CN105827171A - 一种工业机器人增益调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工业机器人增益调整方法，包括：建立电机控制模型，确定转动惯量与电机控制***的关系公式；根据所述关系公式获取拉氏变换下速度环闭环的传递函数；获取负载在运动过程中的惯量参数；根据惯量参数得到速度环闭环传递函数的拉普拉斯变换公式中的速度环比例系数及速度环积分系数；将速度环比例系数及速度环积分系数代入速度环闭环传递函数的拉普拉斯变换公式获取最终速度环闭环传递函数的值控制机器人运动。该技术方案使得机器人的速度与精度得到保证，提高了工业机器人在高速运转条件下的稳定性。

Description

一种工业机器人增益调整方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体来说，是一种工业机器人增益调整方法。

背景技术

负载惯量识别技术对于电机在高速下保持高精度的运行特质至关重要，该技术用于控制及调整工业机器人各个关节的速度环节部分，以便在高精度的要求下，机器人的各个关节电机能够基于变化的负载惯量，实时的调整速度环的比例参数K_d与积分参数K_i的值，进而保证机器人各个轴完成高精度作业。而对于此项技术国内驱动器产品尚未涉猎，对于负载惯量突然变化后的电机特性仍缺乏深入的研究与成熟的应用。

发明内容

本发明的目的在于，解决工业机器人在应用中需要经过多个中间位姿的问题，并且为了保证工业机器人在运动中负载变化剧烈时的调整时间过长的问题，提出了一种工业机器人增益调整方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

建立电机控制模型，确定转动惯量与电机控制***的关系公式；

根据所述关系公式获取拉氏变换下速度环闭环的传递函数；

获取负载在运动过程中的惯量参数；

根据惯量参数得到速度环闭环传递函数的拉普拉斯变换公式中的速度环比例系数及速度环积分系数；

将速度环比例系数及速度环积分系数代入速度环闭环传递函数的拉普拉斯变换公式获取最终速度环闭环传递函数的值控制机器人运动。

优选的，所述根据所述关系公式获取拉氏变换下速度环闭环的传递函数具体为：

对所述关系公式进行拉普拉斯变换，得到在初始状态下的近似拉氏方程；

将所述近似拉氏方程等效为速度环闭环传递函数的拉普拉斯变换公式。

优选的，所述获取负载在运动过程中的惯量参数，具体为：

对电机在不同转矩与转速的条件下的进行速度积分，获取积分值的比例系数；

根据积分值的比例系数获取负载在运动过程中的惯量参数。

本发明较现有技术具有如下优点：本发明实现了在机器人不断运行过程中，各个关节实时的进行惯量识别的功能，各个关节的电机速度环控制参数，会根据实时的惯量值进行调整，完成机器人在不同姿态下的最优控制，使得机器人的速度与精度得到保证，提高了工业机器人在高速运转条件下的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，为本发明一种工业机器人增益调整方法流程图，具体步骤为：

S10：建立电机控制模型，确定转动惯量与电机控制***的关系公式。

在本实施例中的电机采用三相交流永磁同步电机，其控制模型为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_d\\ {\stackrel{\·}{i}}_q\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-\frac{R}{L}& {\mathrm{p\ω}}_m& 0\\ {-\mathrm{p\ω}}_m& -\frac{R}{L}& -p{\mathrm{\ψ}}_r/J\\ 0& p{\mathrm{\ψ}}_r/J& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ {\mathrm{\ω}}_m\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_d/L\\ u_q/L\\ {-T}_L/J\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中R为绕组等效电阻，L为等效Q轴电感，p为电机磁极对数，ω_m为转子机械角速度，ψ_r为每对磁极磁通，J为折算到电机轴上的总转动惯量(kg*m^2)，T为折算到电机总负载的转矩(Nm)。通过该理论模型，建立了负载转动惯量与各个关节电机的电流值，力矩值的函数关系。

S20：根据所述关系公式获取拉氏变换下速度环闭环的传递函数。

S201：对步骤S10中的关系公式进行拉普拉斯变换，得到在初始状态下，即电机转速为零时的近似拉氏方程如公式(2)所示。

$\frac{U_q}{I_q}=\frac{1}{\mathrm{Js}+R}---\left(2\right)$

其中J为转子的转动惯量，R为电机等效电阻。

S202：将所述近似拉氏方程等效为速度环闭环传递函数的拉普拉斯变换公式。

在工业机器人电机控制中，采用三环控制的方法控制电机，即电流环，速度环与位置环。经过公式(2)的模型变换后，速度环闭环传递函数可以等效为公式(3)的拉普拉斯变换模型：

