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)動類型主要分為兩種類型：一種是氣動元件驅(qū)動比較單純的作低速點(diǎn)對點(diǎn)的運(yùn)動控制的低端的機(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)，同時又能降低客戶的成本，提高其產(chǎn)品的性價比。

2 臺達(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，在高速定位的時伺服電機(jī)不能出現(xiàn)過沖，震蕩以及整定時間過長。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)動器
（2）驅(qū)動器。 臺達(dá)ASD-A0421LA伺服驅(qū)動器+ECMA-C3060402ES伺服電機(jī)，也就是臺達(dá)伺服的ASD-A的驅(qū)動器驅(qū)動和ASD-B的電機(jī)的A+B的配置。
（3）傳動結(jié)構(gòu)。伺服與負(fù)載之間的傳動結(jié)構(gòu)是采用5：1減速機(jī)和T型齒型鋼絲PU皮帶傳動。
（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)動穩(wěn)定性調(diào)試調(diào)試

　　首先使用臺達(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候，由于電流飽和而使電機(jī)又出現(xiàn)了震動，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，在加速時電機(jī)會出現(xiàn)高速加速，伺服以1600rpm速度運(yùn)行，在運(yùn)行到中間時伺服會出現(xiàn)一個明顯加速過程，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)動的，可是，為什么會出現(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候接受伺服編碼器信號作積分整定的積分環(huán)節(jié)時，控制器在采集到伺服編碼型號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)波動也同時使伺服電機(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

　　臺達(dá)ASD-A伺服運(yùn)行效果，在極限測試時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，定位的整定時間在80ms以內(nèi)。整個1800mm行程內(nèi)從啟動加速到中間平穩(wěn)運(yùn)行到快速定位，整個過程及機(jī)頭保持高速而又運(yùn)動平穩(wěn)，伺服電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定滑順。