) 　　2. 负载转矩TL 　　接着求施加到电动机上的负载力矩TL。设动摩擦力矩Tf为2N·cm, 静摩擦力矩Tf0为4 N·cm, 又设电动机的转动惯量为0.3kg·cm2。因为是在50ms内加速到3000r/min,所以必须的加速度α可由下式计算得到: (5.35) 加速所需要的转矩T1可以由下式求得: T1=(Jm+JL)×α=(0.3+0.012)×10-4×6283=19.6 (N·m) (5.36) 　　开始运动时的负载力矩T2可以由T1+Tf0求得, 于是得出: 　 T2=T1+Tf0=19.6+4=23.6 (N·cm) 加速时的负载力矩T3可以由T1+Tf求得, 于是得出: T3=T1+Tf=19.6+2=21.6 (N·cm) 恒速时的负载力矩T4可以由Tf构成, 于是得出: T4=Tf=2 (N·cm) 减速时的负载力矩T5可以由-T1+Tf求得, 于是得出: T5=-T1+Tf=-