Роботы являются комплексными электромеханическими системами, где несколько электроприводов используются, чтобы управлять перемещением ясно сформулированных структур. Проект систем управления оси для роботов может быть значительно упрощен библиотекой Electric Drives, которая может смоделировать полные оси включая электроприводы, редукторы скорости, механическую модель руки и контроллеры в той же схеме.
Это тематическое исследование представляет моделирование и симуляцию шести манипуляторов робота степеней свободы с помощью библиотечных блоков Электроприводов в сочетании с блоками Simulink®. Две основных модели соединений созданы с помощью бесщеточных дисков двигателя постоянного тока, которые соединяются с остальной частью манипулятора через редукторы скорости (модель, включенная в библиотеку Electric Drives). Система управления, которая состоит по существу из двух циклов управления положения, создается с блоками Simulink. Внутренняя скорость и циклы управления крутящего момента уже включены в модель диска. Остальная часть манипулятора и его загрузки представлена двумя Simulink нелинейные модели, один для каждого электропривода.
Подробное моделирование представлено, чтобы продемонстрировать универсальность библиотеки Electric Drives. Операция соединений с помощью типичных траекторий симулирована, и результаты представлены.
Робот, рассмотренный в этом примере, является шестью манипуляторами робота степеней свободы общего назначения (GMF S-360) типа рычажного устройства параллелограмма. Шесть Манипуляторов Робота Степеней свободы показывают структуру робота и его рабочей области. Робот имеет шесть осей. Эти три оси (Θ1, Θ2, Θ3) показанный на рисунке для расположения руки, и другие (α, β, γ) для ориентации исполнительного элемента конца. В горизонтальной плоскости робот может покрыть 300 дуг степени (Θ1 =-150 ° к Θ1 = 150 °).
Оси робота управляются бесщеточными двигателями постоянного тока, которые моделируются постоянным магнитом синхронные двигатели, питаемые инверторами PWM (модель диска AC6). Редукторы скорости типа пояса и коробки передач используются, чтобы передать крутящий момент от двигателей до соединений.
Шесть манипуляторов робота степеней свободы
Мы рассмотрим в частности два первых соединения (ось 1 и ось 2), которые управляют целым роботом и его загрузкой. Первая ось использует бесщеточный двигатель постоянного тока на 2 кВт и 1:130 редуктор скорости. Вторая ось использует бесщеточный двигатель постоянного тока на 1 кВт и 1:100 редуктор скорости. Бесщеточный Диск двигателя постоянного тока для Управления Положением Соединения Робота показывает упрощенную схему системы управления положения для одной ссылки робота.
Система управления состоит из трех циклов управления, соединенных в каскадной настройке: внешний цикл положения включает внутренний цикл регулировки скорости и самый внутренний текущий цикл управления. Премьер-министр синхронный двигатель питается трехфазным инвертором PWM, действующим в управляемом текущим образом режиме. Схема полевой ориентации используется, чтобы разъединить переменные так, чтобы потоком и крутящим моментом могла отдельно управлять прямая ось статора текущие идентификаторы и квадратурная ось текущие IQ, соответственно. Квадратурная ось текущие ссылочные IQ* (который представляет команду крутящего момента) обеспечивается циклом регулировки скорости. Прямая ось текущие ссылочные идентификаторы* сохранена равной 0.
Скорость/датчик положения используется, чтобы предоставить информацию, запрошенную циклами управления скорости и положения. Положение ротора также требуется для преобразования координат (dq к abc).
Каждая остальная часть электроприводов структуры робота, включая другие ссылки и загрузку, через редуктор скорости.
Бесщеточный диск двигателя постоянного тока для управления положением соединения робота
Целая система приводов для двух первых соединений робота, включая электроприводы, редукторы скорости, эквивалентные загрузки и контроллеры доступна в Управлении Осью Робота Используя Бесщеточный пример Дисков двигателя постоянного тока.
Бесщеточные диски двигателя постоянного тока представлены двумя AC6 (PM Синхронный Электропривод), блоки из библиотеки Electric Drives. Этот блок моделирует полный бесщеточный диск двигателя постоянного тока включая постоянный магнит синхронный двигатель (PMSM), инвертор IGBT, контроллер скорости и текущий контроллер. Входные параметры AC6 являются командами скорости, и выходные параметры являются частотой вращения двигателя, которые питаются входные параметры редукторов скорости.
