一种机器人关节伺服电机柔顺控制方法与流程

1.本发明涉及机器人关节控制领域，特别是指一种机器人关节伺服电机柔顺控制方法。


背景技术：

2.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系统实现机器人关节的高精度控制。
3.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，然而当系统作用于一些刚性变化较大或者负载受力突变时，系统调节时间较慢，会产生超调。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了机器人关节伺服电机柔顺控制方法，能够显著减小机器人关节伺服控制系统在机器人关节末端负载转矩突变时的动态调节时间。
5.本发明实施例提供了一种机器人关节伺服电机柔顺控制方法，包括：
6.s101，建立符合机器人关节柔顺控制标准的永磁同步电机数学模型；
7.s102，根据建立的永磁同步电机数学模型，确定电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系；
8.s103，若机器人关节末端负载转矩突变，判断负载转矩变化量是否超过预先设定的阈值；
9.s104，若超过预先设定的阈值，则根据建立的永磁同步电机数学模型及确定的电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系，确定逆变器矢量变换的时刻。
10.进一步地，建立的永磁同步电机数学模型包括：三项永磁同步电机d轴和q轴电压方程、磁链方程、永磁同步电机电磁转矩方程及电机运动学方程；其中，
11.三项永磁同步电机d轴和q轴电压方程为：
[0012][0013]
磁链方程为：
[0014][0015]
永磁同步电机电磁转矩方程为：
[0016][0017]
电机运动学方程为：
[0018][0019]
其中，u
d
、u
q
分别表示d轴电压、q轴电压，r
s
表示定子等效电阻，p为微分算子，ω
t
表示t时刻的电机角速度，i
d
、i
q
分别表示d轴电流、q轴电流，l
d
、l
q
分别表示d轴、q轴定子等效电感，ψ
f
为转子总磁链矢量，ψ
d
、ψ
q
分别为电机定子磁链d轴和q轴分量，j表示电机转子的转动惯量，t
e
表示电磁转矩，t
l
表示负载转矩，b0表示摩擦系数，p
n
为电机极对数。
[0020]
进一步地，电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系表示为：
[0021][0022]
其中，ω
t
′
表示t
′
时刻的电机角速度；
[0023]
忽略摩擦系数b0，得到电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系为：
[0024][0025]
进一步地，所述负载转矩突变包括：负载转矩突增和负载转矩突减；其中，
[0026]
负载转矩突增时，电磁转矩上升过程中电机转子的角动量与转矩冲量满足：
[0027][0028]
负载转矩突增时，电磁转矩下降过程中电机转子的角动量与转矩冲量满足：
[0029][0030]
其中，s1为负载突增时，t0至t1时刻电磁转矩与负载转矩包围的面积；s2为负载突增时，t1至t3时刻电磁转矩与负载转矩包围的面积；ω
t0
、ω
t1
、ω
t3
分别为电机在t0、t1、t3时刻的角速度。
[0031]
进一步地，负载转矩突减时，电磁转矩下降过程中电机转子的角动量与转矩冲量满足：
[0032][0033]
负载转矩突减时，电磁转矩上升过程中电机转子的角动量与转矩冲量满足：
[0034][0035]
其中，s1′
为负载突减时，t0至t1时刻电磁转矩与负载转矩包围的面积；s2′
为负载突减时，t1至t3时刻电磁转矩与负载转矩包围的面积；ω
t0
、ω
t1
、ω
t3
分别为电机在t0、t1、t3时刻的角速度。
[0036]
进一步地，所述若超过预先设定的阈值，则根据建立的永磁同步电机数学模型及确定的电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系，确定逆变器矢量变换的时刻包括：
