CN111740669B - 一种机器人关节伺服电机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种机器人关节伺服电机控制方法,属于机器人控制领域。所述方法包括:对永磁同步电机建模,建立符合干扰观测标准的永磁同步电机数学模型;在永磁同步电机数学模型的基础上,建立永磁同步电机矢量控制***的干扰观测器;建立针对永磁同步电机矢量控制***的鲁棒H∞电流控制器;将建立的干扰观测器与鲁棒H∞电流控制器应用到永磁同步电机的矢量控制***中,通过建立的干扰观测器对干扰进行预测,将干扰预测值前馈至鲁棒H∞电流控制器对干扰进行抵消。采用本发明,能够显著提高感机器人关节的控制精度和抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制领域,特别涉及是指一种机器人关节伺服电机控制方法。
背景技术
关节机器人也称关节手臂机器人或关节机械手臂,是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一,适合用于诸多工业领域的机械自动化作业。比如,自动装配、喷漆、搬运、焊接等工作,关节机器人利用电机驱动,使用高精度永磁同步电机矢量控制***实现机器人关节的高精度控制。
永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)具有尺寸小、惯量小、响应速度快、效率高等优点。高精度机器人关节多采用永磁同步电机与矢量(包括电机电压、电流等)控制的方法,然而当永磁同步电机矢量控制***工作环境复杂且存在多种干扰情况下将导致矢量控制***性能下降。
发明内容
本发明实施例提供了机器人关节伺服电机控制方法,将干扰观测器与鲁棒电流控制器应用到永磁同步电机矢量控制中,能够提高矢量控制***的控制性能,从而显著提高感机器人关节的控制精度和抗干扰能力,解决了永磁同步电机矢量控制***抗复杂干扰差、控制性能下降的问题。所述技术方案如下:
一方面,提供了一种机器人关节伺服电机控制方法,该方法包括:
对永磁同步电机建模,建立符合干扰观测标准的永磁同步电机数学模型;
在永磁同步电机数学模型的基础上,建立永磁同步电机矢量控制***的干扰观测器;
进一步地,所述永磁同步电机数学模型表示为:
进一步地,所述在永磁同步电机数学模型的基础上,建立永磁同步电机矢量控制***的干扰观测器包括:
对永磁同步电机数学模型进行等效变换,得到:
其中,为永磁同步电机矢量控制***的状态,为对时刻的一阶导数,为永磁同步电机矢量控制***非线性描述,为永磁同步电机矢量控制***的输入,为输入增益矩阵,为干扰增益矩阵,为干扰,都表示输出矩阵用于输出状态;分别表示轴电流、轴电流、电机角速度;
根据等效变换后的表达式,建立永磁同步电机矢量控制***的干扰观测器。
进一步地,所述干扰观测器为非线性干扰观测器;
所述干扰观测器的数学模型为:
进一步地,所述干扰为外部环境噪声干扰;
所述外部环境噪声干扰由干扰模型产生,所述干扰模型表示为:
进一步地,所述干扰观测器的误差为:
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括:
本发明实施例中,将干扰观测器与鲁棒电流控制器应用到永磁同步电机矢量控制中,能够提高矢量控制***的控制性能,从而显著提高感机器人关节的控制精度和抗干扰能力,解决了永磁同步电机矢量控制***抗复杂干扰差、控制性能下降的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的机器人关节伺服电机控制方法的流程示意图;
图2为本发明实施例提供的永磁同步电机矢量控制***的工作原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示,本发明实施例提供了一种机器人关节伺服电机控制方法,该方法包括:
步骤101,对永磁同步电机建模,建立符合干扰观测标准的永磁同步电机数学模型;
步骤102,在永磁同步电机数学模型的基础上,建立永磁同步电机矢量控制***的干扰观测器;
本发明实施例提供的机器人关节伺服电机控制方法,将干扰观测器与鲁棒电流控制器应用到永磁同步电机矢量控制中,能够提高矢量控制***的控制性能,从而显著提高感机器人关节的控制精度和抗干扰能力,解决了永磁同步电机矢量控制***抗复杂干扰差、控制性能下降的问题。
