基于动力学模型的机械手控制策略研究

论文摘要

高性能的机械手在面向物料搬运、IC封装等领域具有无可比拟的优势。机械手的伺服控制系统是机械手系统的核心,伺服系统控制算法的好坏直接影响着机器人系统控制性能的提升,传统的PID控制在机械手高性能的控制方面有一定的局限性。本文针对两自由度(2DOF)机械手进行基于动力学模型的控制算法的研究,并在此基础上进行了控制算法和整个控制系统的仿真分析,完成了实验系统的搭建、控制系统软件编程以及实验验证。首先,论文对机械手本体进行运动学建模与分析,采用Lagrange法对机械手本体进行动力学建模,并建立了减速器和交流永磁同步电机的数学模型。其次,在机械手本体动力学建模的基础之上,对几种基于动力学模型的控制算法进行分析比较。提出了一种新的控制结构,这种控制结构将基于刚体动力学模型的控制算法应用到考虑电机和减速器模型的机电耦合控制系统中去。在此基础之上,进行了计算力矩算法和滑模自适应控制算法的Matlab/Simulink仿真以及与ADAMS的联合仿真,并将两种控制算法进行了机电耦合控制系统的仿真,以验证控制算法和机电耦合控制系统算法结构的可行性。为实际实验系统的实现和调试提供了理论依据。完成了控制系统平台的搭建,该平台采用德州仪器公司(TI)的DSPTMS320F 28335完成控制算法的计算和位置环的调节,由驱动器完成速度环和电流环的运算。编写了DSP实时控制程序,程序采用模块化的编程思想,由C语言和汇编语言混合编程的方法实现。最后进行了实验研究。试验结果表明,在高速时,引入基于动力学模型的控制算法以后,机械手关节的位置和速度跟踪效果有一定的提升。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.3 机械手控制系统的发展
• 1.3.1 机械手动力学建模
• 1.3.2 基于动力学模型的控制方法
• 1.3.3 控制系统平台的搭建
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 机械手系统动力学建模与分析
• 2.1 引言
• 2.2 机械手本体动力学建模
• 2.2.1 机械手运动学建模
• 2.2.2 机械手动力学建模
• 2.3 减速器的数学模型
• 2.4 交流永磁同步电机及其矢量控制模型
• 2.4.1 交流永磁同步电机的数学模型
• 2.4.2 电机转子磁链定向控制模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 机械手控制系统算法设计及仿真
• 3.1 引言
• 3.2 基于动力学模型的机械手控制策略研究
• 3.2.1 机械手最小惯性参数及线性回归矩阵的推导
• 3.2.2 计算力矩控制算法
• 3.2.3 基于计算力矩的自适应控制算法
• 3.2.4 滑模自适应控制
• 3.3 机械手的机电耦合控制系统
• 3.4 计算力矩算法和滑模自适应控制算法的仿真结果及分析
• 3.4.1 计算力矩算法的仿真模型及结果
• 3.4.2 滑模自适应控制的仿真模型及结果
• 3.4.3 仿真结果分析
• 3.5 机械手机电耦合系统的仿真及分析
• 3.5.1 机械手机电耦合系统的仿真模型
• 3.5.2 机械手机电耦合系统的仿真结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 控制系统的实现方案
• 4.1 引言
• 4.2 电路以及系统结构
• 4.2.1 位置检测回路
• 4.2.2 驱动器电路
• 4.3 DSP 系统资源分配
• 4.4 控制系统算法及程序设计
• 4.4.1 控制系统主程序
• 4.4.2 控制系统初始化程序
• 4.4.3 定时器下溢中断服务程序
• 4.4.4 DSP 和PC 之间串口通讯
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验结果及分析
• 5.1 引言
• 5.2 实验平台
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 机械手低速时的运行结果
• 5.3.2 机械手高速时的运行结果
• 5.4 实验结果的分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