[0037]
若负载转矩在t0时刻发生突增，且突增量超过设定阈值，则在t0时刻控制逆变器发送前进矢量直至t2时刻，以斜率为k1的速度线性增加电磁转矩，当电磁转矩等于负载转矩时，记该时刻为t1时刻，根据角动量公式l
t
＝jω
t
，得到t1、t2、t3时刻的角动量分别为l
t1
、l
t2
、l
t3
，并根据永磁同步电机的数学模型，计算t1到t3时刻的电磁转矩与负载转矩的冲量根据得到的l
t1
、l
t2
、l
t3
及i，由永磁同步电机数学模型及电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系计算出电磁转矩下降的时刻t2和t3，其中，在t2时刻，控制逆变器发送后退矢量直至t3时刻，以斜率k2的速度线性减小电磁转矩，直至电磁转矩重新等于突变后的负载转矩，此时记为t3时刻，该时刻电机转速重新达到稳定，并返回继续执行s103。
[0038]
进一步地，斜率k1表示为：
[0039][0040]
其中，k1表示电磁转矩上升斜率；t
e0
、t
et1
分别表示t0时刻、t1时刻的电磁转矩；t1为电磁转矩增加过程中，电磁转矩等于负载转矩的时刻，t1由下式确定：
[0041][0042]
其中，i
qt
表示电磁转矩增加时t时刻q轴的电流，i
qt0
、i
qt1
分别表示t0时刻、t1时刻的q轴电流；
[0043]
斜率k2表示为：
[0044][0045]
其中，k2表示电磁转矩下降斜率；t
e2
、t
et3
分别表示t2时刻、t3时刻的电磁转矩；t3为电磁转矩减小过程中，电磁转矩重新等于突变后的负载转矩的时刻；t2、t3由下式确定：
[0046][0047]
其中，i
′
qt
表示电磁转矩减小时t时刻q轴的电流，由于t2为电磁转矩变化转折点，所以i
′
qt2
＝i
qt2
，i
′
qt2
、i
′
qt3
分别表示t2时刻、t3时刻的q轴电流，i
qt2
表示t2时刻的q轴电流，t
lt3
表示t3时刻的负载转矩。
[0048]
进一步地，所述根据建立的永磁同步电机数学模型及确定的电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系，确定逆变器矢量变换的时刻包括：
[0049]
若负载转矩在t0时刻发生突减，且突减量超过设定阈值，在t0时刻控制逆变器发送后退矢量直至t2时刻，以斜率为k3的速度线性减小电磁转矩，当电磁转矩等于负载转矩时，记该时刻为t1时刻，根据角动量公式l
t
＝jω
t
，得到t1、t2、t3时刻的角动量分别为l
t1
、l
t2
、l
t3
，并根据永磁同步电机的数学模型，计算t1到t3时刻的电磁转矩与负载转矩的冲量根据得到的l
t1
、l
t2
、l
t3
及i，由永磁同步电机数学模型及电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系计算出电磁转矩增加的时刻t2和t3，其中，在t2时刻，控制逆变器发送前进矢量直至t3时刻，以斜率k4的速度线性增加电磁转矩，直至电磁转矩重新等于突变后的负载转矩，此时记为t3时刻，该时刻电机转速重新达到稳定，并返回继续执行s103。
[0050]
进一步地，所述方法还包括：
[0051]
若负载转矩在t0时刻的变化量不超过预先设定的阈值，则机器人关节伺服控制系统采用矢量控制。
[0052]
进一步地，所述方法还包括：
[0053]
在负载转矩突变之前，机器人关节伺服控制系统采用矢量控制。
[0054]
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0055]