Редукторы скорости моделируются двумя блоками Редуктора Скорости из библиотеки Electric Drives. Входные параметры для этих блоков являются скоростями двигателей, и выходные параметры являются крутящими моментами с низкоскоростных сторон, которые применяются к модели структуры робота. Редукторы скорости характеризуются их отношением и инерцией и жесткостью и затуханием валов ввода и вывода.
Валы выхода редукторов скорости соединяются с T1 и входными параметрами T2 блока Robot, который представляет остальную часть структуры робота. Этот блок вычисляет эффективный крутящий момент, отраженный к каждому соединению. Для каждого соединения (пронумеровал i), мы можем рассмотреть глобально другие эффекты ссылок как одну загрузку, отражающуюся к соединению крутящий момент, который состоит из трех условий
| (1) |
где Θi является объединенным угловым положением, Цзи является инерцией, Ci является центробежным и Кориолисовым коэффициентом, и Gi является гравитационным коэффициентом.
Модель Robot создана с блоками Simulink.
В этой схеме параметры J1, C1, G1, J2, C2 и G2 являются функциями объединенных положений. Реализуйте их при помощи полиномов или интерполяционных таблиц.
Объединенными положениями Θ1 и Θ2 управляют внешние циклы управления, которые обеспечивают Θ1 и Θ2, чтобы следовать за ссылками, наложенными траекториями манипулятора. Различные алгоритмы могут использоваться в этих циклах управления. Самые популярные единицы являются пропорционально-производным, вычисленным крутящим моментом, и адаптивный. В этом примере пропорционально-производные контроллеры реализованы для обеих осей.
Тестовые траектории кубического полинома для движения робота сгенерированы блоком Trajectory Generator.
Тестовые траектории состоят из перемещения от положения 6 до положения 3 в рабочей области (Θ2 варьирующийся от-π/4 до π/4) при вращении вокруг оси 1 от одного положения до другого (Θ1 варьирующийся от-π/6 до π/6). Параметры, которые будут заданы для этого блока, являются исходным положением [Θ1ini, Θ2ini], конечное положение [Θ1fin, Θ2fin], и время перемещения. Следующий рисунок показывает изменения структуры робота во время запрограммированного перемещения.
Изменение инерции из-за изменений структуры отражается к оси 1 как инерция, варьирующаяся как функция Θ2 (от 215 kgm2 до 340 передач kgm2 минимумом 170 kgm2). Инерция, отраженная к оси 2, является константой (J2 = 50 kgm2). Эти изменения инерции представлены нелинейными функциями, реализованными в блоке Robot.
Тестовые траектории, описанные выше, составляют одну из самых требовательных траекторий для электропривода первых и вторых соединений. Они используются здесь, чтобы оценить производительность отслеживания двух систем электропривода.
В примере манипулятор запрограммирован, чтобы вращаться от-30 ° до 30 ° в течение 1,5 секунд, и в то же время рука перемещена от заднего положения (Θ2 =-45 °) к самой усовершенствованной позиции (Θ2 = 45 °). Симуляция запущена с помощью временного шага 1 мкс.
Ответы манипулятора и электроприводов 1 и 2 отображены на трех осциллографах, соединенных с выходными переменными блоков Робота и AC6.
Во время перемещения объединенные положения Θ1 и Θ2 следуют за наложенными кубическими траекториями с низкой ошибкой отслеживания.
Бесщеточные диски двигателя постоянного тока ведут себя очень хорошо во время тестовых траекторий. Напряжение на шине DC обеспечено на относительно постоянных уровнях во время замедления двигателей. Разработанные крутящие моменты пропорциональны амплитудам моторных токов. Это демонстрирует хорошую операцию ориентированных на поле алгоритмов управления.
[1] Миллер, T. J. E. бесщеточные электроприводы постоянного магнита и нежелания, нажатие Clarendon, Оксфорд, 1989.
[2] Spong, M. W. и Vidyasagar, M., динамика робота и Control, John Wiley & Sons, Нью-Йорк, 1989.
