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高可靠性末端效应器控制系统设计

  )是大型空间站机械臂的一部分,包括捕获机构、拉紧机构和锁合机构,主要完成对目标飞行器的捕获、抓取及释放等任务。末端效应器具有结构简单、兼容性好、在轨寿命长、可靠性高和相互性好等优点。

  为了实现高可靠性末端效应器控制系统,提出并设计了高可靠性独立控制系统,并且通过从软硬件的角度提高系统的可靠性;在高可靠性独立控制系统的基础上,设计了合理的容错控制策略。该系统能够完成对其准确测试。

  末端效应器机械机构的运动可以看作是一个点到点的运动,首先需要考虑在两个位置之间的运动轨迹,也就是运动规划问题,然后根据规划的运动要求进行执行器的控制,因此末端效应器的运动控制系统包括任务的运动规划和驱动机构的执行级控制。

  对于末端效应器的运动控制规划较为简单而且固定。为保证长期稳定可靠的工作,需要减少摩擦损耗,因此要保证运动应尽可能的平滑,也就是要求加速度要小并且变化平缓,速度变化也要平缓。在该要求下,最终的速度轨迹可以采用梯形、正弦形等形式,通过采样得到一组合适的轨迹点输入到控制输入端即可。一般情况下,速度控制的主要功能是通过有目的地限制加速度来减少轨迹误差。为避免驱动轴产生冲击、失步、超程和振荡,保证运动部件的平稳和准确定位,在启停阶段或各程序转接时,要进行加减速控制,以使进给速度平滑过渡。

  目前运动控制系统中常用的加减速规律包括很多,常见的加减速控制算法有直线、三角函数、指数、抛物线、S曲线加减速等算法。在本系统中采用了三角函数加减速规律,如图1所示。由于三角函数的计算复杂,不能满足数控系统实时性要求。可以事先对其进行处理,将其做成查找表的形式存放于内存中。

  由于三角函数加减速规律可以实现平滑运动,采用这种运动轨迹,使得控制更加容易,并且潜在里也会提高系统的控制精度,延长系统寿命。三角函数的最大加速度、速度等参数要结合电机的参数和负载情况进行选择。

  在确定了控制系统期望输入以后,关键是驱动机构的执行级控制问题,也就是无刷直流电机的控制问题。由于无刷直流电动机通过利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器,保留了直流电动机的优点,同时又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点,并且特别适合空间环境,因此我们这里主要考虑执行单元无刷直流电动机的控制问题。

  由于运动主要依靠机械机构传动,因此末端效应器控制系统性能要求主要考虑抵达位置的高精度。高精度主要指的是控制系统的稳态特性,也就是说要求系统的稳态误差要小,而对动态特性要求不高。

  由直流电机运动方程可知,在忽略摩擦阻尼的情况下,加速度与电动机的转矩成正比,而且转矩又与电机的电流成正比,因此,要实现电机的高精度高动态性能控制,就需要同时对电机的速度、电流及位置进行检测和控制。因此,本控制系统通过三闭环结构实现电机的运动控制,如图2所示。

  当电机处于运行状态时,给定的位置信号Ua与反馈位置信号Ub的偏差经过(位置环)PID调节得到速度的参考值Vg;控制器根据测出的反馈位置信息计算出当前转速,Vg与当前转速的偏差进行PI调节(速度环)得到电流的给定电压参考值Uig;电机绕组电流反馈信号经过电流传感器的检测得到当前主回路的电流反馈电压值Uif,将Uif与Uig进行PI计算,得到的电流调节器的输出去调节占空比,进而控制功率开关管的导通与关断,从而实现对无刷直流电动机位置、转速、电流或转矩的控制。

  在三闭环控制系统中,电流环和速度环均为内环,位置环为外环。电流环的作用是提高系统的快速性,抑制电流环内部干扰,限制最大电流保障系统安全运行,电流环采用PI调节器。速度环的作用是增加系统抗负载扰动的能力,抑制速度波动,速度环采用PI调节器。位置环的作用是保证系统静态精度和动态跟踪的性能,位置环采用PID控制。

  因为末端效应器的控制主要考虑位置精度,而对动态特性要求不高,因此本系统中采用了包含位置环在内的三闭环的控制方式。

  本系统的中心控制器采用的是DSPTMS320F2812芯片,此芯片内集成了A/D、PWM控制器、CAN控制器等功能模块,使得电机的控制相对简单。另外,采用高性能DSP为控制核心的电机系统具有性能优越、高可靠性、快速响应、体积小、重量轻等特点。在系统中设置了速度调节器和电流调节器,分别调节电机的转速和电流,两者之间实行串级连接,把速度调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制PWM装置。如图3即为基于DSP芯片TMS320F2812的实现框图。

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