本发明实施例中，建立符合机器人关节柔顺控制标准的永磁同步电机数学模型；根据建立的永磁同步电机数学模型，确定电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系；若机器人关节末端负载转矩突变，判断负载转矩变化量是否超过预先设定的阈值；若超过预先设定的阈值，则根据建立的永磁同步电机数学模型及确定的电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系，确定逆变器矢量变换的时刻。这样，根据建立的永磁同步电机数学模型及确定的电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系，确定逆变器矢量变换的时刻，能够显著减小机器人关节伺服控制系统在机器人关节末端负载转矩突变时的动态调节时间，使得系统在最短的时间内恢复稳定，从而显著提高系统的动态调节性能、机器人关节的控制精度和抗干扰能力，解决负载转矩变化较大时永磁同步电机矢量控制系统的超调问题。
附图说明
[0056]
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。
[0057]
图1为本发明实施例提供的机器人关节伺服电机柔顺控制方法的流程示意图；
[0058]
图2为本发明实施例提供的负载转矩突增时电机转速与转矩变化过程示意图；
[0059]
图3为本发明实施例提供的负载转矩突减时电机转速与转矩变化过程示意图。
具体实施方式
[0060]
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。
[0061]
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柔顺控制方法，方法包括：
[0062]
s101，建立符合机器人关节柔顺控制标准的永磁同步电机数学模型；
[0063]
s102，根据建立的永磁同步电机数学模型，确定电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系；
[0064]
s103，若机器人关节末端负载转矩突变，判断负载转矩变化量是否超过预先设定的阈值；
[0065]
s104，若超过预先设定的阈值，则根据建立的永磁同步电机数学模型及确定的电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系，确定逆变器矢量变换的时刻。
[0066]
本发明实施例所述的机器人关节伺服电机柔顺控制方法，建立符合机器人关节柔顺控制标准的永磁同步电机数学模型；根据建立的永磁同步电机数学模型，确定电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系；若机器人关节末端负载转矩突变，判断负载转矩变化量是否超过预先设定的阈值；若超过预先设定的阈值，则根据建立的永磁同步电机数学模型及确定的电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系，确定逆变器矢量变换的时刻。这样，根据建立的永磁同步电机数学模型及确定的电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系，确定逆变器矢量变换的时刻，能够显著减小机器人关节伺服控制系统在机器人关节末端负载转矩突变时的动态调节时间，使得系统在最短的时间内恢复稳定，从而显著提高系统的动态调节性能、机器人关节的控制精度和抗干扰能力，解决负载转矩变化较大时永磁同步电机矢量控制系统的超调问题。
[0067]
在机器人关节伺服电机转速稳定情况下，当机器人关节末端负载转矩突变时，采用本实施例提供的基于角动量与转矩冲量平衡的机器人关节伺服电机柔顺控制方法能够实现机器人关节柔顺控制。
[0068]
在前述机器人关节伺服电机柔顺控制方法的具体实施方式中，进一步地，建立的永磁同步电机数学模型包括：三项永磁同步电机d轴和q轴电压方程、磁链方程、永磁同步电机电磁转矩方程及电机运动学方程；其中，
[0069]
三项永磁同步电机d轴和q轴电压方程为：
[0070][0071]
磁链方程为：
[0072][0073]
永磁同步电机电磁转矩方程为：
[0074][0075]
电机运动学方程为：
[0076][0077]
其中，u
d
、u
q
分别表示d轴电压、q轴电压，r
s
表示定子等效电阻，p为微分算子，ω
t
表示t时刻的电机角速度，i
d
、i
q
分别表示d轴电流、q轴电流，l
d
、l
q
分别表示d轴、q轴定子等效电感，ψ
f
为转子总磁链矢量，ψ
d
、ψ
q
