基于PMSM驅(qū)動(dòng)的三軸機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的若干關(guān)鍵問題研究.pdf

1、機(jī)械臂捕捉運(yùn)動(dòng)目標(biāo)技術(shù)具有廣泛地應(yīng)用，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)、航天和軍事應(yīng)用等都具有重要意義，同時(shí)是發(fā)展和測(cè)試機(jī)器視覺與機(jī)械臂控制等技術(shù)的極具挑戰(zhàn)性的研究平臺(tái)。本文以機(jī)械臂捕捉運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為背景展開研究，完成機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析等工作，并針對(duì)機(jī)械臂軌跡跟蹤控制和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)元件（永磁同步電機(jī)）的轉(zhuǎn)子初始位置估計(jì)和力矩控制（矢量控制）等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究。主要內(nèi)容包括:
　　根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，完成機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)選型。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用旋量方法建立了機(jī)

2、械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解、反解，完成工作空間分析，使用拉格朗日方法建立機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型，并給出機(jī)械臂捕捉運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的軌跡規(guī)劃方法。最后使用MATLAB建立仿真模型，為機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)目標(biāo)捕捉的仿真研究奠定基礎(chǔ)。
　　為提高機(jī)械臂軌跡跟蹤控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和參數(shù)失配情況下的魯棒性，將自適應(yīng)引入有限時(shí)間控制提出機(jī)械臂自適應(yīng)有限時(shí)間軌跡跟蹤控制方法。仿真結(jié)果表明:本研究所提出的方法在保證軌跡跟蹤的收斂速度的同時(shí)，解決了機(jī)械臂有限時(shí)間軌跡跟蹤控制方法在

3、參數(shù)失配情況下控制性能惡化的問題。
　　針對(duì)現(xiàn)有內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(IPMSM)初始位置估計(jì)方法存在的設(shè)計(jì)過程復(fù)雜且實(shí)現(xiàn)難度較大的問題，提出了基于旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)注入、移相和傅氏算法的轉(zhuǎn)子初始位置估計(jì)方法。該方法使用移相和傅氏算法從響應(yīng)電流中提取轉(zhuǎn)子位置初步估算值，利用磁路飽和特性獲得轉(zhuǎn)子磁極方向，最后綜合得到轉(zhuǎn)子初始位置。在此基礎(chǔ)上分析了工程應(yīng)用中存在的隨機(jī)噪聲干擾、死區(qū)時(shí)間和電壓輸出滯后等問題，提出使用移位代替移相濾波器（通過選擇

4、適當(dāng)?shù)腜MW頻率和注入信號(hào)頻率）、平均濾波等方法改進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本研究所提出的轉(zhuǎn)子初始位置估計(jì)方法的估計(jì)結(jié)果較為準(zhǔn)確，能夠滿足內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的啟動(dòng)要求，并且該方法相比傳統(tǒng)方法更容易實(shí)施、計(jì)算量更小，適合工程應(yīng)用。
　　對(duì)永磁同步電機(jī)的矢量控制和數(shù)字實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入研究。針對(duì)電流交叉耦合、參數(shù)失配以及數(shù)字實(shí)現(xiàn)帶來的輸出電壓滯后等問題對(duì)矢量控制造成的影響，提出了基于模型預(yù)測(cè)控制方法的電流控制策略。該方法利用MPC的預(yù)