基于Simulink的復合驅動(dòng)機器人關(guān)節臂試驗系統仿真分析
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(1) 液壓馬達轉向控制
單片機控制器根據步進(jìn)電機的轉向輸出兩路開(kāi)關(guān)量信號,控制電磁換向閥兩個(gè)電磁鐵的通斷,使閥芯處于左位或右位,從而起到控制液壓馬達轉向的作用,使液壓馬達與步進(jìn)電機的轉向相同;
(2) 液壓馬達輸出扭矩控制
單片機控制器根據扭矩傳感器反饋信號的大小V輸出電流信號I1,控制電液比例壓力閥的調壓壓力p,起到控制液壓馬達輸出扭矩大小的作用,使步進(jìn)電機承受的負載不超過(guò)其額定負載的70%;
(3) 液壓馬達轉速控制
單片機控制器根據步進(jìn)電機控制脈沖信號的頻率輸出電流信號I2,控制電液比例調速閥的流量Q,起到控制液壓馬達轉速的作用,使液壓馬達跟隨步進(jìn)電機同步轉動(dòng);
(4) 液壓馬達啟?？刂?BR>單片機控制器根據扭矩傳感器反饋信號的大小V與液壓馬達的啟動(dòng)設定值K(步進(jìn)電機額定輸出扭矩的70%)進(jìn)行比較,V≥K時(shí),控制電磁換向閥處于左位或右位,液壓馬達啟動(dòng),輔助步進(jìn)電機共同驅動(dòng)負載;VK時(shí),控制電磁換向閥處于中位,液壓馬達停止,步進(jìn)電機單獨驅動(dòng)負載。
由此可以看出,液壓伺服系統實(shí)質(zhì)上是一個(gè)位移與扭矩控制的伺服隨動(dòng)系統。
通過(guò)單片機控制器的協(xié)調,使電機伺服系統的控制在液壓伺服系統的輔助驅動(dòng)下實(shí)現重載荷快速高精度定位的功能,達到復合伺服驅動(dòng)的目的。
3 復合驅動(dòng)機器人關(guān)節臂試驗系統的數學(xué)建模
3.1 電機伺服驅動(dòng)建模
設機器人關(guān)節臂的輸出角位移為
,步進(jìn)電機輸入角位移為
,傳動(dòng)系統為剛性系統,則步進(jìn)電機輸出角位移也為
,試驗系統采用斬波恒流驅動(dòng)方式,在恒流源條件下,其轉矩為[1] 
式中,
為電機總電磁轉矩系數,
為電機轉子角位移,
為電機轉子實(shí)際角位移,
為步進(jìn)電機有效輸出轉矩,
為步進(jìn)電機轉子轉動(dòng)慣量,
為步進(jìn)電機轉子轉動(dòng)時(shí)的阻尼系數,
為電機驅動(dòng)系統總有效輸入轉矩,
為機器人關(guān)節臂傳動(dòng)軸等效轉動(dòng)慣量,
為機器人關(guān)節臂傳動(dòng)軸等效阻尼系數。
對式(1)進(jìn)行拉普拉斯變換,假定初始條件為0,得
3.2 液壓馬達驅動(dòng)建模
本系統所用液壓馬達實(shí)際輸出扭矩[2]
為 
式中,
為液壓馬達工作壓力
為機械效率;電液比例壓力閥的比例電磁鐵的輸入電流為
,比例常數為
。
液壓馬達的進(jìn)口處實(shí)際流量[3
為
式中,
為液壓馬達排量
,
為液壓馬達實(shí)際轉速
,
液壓馬達容積效率,
為液壓馬達實(shí)際角速度
;電液比例調速閥的比例電磁鐵的輸入電流為
,比例系數為
。
由上述公式經(jīng)化簡(jiǎn)得 
對式(2)進(jìn)行拉普拉斯變換,并設初始條件為0,得
4 復合驅動(dòng)機器人關(guān)節臂試驗系統仿真
4.1 系統仿真模型的建立與仿真
應用Matlab/Simulink軟件,根據系統的數學(xué)模型建立復合驅動(dòng)系統仿真模型[4]如圖3所示,stepmotormodel是電機伺服系統的仿真子模型系統模塊,Transfer Fcn1是機器人關(guān)節臂傳遞函數模塊,Slider Gain2和Transport Delay是液壓伺服系統的增益和延遲模塊。仿真系統采用最大扭矩負荷50000N●mm作為負載擾動(dòng),采用變步長(cháng)仿真算法,最大步長(cháng)設置為0.1,最小步長(cháng)設置為1×10-30,仿真算法采用ode45算法,延遲時(shí)間為0.02s,在輸入端In1分別輸入階躍信號和正弦信號。系統響應如圖4所示。
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