分别为电机定子磁链d轴和q轴分量，j表示电机转子的转动惯量，t
e
表示电磁转矩，t
l
表示负载转矩，b0表示摩擦系数，p
n
为电机极对数。
[0078]
本实施例中，对于表贴式的永磁同步电机，l
d
＝l
q
＝l，其中，l
d
、l
q
分别表示d轴、q轴定子等效电感，l表示d轴、q轴定子等效电感。
[0079]
本实施例中，在永磁同步电机数学模型的基础上，根据电机动力学方程提出一种机器人关节伺服控制系统负载转矩突变时动态调节控制方法；该动态调节控制方法建立在机器人关节伺服电机转速稳定情况下，机器人关节末端负载力矩突变。采用本发明，能够显著提高感机器人关节末端负载力矩突变时的动态调节时间。
[0080]
在前述机器人关节伺服电机柔顺控制方法的具体实施方式中，进一步地，电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系表示为：
[0081][0082]
其中，ω
t
′
表示t
′
时刻的电机角速度；
[0083]
忽略摩擦系数b0，得到电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系为：
[0084][0085]
本实施例中，转矩冲量为电磁转矩与负载转矩的冲量。
[0086]
在前述机器人关节伺服电机柔顺控制方法的具体实施方式中，进一步地，所述负载转矩突变包括：负载转矩突增和负载转矩突减；其中，
[0087]
图2为负载突增时电机转速与转矩变化过程示意图，负载转矩突增时，电磁转矩上升过程中电机转子的角动量与转矩冲量满足：
[0088]
[0089]
负载转矩突增时，电磁转矩下降过程中电机转子的角动量与转矩冲量满足：
[0090][0091]
其中，s1为负载突增时，t0至t1时刻电磁转矩与负载转矩包围的面积；s2为负载突增时，t1至t3时刻电磁转矩与负载转矩包围的面积；ω
t0
、ω
t1
、ω
t2
、ω
t3
分别为电机在t0、t1、t2、t3时刻的角速度，如图2所示。
[0092]
在前述机器人关节伺服电机柔顺控制方法的具体实施方式中，进一步地，图3为负载突减时电机转速与转矩变化过程示意图，负载转矩突减时，电磁转矩下降过程中电机转子的角动量与转矩冲量满足：
[0093][0094]
负载转矩突减时，电磁转矩上升过程中电机转子的角动量与转矩冲量满足：
[0095][0096]
其中，s1′
为负载突减时，t0至t1时刻电磁转矩与负载转矩包围的面积；s2′
为负载突减时，t1至t3时刻电磁转矩与负载转矩包围的面积；ω
t0
、ω
t1
、ω
t2
、ω
t3
分别为电机在t0、t1、t2、t3时刻的角速度，如图3所示。
[0097]
本实施例中，假设机器人关节末端负载转矩t
l
在t0时刻发生突变，变为t
l
′
，则在t0时刻之前，机器人关节伺服系统为矢量控制系统，采用矢量控制。
[0098]
本实施例中，在t0时刻，负载转矩t
l
突变为t
l
′
后，判断负载转矩在t0时刻的变化量
△
t
l
(
△
t
l
＝t
l
′‑
t
l
)是否超过预先设定的阈值，若不超过预先设定的阈值，则电机负载转矩变化较小，对电机转速影响较小，机器人关节伺服控制系统仍然采用矢量控制。若超过预先设定的阈值，则按照s104实现机器人关节柔顺控制。
[0099]
本实施例中，所述预先设定的阈值为负载转矩稳态变化阈值。
[0100]
在前述机器人关节伺服电机柔顺控制方法的具体实施方式中，进一步地，所述若超过预先设定的阈值，则根据建立的永磁同步电机数学模型及确定的电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系，确定逆变器矢量变换的时刻包括：
[0101]
若负载转矩在t0时刻发生突增，且突增量
△
t
l
超过设定阈值，则在t0时刻控制逆变器发送前进矢量直至t2时刻，以斜率为k1的速度线性增加电磁转矩，在电磁转矩小于负载转矩的过程中，电机的转速一直下降，当电磁转矩等于负载转矩时，电机转速下降到最低值，记该时刻为t1时刻，根据角动量公式l
t
＝jω
t
，得到t1、t2、t3时刻的角动量分别为l
t1
、l
t2
、l
t3
，并根据永磁同步电机的数学模型，计算t1到t3时刻的电磁转矩与负载转矩的冲量根据得到的l
