基于PMSM驅(qū)動的三軸機械臂運動控制的若干關(guān)鍵問題研究.pdf

1、機械臂捕捉運動目標技術(shù)具有廣泛地應用，對工業(yè)生產(chǎn)、航天和軍事應用等都具有重要意義，同時是發(fā)展和測試機器視覺與機械臂控制等技術(shù)的極具挑戰(zhàn)性的研究平臺。本文以機械臂捕捉運動目標為背景展開研究，完成機械臂系統(tǒng)設計和分析等工作，并針對機械臂軌跡跟蹤控制和關(guān)節(jié)驅(qū)動元件（永磁同步電機）的轉(zhuǎn)子初始位置估計和力矩控制（矢量控制）等關(guān)鍵問題進行研究。主要內(nèi)容包括:
　　根據(jù)設計指標，完成機械臂的結(jié)構(gòu)設計和驅(qū)動結(jié)構(gòu)選型。在此基礎(chǔ)上應用旋量方法建立了機

2、械臂的運動學正解、反解，完成工作空間分析，使用拉格朗日方法建立機械臂的動力學模型，并給出機械臂捕捉運動目標的軌跡規(guī)劃方法。最后使用MATLAB建立仿真模型，為機械臂運動目標捕捉的仿真研究奠定基礎(chǔ)。
　　為提高機械臂軌跡跟蹤控制的動態(tài)響應速度和參數(shù)失配情況下的魯棒性，將自適應引入有限時間控制提出機械臂自適應有限時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，解決了機械臂有限時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。
　　針對現(xiàn)有內(nèi)置式永磁同步電機(IPMSM)初始位置估計方法存在的設計過程復雜且實現(xiàn)難度較大的問題，提出了基于旋轉(zhuǎn)高頻信號注入、移相和傅氏算法的轉(zhuǎn)子初始位置估計方法。該方法使用移相和傅氏算法從響應電流中提取轉(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)上分析了工程應用中存在的隨機噪聲干擾、死區(qū)時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?shù)腜MW頻率和注入信號頻率）、平均濾波等方法改進算法實現(xiàn)。仿真和實驗結(jié)果表明，本研究所提出的轉(zhuǎn)子初始位置估計方法的估計結(jié)果較為準確，能夠滿足內(nèi)置式永磁同步電機的啟動要求，并且該方法相比傳統(tǒng)方法更容易實施、計算量更小，適合工程應用。
　　對永磁同步電機的矢量控制和數(shù)字實現(xiàn)進行深入研究。針對電流交叉耦合、參數(shù)失配以及數(shù)字實現(xiàn)帶來的輸出電壓滯后等問題對矢量控制造成的影響，提出了基于模型預測控制方法的電流控制策略。該方法利用MPC的預