水平關(guān)節(jié)型機(jī)械臂專用永磁交流伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、水平關(guān)節(jié)型機(jī)械臂(SCARA)因其結(jié)構(gòu)簡單、重復(fù)精度高、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點而在機(jī)械加工、物品搬運(yùn)、PCB焊接等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但因機(jī)械臂工況的特殊性，機(jī)械臂對其關(guān)節(jié)永磁交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)提出了更高精度、更快響應(yīng)速度等高端性能指標(biāo)要求，這是目前國內(nèi)現(xiàn)有通用永磁交流伺服系統(tǒng)及技術(shù)所不能滿足的，這成為了國內(nèi)機(jī)械臂研發(fā)的瓶頸問題之一。對此，為了滿足機(jī)械臂的高速高精度驅(qū)動，本文從如何提高伺服系統(tǒng)的定位精度和響應(yīng)速度兩個關(guān)鍵技術(shù)展開研究。

2、　　首先，從SCARA機(jī)械臂整體設(shè)計出發(fā)，在調(diào)研和分析了國內(nèi)外諸多廠家設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用場合提出了一種電機(jī)、驅(qū)動器、光電編碼器和機(jī)械臂本體一體化高度集成的SCARA機(jī)械臂設(shè)計方案。該方案具有光機(jī)電集成度高、成本低、體積較小等優(yōu)點。
　　其次，針對SCARA機(jī)械臂的應(yīng)用工況，在傳統(tǒng)的基于空間矢量調(diào)制算法的三閉環(huán)控制策略的基礎(chǔ)上提出了一種適合SCARA機(jī)械臂的高速高精度驅(qū)動定位控制策略:第一，為了獲得較大的啟動力矩來實現(xiàn)高響應(yīng)

3、啟動，將高頻注入法引入到電機(jī)的初始位置檢測中，采用外差法提取轉(zhuǎn)子的位置信息，并設(shè)計了一個零滯后且零穩(wěn)態(tài)誤差的位置跟蹤器。第二，為了獲得機(jī)械臂關(guān)節(jié)的初始位置并提高位置定位控制的精度，提出了一種新的特殊規(guī)律的混合式編碼器設(shè)計方法，并基于此提出了一種基于混合式雙編碼器集成的SCARA機(jī)械臂關(guān)節(jié)實時位置檢查方法。第三，為了減小擾動對伺服驅(qū)動系統(tǒng)定位性能造成的影響，采用自抗擾思想設(shè)計了位置速度一體控制的二階自抗擾控制器取代傳統(tǒng)的PI控制。最后，集

4、成這三種控制算法的優(yōu)勢，設(shè)計了具備高響應(yīng)高精度驅(qū)動特點的機(jī)械臂關(guān)節(jié)專用位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)。
　　然后，為了驗證方案的可行性，基于Matlab/Simulik搭建了內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)、基于高頻注入法的位置觀測器等仿真模型，并進(jìn)行了仿真分析。由仿真結(jié)果知，在零速情況下轉(zhuǎn)子位置估算誤差在1.8度（電角度）以內(nèi);在低速情況下轉(zhuǎn)子位置估算誤差在10度（電角度）以內(nèi)。因此，采用高頻信號注入法，能夠有效實現(xiàn)電機(jī)在零速和低速情況下轉(zhuǎn)子位置的自檢測。

5、
　　最后，本文結(jié)合控制算法設(shè)計了驅(qū)動器樣機(jī)，它由控制核心及其外圍電路、PWM隔離驅(qū)動電路、電流采樣電路、位置檢測電路和通信電路等電路組成?；诖?，以SCARA機(jī)械臂的X軸關(guān)節(jié)為實驗對象，分別進(jìn)行了電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測、機(jī)械臂關(guān)節(jié)初始位置檢測、機(jī)械臂關(guān)節(jié)定位控制和機(jī)械臂關(guān)節(jié)抗擾動實驗。由實驗結(jié)果可知，電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置估算誤差在8度（電角度）以內(nèi);機(jī)械臂關(guān)節(jié)初始位置檢測結(jié)果與人為給定的初始位置一致;基于混合式雙編碼器集成的機(jī)械臂關(guān)節(jié)