t1
、l
t2
、l
t3
及i，由永磁同步电机数学模型及电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系计算出电磁转矩下降的时刻t2和t3，在t2时刻，控制逆变器发送后退矢量直至t3时刻，以斜率k2的速度线性减小电磁转矩，直至电磁转矩重新等于突变后的负载转矩，此时记为t3时刻，该时刻电机转速重新达到稳定，并返回继续执行s103。
[0102]
本实施例中，根据建立的永磁同步电机数学模型得到：
[0103][0104]
其中，u
d
、u
q
分别表示d轴电压、q轴电压，r
s
表示定子等效电阻，ω
t
表示t时刻的电机角速度，i
d
、i
q
分别表示d轴电流、q轴电流，l表示d轴、q轴定子等效电感，ψ
f
为转子总磁链矢量。
[0105]
进一步地，由上式可以得到：
[0106][0107]
其中，为q轴电流对时间t的二阶导函数和一阶导函数，表示q轴电压对时间t的一阶导函数。
[0108]
此表达式在电磁转矩上升和下降时均适用。
[0109]
基于上述表达式，t1时刻可以由以下式子得到：
[0110][0111]
根据得到的t1时刻，进而确定电磁转矩上升斜率其中，k1表示电磁转矩上升斜率；t
e0
、t
et1
分别表示t0时刻、t1时刻的电磁转矩；t1为电磁转矩增加过程中，电磁转矩等于负载转矩的时刻，i
qt
表示电磁转矩增加时t时刻q轴的电流，i
qt0
、i
qt1
分别表示t0时刻、t1时刻的q轴电流；
[0112]
电磁转矩下降时间t2、t3可由以下式子得到：
[0113][0114]
根据得到的t2、t3时刻，可以得到电磁转矩下降斜率其中，k2表示电磁转矩下降斜率；t
e2
、t
et3
分别表示t2时刻、t3时刻的电磁转矩；t3为电磁转矩减小过程中，
电磁转矩重新等于突变后的负载转矩的时刻；i
′
qt
表示电磁转矩减小时t时刻q轴的电流，由于t2为电磁转矩变化转折点，所以i
′
qt2
＝i
qt2
，i
′
qt2
、i
q
′
t3
分别表示t2时刻、t3时刻的q轴电流，i
qt2
表示t2时刻的q轴电流，t
lt3
表示t3时刻的负载转矩；t
lt3
表示t3时刻的负载转矩。本实施例中，根据建立的永磁同步电机数学模型及确定的电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系，确定电磁转矩需要增大和减小的时刻及电磁转矩上升和下降斜率。
[0115]
在前述机器人关节伺服电机柔顺控制方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据建立的永磁同步电机数学模型及确定的电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系，确定逆变器矢量变换的时刻包括：
[0116]
若负载转矩在t0时刻发生突减，且突减量
△
t
l
超过设定阈值，在t0时刻控制逆变器发送后退矢量直至t2时刻，以斜率为k3的速度线性减小电磁转矩，在电磁转矩大于负载转矩的过程中，电机的转速一直增加，当电磁转矩等于负载转矩时，电机转速上升到最大值，记该时刻为t1时刻，根据角动量公式l
t
＝jω
t
，得到t1、t2、t3时刻的角动量分别为l
t1
、l
t2
、l
t3
，并根据永磁同步电机的数学模型，计算t1到t3时刻的电磁转矩与负载转矩的冲量根据得到的l
t1
、l
t2
、l
t3
及i，由永磁同步电机数学模型及电机转子的角动量与转矩冲量的平衡关系计算出电磁转矩增加的时刻t2和t3，其中，在t2时刻，控制逆变器发送前进矢量直至t3时刻，以斜率k4的速度线性增加电磁转矩，直至电磁转矩重新等于突变后的负载转矩，此时记为t3时刻，该时刻电机转速重新达到稳定，并返回继续执行s103。
[0117]
本实施例中，可以按照求解负载转矩突增时，t1、t2、t3的方法，求解负载转矩突减时，电磁转矩下降以及上升的时刻，并进而得到斜率k3和k4。
[0118]
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。