四自由度直角坐标码垛机器人控制系统研究中控制系统仿真与示教

第4章控制系统仿真与示教

本章利用工程设计方法，对码垛机器人Z轴伺服控制系统利用Matlab绘制出了系统的开环Bode图和单位阶跃响应图，从而观察系统的响应情况。最后在Simulink环境下建立了Z轴交流伺服控制系统的仿真模型，进行仿真。

4.1伺服控制方式选择

一般来说伺服控制包含三种控制方式:即速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。由于码垛机器人最主要的是电机驱动各运动轴移动、定位，所以选择位置控制方式。位置控制方式是通过输入脉冲的频率确定电机转动速度的大小，而转动角度则是由输入脉冲的个数来确定。由于码垛机器人对位置的控制精度要求比较高，因此适用于对码垛机器人的定位控制。在码垛任务过程中，机械手爪应该以最快的速度从夹取货物到完成码垛，以便提高码垛机器人的工作效率。因此，码垛机器人对位置的定位要求比较高，对速度则没有很高的要求，采用位置控制方式即可保证机械手爪的定位精度。

4.2永磁同步电机

永磁同步电机包括无刷直流电机和交流正弦波永磁同步电机，先介绍他们的区别，了解这些区别之后才能选择更为合理的电机。

4.2.1永磁同步电机的分类

永磁无刷直流电机利用开关电路代替换向器和电刷，使结构变得更加简单，但是在切换电流的过程中会产生波动。而交流永磁同步电机输入的是正弦波，所以基本上不会有波动，输出信号平滑。

如果按照转子的结构将永磁同步电机分类的话，可以分为表贴式和内嵌式两种。下面简单介绍一下这两种用此同步电机的区别，永磁体是贴在转子表面上的就是表贴式同步电机，其最大的特点就是直轴的电感等于交轴的电感，而且转速高，磁极对数少。如果永磁体嵌入在转子内部，则为内嵌式永磁同步电机，由于永磁体嵌入在直轴内部，所以两轴的电感大小不相同。

4. 2. 2 PMSM与BDCM比较

无刷直流电机的制造成本低，结构特别简单。不能进行特别精确的控制，所以没法用于对位置控制高精度的码垛机器人的驱动交流永磁同步电动机调速范围宽，一般配置增量式光电编码器作为检测装置，而且基本上没有波动，所以PMSM特别适合用对控制要求高的场合。

由于伺服电机主要是驱动运动轴运动到相应的位置并且完成码垛任务，为了保证码垛的准确性，所以对定位精度有很高的要求，为了防止码垛过程出现差错，提高码垛效率，机器人在码垛的过程中需要适当的调速。所以选用交流永磁同步电机才能保证控制系统的优良品质。

4.2.3伺服控制原理

交流伺服控制中的三个环为闭环负反馈，从内到外依次为电流环、速度环和位置环，如图4.1所示。由三个闭环调节器的校正然后再进行功率放大，从而驱动电机转动现实位置伺服控制。