新型滑模控制框架下的的工业机器人关节伺服控制方法分析

本文对传统变指数趋近率表达式做了改进，并针对位置速度闭环的控制设计了新型滑模控制器。详细分析了工业机器人伺服控制系统的驱动原理，在传统滑模控制算法的基础上对趋近运动的响应过程进行了优化，并在 MATLAB/Simulink 软件中创建了基于四组不同控制器的伺服系统仿真模型来对比分析，即传统滑模控制伺服系统模型、阻尼比大于 1 的 PI 控制伺服系统模型、最佳参数比的 PI 控制伺服系统和新型滑模控制伺服系统模型，其仿真结果表明了以新型滑模控制为基准的伺服系统模型在响应速率、定位精度、抗干扰性和稳定性方面更具有优势。
1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着大数据处理技术、自动化控制技术和智能技术等方面的不断完善，制造工业正处于升级转型背景，我们也即将迎来更人工智能化的时代，尤其是集成了电力电子、机械制造、控制工程等专业为一身的工业机器人领域，各国相继发布了适合国情的相关政策，即“工业 4.0”、“再工业化”和“2025 规划”等[1]。国内的工业机器人伺服控制技术引进时间比较晚，像汽车行业、电子产品等高端邻域所使用的工业机器人仍然依靠国外技术的支持，而在机械加工、塑料化工等技术含量不高的行业则更多使用国产工业机器人[2,3]。虽然我国大部分工业机器人的重要零件来源于国际进口，但国内机器人的控制技术发展迅速且需求量极大，在最新的市场牵引作用下，机器人核心技术的自主研发和应用邻域势必会得到更进一步的突破和拓展。PMSM 具备了极高的转矩电流比、较小的转动惯量、简单的机械构造、较高的功率转换率、散热性好和容易维护等优点[4,5]，逐渐成为了伺服控制系统中驱动装置的首要选择。永磁同步电机结构中永磁体的材料-钕铁硼-在我国的存储量约占全球百分之八十，这样的优势能大大消除研究人员面临资源不充足的顾虑，为深入研究电机控制领域打下良好的基础条件。在工业机器人伺服系统的驱动层中，控制器内部的传统算法大部分选取 PID 控制，但机械设备在实际环境中运行时，是避免不了内部的参数和外界负载的突变、机械传动设备间的摩擦震动以及外界电磁等因素干扰。而传统 PID 控制器对这些干扰因素的自适应能力比较弱，在滞后现象出现时不能及时保证伺服控制系统的稳定性和控制精度。因此，国内外学术者结合了很多优秀的现代控制理论算法来设计新型控制器从而提高伺服系统的鲁棒性，其中，滑模变结构控制算法便是现代控制理论中鲁棒性较强的代表之一。本文主要以工业机器人关节伺服系统的伺服驱动装置为控制对象，基于新型滑模控制来设计的伺服驱动系统，能根据反馈信息来快速、精准、稳定地实时控制伺服电机物理量的输出，从而得到具备更快响应性、更强鲁棒性的系统。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 伺服驱动装置发展

伺服电机的发展会直接影响着工业机器人伺服系统的控制技术发展，所以，研究高性能的驱动装置也很有必要。伺服电机是根据驱动器的驱动指令来完成关节转矩、转速等变量的输出，其主要有三个发展阶段:最早时期，数控机床和工业机器人的系统控制方法为开环形式，选用步进电机、电液马达作为伺服驱动机构，但转矩较小、噪声大等问题限制了实际的应用场合；在上世纪六十至七十年代期间，直流伺服电流由于其电枢和励磁相互间没有磁耦合，可通过电流直接控制的特点使伺服系统的控制技术迎来了鼎盛阶段，即系统的控制方式为闭环形式，广泛应用于很多驱动设备中，然而，固有的机械构造也造成了高维护成本、易产生电火花和局限性应用等问题；时至今日，拥有更高可靠性、更好稳定性的交流伺服系统的使用率远远大于了直流伺服系统的应用率。由于不断完善的电力电子技术和高精度设备等，也让交流伺服系统成为了航空、医疗、农业等多行业重要的组成部分[6,7]。并且，随着永磁材料的开发技术在不断地提高，具备励磁效率更高、机械体积更小等优良特性的 PMSM 也逐渐应用于交流伺服系统的驱动装置中。