$W_B=\frac{K_{\mathrm{SP}}{K}_{\mathrm{EP}}{s}^2+(K_{\mathrm{SP}}{K}_{\mathrm{EI}}+K_{\mathrm{SI}}{K}_{\mathrm{EP}})s+K_{\mathrm{SI}}{K}_{\mathrm{EI}}}{{\mathrm{Js}}^3+(R+K_{\mathrm{EP}}+K_{\mathrm{SP}}{K}_{\mathrm{EP}})s^2+(K_{\mathrm{SP}}{K}_{\mathrm{EI}}+K_{\mathrm{SI}}{K}_{\mathrm{EP}}+K_{\mathrm{EI}})s+K_{\mathrm{SI}}{K}_{\mathrm{EI}}}---\left(3\right)$

其中，W_B为闭环传递函数，K_EP为电流环比例系数，K_EI为电流环积分系数，K_SP为速度环比例系数，K_SI为速度环积分系数。由公式(3)可以得出转动惯量J对整个***稳定性的影响。当负载惯量发生突变后，调整速度环的K_SP与K_SI就可以让***迅速恢复稳定。

S30：获取负载在运动过程中的惯量参数。

S301：对电机在不同转矩与转速的条件下的进行速度积分，获取积分值的比例系数。

在电机运行时，电机在位置环、速度环以及电流环的控制下，通过上层控制器的信号运动。这时之前设定好的速度控制，电机控制模型同样开始接收位置输入指令，并且进行计算得出速度值为V_cal，实际值为V_real，获取计算出的速度值和实际速度值各自积分值的比例系数

S302：根据积分值的比例系数获取负载在运动过程中的惯量参数。

上述比例系数与电机空载时的惯量值J的乘积，即为负载在运动过程中的惯量参数J^*。如公式(4)所示。

$J^{*}=J\·\frac{{\∫}_b^a{V}_{\mathrm{real}}}{{\∫}_b^a{V}_{\mathrm{cal}}}---\left(4\right)$

S40：根据惯量参数得到速度环闭环传递函数的拉普拉斯变换公式中的速度环比例系数及速度环积分系数。

根据公式(5)和公式(6)得到速度环比例系数K_SP及速度环积分系数K_SI。

$K_{\mathrm{SP}}=\frac{8{\mathrm{\π}}^2{J}^{*}}{3{\mathrm{\ψ}}_r}---\left(5\right)$

$K_{\mathrm{SI}}=\frac{f_{s}R}{J^{*}}---\left(6\right)$

S50：将速度环比例系数及速度环积分系数代入速度环闭环传递函数的拉普拉斯变换公式获取最终速度环闭环传递函数的值控制机器人运动。

将速度环比例系数K_SP及速度环积分系数K_SI代入速度环闭环传递函数的拉普拉斯变换公式(3)获取最终速度环闭环传递函数W_B的值，根据该值控制机器人运动。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种工业机器人增益调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立电机控制模型，确定转动惯量与电机控制***的关系公式；

根据所述关系公式获取拉氏变换下速度环闭环的传递函数；

获取负载在运动过程中的惯量参数；

根据惯量参数得到速度环闭环传递函数的拉普拉斯变换公式中的速度环比例系数及速度环积分系数；

将速度环比例系数及速度环积分系数代入速度环闭环传递函数的拉普拉斯变换公式获取最终速度环闭环传递函数的值控制机器人运动。

2.如权利要求1所述的一种工业机器人增益调整方法，其特征在于，所述根据所述关系公式获取拉氏变换下速度环闭环的传递函数具体为：

对所述关系公式进行拉普拉斯变换，得到在初始状态下的近似拉氏方程；

将所述近似拉氏方程等效为速度环闭环传递函数的拉普拉斯变换公式。

3.如权利要求1所述的一种工业机器人增益调整方法，其特征在于，所述获取负载在运动过程中的惯量参数，具体为：

对电机在不同转矩与转速的条件下的进行速度积分，获取积分值的比例系数；

根据积分值的比例系数获取负载在运动过程中的惯量参数。