機(jī)器人機(jī)械手的伺服控制

1 引言

　　成型機(jī)專用機(jī)械手在市場上按照驅(qū)動(dòng)類型主要分為兩種類型：一種是氣動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)比較單純的作低速點(diǎn)對點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)控制的低端的機(jī)械手；另一種就是需要采用高性能伺服系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)元件的高速精確定位高性能機(jī)械手。本文論述的是第二種機(jī)電伺服控制機(jī)械手，機(jī)械手基于臺(tái)達(dá)伺服系統(tǒng)技術(shù)。伺服系統(tǒng)在機(jī)械手上的應(yīng)用有很多與一般伺服應(yīng)用場合的不同之處，比較客戶使用的是某日系系列伺服系統(tǒng)，臺(tái)達(dá)伺服通過合理的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到更高的性能指標(biāo)，同時(shí)又能降低客戶的成本，提高其產(chǎn)品的性價(jià)比。

2 臺(tái)達(dá)伺服系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1工藝要求

　　機(jī)械手的工藝要求伺服在帶動(dòng)機(jī)頭作定位運(yùn)行的過程中運(yùn)行要平穩(wěn)滑順，伺服的運(yùn)行速度將決定機(jī)械手的工作效率是否能夠滿足客戶的應(yīng)用要求，在高速定位的時(shí)伺服電機(jī)不能出現(xiàn)過沖，震蕩以及整定時(shí)間過長。以上的要求全都是在負(fù)載慣量比接近70的條件下實(shí)現(xiàn)的。高性能伺服系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)元件的高速精確定位高性能成型機(jī)械手參見圖1。

圖1高精度伺服控制成型機(jī)械手

2.2 伺服系統(tǒng)

　　本項(xiàng)目機(jī)械手是單軸結(jié)構(gòu)的機(jī)械手，基本的硬件配置分為控制部分和驅(qū)動(dòng)部分。

（1）控制器�？刂破饔蓡纹瑱C(jī)開發(fā)而成的手持式控制系統(tǒng)，采用模擬量控制伺服驅(qū)動(dòng)器
（2）驅(qū)動(dòng)器。 臺(tái)達(dá)ASD-A0421LA伺服驅(qū)動(dòng)器+ECMA-C3060402ES伺服電機(jī)，也就是臺(tái)達(dá)伺服的ASD-A的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)和ASD-B的電機(jī)的A+B的配置。
（3）傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。伺服與負(fù)載之間的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是采用5：1減速機(jī)和T型齒型鋼絲PU皮帶傳動(dòng)。
（4）系統(tǒng)框圖。伺服控制系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)參見圖2。
 
圖2 伺服控制系統(tǒng)框圖

3 伺服運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性調(diào)試調(diào)試

　　首先使用臺(tái)達(dá)調(diào)試軟件估測出負(fù)載慣量比為68.6，在這樣的慣量情況下要實(shí)現(xiàn)伺服的高速響應(yīng)，必須要提高伺服增益以保證伺服的控制機(jī)能，但是在將增益調(diào)整到一定的高度以后就必然會(huì)出現(xiàn)機(jī)械共振，至于通過FFT軟件抓取了機(jī)械共振點(diǎn)在189 Hz 的頻率附近，所以，設(shè)定了陷波濾波器的頻率為189Hz和衰減率為4db以后,可以將伺服的速度控制增益調(diào)高到5000rad/s以上。

　　但是在這樣的增益下，電機(jī)運(yùn)行特性仍然很不好，電機(jī)在定位時(shí)出現(xiàn)反復(fù)震蕩，不能快速定位，只能繼續(xù)拉高速度控制增益，但是在增大速度控制增益的時(shí)候，由于電流飽和而使電機(jī)又出現(xiàn)了震動(dòng)，在這樣的情況下只能將共振低通濾波和外部干擾抵抗增益降低。這樣就把速度控制增益提高到7000rad/s以上。伺服可以快速而準(zhǔn)確的定位，不再反復(fù)震蕩。

　　圖3、圖4兩條曲線是由ASD-A伺服調(diào)試軟件抓取得實(shí)時(shí)曲線，在這樣的運(yùn)行情況，伺服的運(yùn)行并不平穩(wěn)，伺服的運(yùn)行情況是，在加速時(shí)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)高速加速，伺服以1600rpm速度運(yùn)行，在運(yùn)行到中間時(shí)伺服會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯加速過程，伺服的運(yùn)行速度在1000rpm左右，這樣的運(yùn)行情況是無法滿足客戶的要求的。
 
圖3 控制器速度命令曲線1

圖4 電機(jī)運(yùn)行速度曲線1

　　通過觀察兩條曲線（控制器速度命令曲線1和電機(jī)運(yùn)行速度曲線1）可以發(fā)現(xiàn)，伺服電機(jī)幾乎是完全按照上位機(jī)速度運(yùn)行命令在運(yùn)動(dòng)的，可是，為什么會(huì)出現(xiàn)這種加減速過程呢？
通過與其他工程師溝通和共同研究，發(fā)現(xiàn)由于負(fù)載慣量過大，造成伺服速度響應(yīng)不夠快，使得速度誤差過大，所以伺服在不斷的針對速度誤差進(jìn)行積分整定，而該機(jī)械手控制器在作位置控制的時(shí)候接受伺服編碼器信號(hào)作積分整定的積分環(huán)節(jié)時(shí)，控制器在采集到伺服編碼型號(hào)以后對位置誤差的積分整定非常緩慢從而造成命令處理速度過慢，而使速度命令出現(xiàn)波動(dòng)也同時(shí)使伺服電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)滑順。針對這種現(xiàn)象將伺服的速度積分補(bǔ)償調(diào)至0,使伺服驅(qū)動(dòng)器對于速度誤差不進(jìn)行積分整定，而使得電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，同時(shí)由于上位機(jī)作位置控制，使得伺服電機(jī)定位并沒有明顯的影響。降低速度積分補(bǔ)償參數(shù)以后發(fā)現(xiàn)曲線明顯變化，電機(jī)運(yùn)行也相對平滑多了，圖5這是用伺服示波器抓取的波形。限于篇幅略寫伺服相關(guān)參數(shù)列表。
 
圖5 控制命令與電機(jī)速度曲線2

4 結(jié)束語

　　臺(tái)達(dá)ASD-A伺服運(yùn)行效果，在極限測試時(shí)可以完全超過日系某名牌伺服系統(tǒng)的運(yùn)行效果，最高速度可以達(dá)到2800rpm，定位的整定時(shí)間在80ms以內(nèi)。整個(gè)1800mm行程內(nèi)從啟動(dòng)加速到中間平穩(wěn)運(yùn)行到快速定位，整個(gè)過程及機(jī)頭保持高速而又運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，伺服電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定滑順。