2 PMSM 原理及矢量控制技术

由于 PMSM 系统的物理结构有着较强耦合性和多变量等的特点，直接建立数学模型会有一定难度。本章采用坐标变换法分析了电机的空间结构，从而建立了滑模控制器所需的电机模型，分析矢量控制不同控制策略后选取 id=0 的方式来阐述工业机器人关节伺服系统的控制原理，以及空间矢量脉宽调制技术的工作原理介绍和仿真的验证。

2.1 永磁同步电机数学模型

2.1.1 永磁同步电机基本结构

PMSM 三相定子的电枢绕组与传统同步电机的绕组方式一样，均属于角度间隔120°的星型链接方式。而不同之处在于转子采用了永磁体材料来产生励磁磁场，它的磁导率类似真空状态的磁导率，不仅简化了电机结构，还提高了寿命使用率。此外，永磁体的形状和安装方式直接影响了励磁磁场和控制方式，若依据永磁体在电机转子上不同的安装位置进行分类，大致为表贴式、嵌入式、内置式[29]。如图 2.1 所示。

2.2 工业机器人关节伺服系统的矢量控制

由德国学者提出的矢量控制，其主要原理是让伺服电机中的定子电流在坐标变换的作用下，解耦成夹角 90°独立的励磁电流和转矩电流，即 dq 轴变量，从而达到类似直流电机控制的方式来控制 PMSM 跟踪信号过程的目的[33,34]。以磁场定向为基准的矢量控制方法按照系统调速范围划分，有恒定磁链控制、id=0 控制、功率因数取 1控制(cosØ=1)、最大的转矩电流比控制(MTPA)以及弱磁控制等[35]。id=0 的控制方法是将直轴电流的数值保持为零，在定子电流的矢量全部投影到交轴时可以得到电磁转矩的峰值，实验只需要改变交轴电流值的大小就能保证伺服系统拥有较高的转矩输出、快速的响应能力。最大转矩电流比控制的目的是在输出转矩达到要求值时计算此时可取的最小电流值，从而达到降低电机的铜耗输出，该方法虽延长了设备使用寿命，但鲁棒性能有待提高。cosØ=1 控制的思路是通过调节作用保证电压矢量与定子的电流矢量具有相同空间的位姿，该控制方案虽然增大了逆变器件的利用率，但也增大了对电机的控制难度和减小了电磁转矩输出量，还有待改进的地方。恒定磁链方法的目的是保证电机内部空间所产生的磁链接近气隙磁链，其调控方式则是控制交直轴上的定子电流数值，虽然这种控制方法提高了输出转矩，但直轴电流数值会一定程度阻碍电磁转矩输出量。而弱磁控制的目的是增大电机调速范围，可知电机内部电路产生的反电动势与转速是成正比的，当电机定子绕组的电压达到额定电压值时，即恒压状态，反电动势也将不变，这无疑限制了转速的提升。因此，弱磁控制能够提升速度的原因便是直接调控直轴电流的数值来达到减弱励磁磁场所带来的阻力影响的目的，该方法的缺点是随着转速的上升输出转矩会越来越小。

3 工业机器人关节伺服系统的新型滑模控制器设计............................................................................17

3.1 滑模变结构控制理论基础.........................................................................................................17

3.2 工业机器人关节伺服系统的新型滑模控制器设计................................................................ 18

3.3 系统仿真分析............................................................................................................................. 21

3.4 本章小结..................................................................................................................................... 24

4 工业机器人关节伺服系统硬件设计....................................................................................................27

4.1 总体硬件设计方案.....................................................................................................................27

4.2 STM32F103RCT6 及其外围电路...............................................................................................27

4.3 电源电路模块............................................................................................................................. 29

4.4 功率驱动及逆变电路设计.........................................................................................................30

5 工业机器人关节伺服系统软件设计....................................................................................................37

5.1 软件开发环境简介.....................................................................................................................37