在前述机器人关节伺服电机控制方法的具体实施方式中,进一步地,所述永磁同步电机数学模型表示为:
在前述机器人关节伺服电机控制方法的具体实施方式中,进一步地,所述在永磁同步电机数学模型的基础上,建立永磁同步电机矢量控制***的干扰观测器包括:
对永磁同步电机数学模型进行等效变换,得到:
其中,为永磁同步电机矢量控制***的状态,为对时刻的一阶导数,分别表示轴电流、轴电流、电机角速度,为永磁同步电机矢量控制***非线性描述,为永磁同步电机矢量控制***的输入,为输入增益矩阵,为干扰增益矩阵,为干扰,都表示输出矩阵用于输出状态;分别表示轴电流、轴电流、电机角速度;
根据等效变换后的表达式,建立永磁同步电机矢量控制***的干扰观测器。
在前述机器人关节伺服电机控制方法的具体实施方式中,进一步地,所述干扰观测器为非线性干扰观测器;
所述干扰观测器的数学模型为:
在前述机器人关节伺服电机控制方法的具体实施方式中,进一步地,所述干扰为外部环境噪声干扰;
所述外部环境噪声干扰由干扰模型产生,所述干扰模型表示为:
在前述机器人关节伺服电机控制方法的具体实施方式中,进一步地,所述干扰观测器的误差为:
在前述机器人关节伺服电机控制方法的具体实施方式中,进一步地,所述鲁棒电流控制器采用基于哈密顿-雅可比不等式(Hamilton Jacobi Inequality, HJI)的鲁棒电流控制策略,该电流控制策略表示为:
如图2所示,采用电流内环,转速外环双闭环控制,具体控制过程为:将转速参考值与转速检测器检测到的电机角速度作差得到差值,差值通过速度控制器输出的轴电流参考值与轴电流作差得到差值与轴电流参考值和轴电流的差值经过鲁棒电流控制器得到控制电压轴电压和轴电压和经过(二相旋转坐标系到两相静止坐标系)变换后,输出两相静止坐标系下的控制电压值和和经 (两相静止坐标系到三相静止坐标系)变换得到三相静止坐标系下的三相电压值,电压值经过空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation ,SVPWM),将输出的三相电压控制信号输入逆变器,从而对永磁同步电机进行控制;逆变器输出的三相电流值经过(三相静止坐标系变换到二相静止坐标系)变换后输出两相静止坐标系下的电流经过(两相静止坐标系变换到二相旋转坐标系)后输出、轴电流(为的合称),输出的反馈至比较器,与电流参考值比较形成控制闭环。
综上,本发明提供的机器人关节伺服电机控制方法,无需额外的硬件设备,通过直接在永磁同步电机数学模型上进行设计,建立干扰观测器的数学模型和鲁棒电流控制器,替代原矢量控制***中的常规PID控制器,能够解决由于环境噪声干扰导致矢量控制***性能下降的问题,提高矢量控制***抗干扰控制能力。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成,也可以通过程序来指令相关的硬件完成,所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中,上述提到的存储介质可以是只读存储器,磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种机器人关节伺服电机控制方法,其特征在于,包括:
对永磁同步电机建模,建立符合干扰观测标准的永磁同步电机数学模型;
在永磁同步电机数学模型的基础上,建立永磁同步电机矢量控制***的干扰观测器;
所述永磁同步电机数学模型表示为:
所述在永磁同步电机数学模型的基础上,建立永磁同步电机矢量控制***的干扰观测器包括:
对永磁同步电机数学模型进行等效变换,得到:
其中,为永磁同步电机矢量控制***的状态,为对时刻t的一阶导数,为永磁同步电机矢量控制***非线性描述,为永磁同步电机矢量控制***的输入,为输入增益矩阵,为干扰增益矩阵,为干扰,、都表示输出矩阵用于输出状态;
根据等效变换后的表达式,建立永磁同步电机矢量控制***的干扰观测器;
所述干扰观测器为非线性干扰观测器;
所述干扰观测器的数学模型为:
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