齐齐哈尔大学毕业设计（论文）
3.3 控制规律与智能算法
目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。
3.3.1 伺服驱动器的闭环控制
伺服电机将驱动器的电信号转化为角速度或角位移，同时又通过编码器将自身的转角信息实时反馈给伺服驱动器，可以实现位置、速度、转矩的闭环控制。伺服驱动器和伺服电机组成的伺服驱动系统，具有调速范围宽、定位精度高、响应速度快、无超调、转矩波动小、过载能力强、可靠性高等特点。根据伺服系统三环控制原理，伺服驱动器一般有位置模式、速度模式和转矩模式三种可选，分别用在精确定位、无级调速和转矩控制领域。本设计正是利用伺服系统的位置模式来实现码垛机械手的精确定位功能。
被检测电流R5R2R1-5VGNDC1R3++UCR6R7检测信号输出LEM+15VOUTC2-R4
图3-2伺服系统三环控制原理图
伺服驱动器设置中应注意： 1、设定位置环调节器的比例增益；
2、设置值越大，增益越高，刚度越大，相同频率指令脉冲条件下，位置滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调；
3、参数数值由具体的伺服系统型号和负载情况确定
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θg-控制规律D/Aks(Tms?1)(TIs?1)θ
图3-3 臂关节控制模型
以臂关节为例，确定其数学模型在机械手臂关节对象中，一般将直流力矩电机模型以两个惯性环节来简化，其表达式为：
k (3-1)
s(Tms?1)(TIs?1)式中：Tm为电磁时间常数；Tl为电机时间常数；K为驱动电路的放大倍数以及电机减速器减速比的综合值；S为积分环节。图中的θ表示机械手输出转过的角度；θg表示给定角；
在工程上， PID 控制器因其具有结构简单， 能适应大量工业过程的控制要求， 具有较强的鲁棒性而得到了广泛的应用。在研究中首先采用了PID控制器。以臂关节为研究对象进行了系列的折算，测得结果为Tm=0.271，Tl=l/R=0.00243(Tm>>Tl)。其开环传递函数为：
G(s)?40.9 (3-2)
s(0.274s?1)在过阻尼、无超调时， 取得PD、PID参数分别为：P=8、D=6、和P=10、I=0.01、D=5。选用上述参数进行控制后，存在明显问题；控制精度不高，控制过程超调量大，同时正转与反转存在一定的死区误差。
3.3.2 控制智能算法
由于机械手实际系统存在严重的非线性，对系统的参数变化比较敏感，难以做到准确定位；另外由于机械精度方面的原因还存在一定的死区，使得控制精度降低，存在超调。PID控制器在线性控制领域得到了广泛应用，但是如何使得PID控制应用于非线性控制系统，并具有一定的可靠性，一直为人们所关注，由于模糊控制具有一定的智能性，对于非线性的控制具有一定的特点，因而可以预见，若将模糊控制策略应用于PID控制器的设计，使控制器既具有传统PID控制器的优点，又具有模糊控制的智能特点，从而使得控制策略能够随工况的不同而实时调整，其控制结构如图3-4所示。
位置给定 Eθ θ 控制器控制驱动装置
图3-4 模糊控制结构图
δEθ 30
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图中，Eθ为转角误差，δEθ为误差增量。设位置误差模糊量为E，误差的变化量为C[E]，控制输出量为U。将误差E，误差变化率C[E]及控制量U的论域取为
{E}={C[E]}={U}={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，其模糊子集语言变量描述词汇如下，即:{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}≌{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}。在系统中，位置的给定值为0度至360°，转角的采样值是利用PLC的高速输入口来检测旋变B合成信号Um sin(ωt+α)得出转角信息α(-90<α<+90)，位置误差的模糊值及模糊量赋值如表1所示。转角误差增量C[E(θ)]表示为C[E(θ)]=E[θ(i)]-E[θ(i-1)]其模糊化及模糊变量的赋值如表3-3所示。
表3-3 误差的模糊化表及变量赋值表
E(θ)单位（度） 75≤θ≤90
45≤θ≤75 75≤θ≤90 -15≤θ≤15 -45≤θ≤-15 -75≤θ≤-45 -90≤θ≤-75
E -3 -2 -1 0 1 2 3 PB 0.5 1.0 PM 1.0 PS 0.5 1.0 0.7 O 1.0 NS 0.7 1.0 0.5 NM 1.5 NB 1.0 0.5
控制中选择了带有可调整因子β的控制规则： U =-[βE+(1-β)C[E]]，β?(0，1)，通过调整β值可以改变对误差和误差变化的不同加权程度。控制过程中，采用β=0.5时则其控制规则可以用一个解析表达式概括:U=-[(E+C[E])/2]，即:误差和误差变化在控制量的加权程度均为1/2。调整方法可采用如下一组模糊校正规则: Ri：if e(k)is PB and Δe(k)is PS，then U=NB
U(*)={U(-3)，U(-2)，U(-1)，0，U(+1)，U(+2)，U(+3)}
则对应的精确量为：{-4V，-3V，-1.5V，0V，+1.5V，+3V，+4V}，控制规则的输出值DAC1210对应D/A双极性输出的数字量电压值。
表3-4 误差增量的模糊化及变量赋值表
C（E）（度）
7≤δe≤9 5≤δe≤7 2≤δe≤5 -2≤δe≤2 ≤-5δe≤-2 -7≤δe≤-5 -9≤δe≤-7
E -3 -2 -1 0 1 2 3 PB 1 PM 1 PS 1 O 1 NS 1 NM 1 NB 1
实验中采用E[θ]以30°为界位，当:E[θ]≥30度时β=0.75；E[θ]≤30度时，β=0.15。
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根据上述控制规则进行系统仿真，结果如图3-5所示。图中纵坐标表示系统的输出相对值，横坐标表示系统的输出时间。图a表示输入单位阶跃信号下，无自调整因子时的输出波形图；图b表示在同样条件下，加入自调整因子后的系统输出波形图。仿真结果表明，采用自调整因子后，系统超调量明显减小，快速性有所改善[4]。
1.01.02.03.04.05.06.0 7.08.0t/s
(a)
1.01.02.03.04.05.06.0 7.08.0t/s
(b)
图3-5仿真曲线
3.4 软件的编程
智能机械手的编程主要是对四个伺服电机的准确控制，需要根据用户的实地情况操作运行进行调试，确定定时器的时间等等。软件的编程见附录。
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