5.2 主控芯片模块初始化及系统主程序设计.................................................................................38

5.3 软件部分功能模块设计及数据处理.........................................................................................41

5.4 系统中断子程序设计.................................................................................................................49

6 实验结果与分析.................................................................................................................................... 53

6.1 工业机器人关节伺服系统的实验平台.....................................................................................53

6.2 相电流波形检测......................................................................................................................... 53

6.3 速度环波形检测......................................................................................................................... 55

6.4 转子定位实验............................................................................................................................. 56

6.5 本章小结..................................................................................................................................... 57

6 实验结果与分析

经过前五章对工业机器人关节伺服系统的理论知识点分析、仿真模型检验和实验平台设计后，本章在软硬件平台基础上进行伺服系统的实验检测和参数调整，来进一步获取更完善的控制程序。

6.1 工业机器人关节伺服系统的实验平台

工业机器人关节伺服系统的实验平台如图 6.1 所示，其中包括了平板电脑(上位机)、PMSM、控制开发板、示波器和仿真下载器等仪器设备。电机内部自带 1250 线式增量正交编码器，通过 220 伏交流转 24 伏直流电源转换器给控制系统供电，三相逆变电路的功率器件频率为 16KHZ，电流的采样频率设为 16KHZ，位置速度环的采样时间设定为 2ms，实验的数据采集和波形显示由 TDS 2022C 数字存储示波器负责。

7 总结与展望

本文在对工业机器人关节伺服系统驱动层的控制策略方法有一定调研的基础上，选用了鲁棒控制中滑模控制作为位置速度调节器的核心算法，将基于新型趋近率的滑模控制器、矢量控制策略、SVPWM 调制算法等技术运用到 PMSM 控制中，从而实现驱动装置的快速响应、精准定位和较强的鲁棒性。为了完成理论设计到实际工程应用的转换，研究的工作主要从以下方面着手:

1) 调研了工业机器人伺服系统及其主要结构的国内外研究现状，着重对比分析了伺服系统目前所使用的几种控制策略优缺点，从而确定了以改进型趋近率为核心的滑模控制作为伺服系统中驱动层控制器的核心算法。介绍了伺服驱动电机的相关原理和机械结构，结合坐标变换原理、id=0 的矢量控制方案和空间电压脉宽调制算法搭建了关节伺服系统的基本理论构架，并仿真验证了 SVPWM 调制算法的可行性。为后续实验平台的设计工作提供了理论支持。

2) 本文对传统变指数趋近率表达式做了改进，并针对位置速度闭环的控制设计了新型滑模控制器。详细分析了工业机器人伺服控制系统的驱动原理，在传统滑模控制算法的基础上对趋近运动的响应过程进行了优化，并在 MATLAB/Simulink 软件中创建了基于四组不同控制器的伺服系统仿真模型来对比分析，即传统滑模控制伺服系统模型、阻尼比大于 1 的 PI 控制伺服系统模型、最佳参数比的 PI 控制伺服系统和新型滑模控制伺服系统模型，其仿真结果表明了以新型滑模控制为基准的伺服系统模型在响应速率、定位精度、抗干扰性和稳定性方面更具有优势。

3) 根据前三章的理论知识设计了工业机器人关节伺服系统的软硬件平台。硬件电路包括了以 STM32F103 芯片为中心的主控电路、功率驱动电路、三相逆变电路、三电阻采样电路、电源供电电路和 PMSM 等模块；伺服控制系统的软件程序主要是无限循环判断电机状态的主程序和自定义的中断子程序，实现了六路互补自带死区的PWM 波的实时更新、滑模控制器实时输出给定电流值和 ADC 采集电流信号、电压信号等功能。

4) 完成了伺服控制系统的硬件平台的性能检测。将调试成功的软件程序烧录进硬件实验平台，对 PMSM 做了空载负载的电流、速度和转子定位实验，并通过实验检测过程中的变量波形图进一步完善程序代码，实验结果表明，本文设计的基于新型滑模控制器的关节伺服系统具有快速的响应能力、精准的定位性和很好的过载能力，具有一定工程上的应用性。