高可靠性末端效應器控制系統設計

由于三角函數加減速規律可以實(shí)現平滑運動(dòng)，采用這種運動(dòng)軌跡，使得控制更加容易，并且潛在里也會(huì )提高系統的控制精度，延長(cháng)系統壽命。三角函數的最大加速度、速度等參數要結合電機的參數和負載情況進(jìn)行選擇。
1．2 驅動(dòng)機構的執行級控制設計
在確定了控制系統期望輸入以后，關(guān)鍵是驅動(dòng)機構的執行級控制問(wèn)題，也就是無(wú)刷直流電機的控制問(wèn)題。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機通過(guò)利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器，保留了直流電動(dòng)機的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有交流電動(dòng)機的結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點(diǎn)，并且特別適合空間環(huán)境，因此我們這里主要考慮執行單元無(wú)刷直流電動(dòng)機的控制問(wèn)題。
由于運動(dòng)主要依靠機械機構傳動(dòng)，因此末端效應器控制系統性能要求主要考慮抵達位置的高精度。高精度主要指的是控制系統的穩態(tài)特性，也就是說(shuō)要求系統的穩態(tài)誤差要小，而對動(dòng)態(tài)特性要求不高。
1．2．1 控制方案
由直流電機運動(dòng)方程可知，在忽略摩擦阻尼的情況下，加速度與電動(dòng)機的轉矩成正比，而且轉矩又與電機的電流成正比，因此，要實(shí)現電機的高精度高動(dòng)態(tài)性能控制，就需要同時(shí)對電機的速度、電流及位置進(jìn)行檢測和控制。因此，本控制系統通過(guò)三閉環(huán)結構實(shí)現電機的運動(dòng)控制，如圖2所示。

當電機處于運行狀態(tài)時(shí)，給定的位置信號Ua與反饋位置信號Ub的偏差經(jīng)過(guò)(位置環(huán))PID調節得到速度的參考值Vg；控制器根據測出的反饋位置信息計算出當前轉速，Vg與當前轉速的偏差進(jìn)行PI調節(速度環(huán))得到電流的給定電壓參考值Uig；電機繞組電流反饋信號經(jīng)過(guò)電流傳感器的檢測得到當前主回路的電流反饋電壓值Uif，將Uif與Uig進(jìn)行PI計算，得到的電流調節器的輸出去調節占空比，進(jìn)而控制功率開(kāi)關(guān)管的導通與關(guān)斷，從而實(shí)現對無(wú)刷直流電動(dòng)機位置、轉速、電流或轉矩的控制。
在三閉環(huán)控制系統中，電流環(huán)和速度環(huán)均為內環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)。電流環(huán)的作用是提高系統的快速性，抑制電流環(huán)內部干擾，限制最大電流保障系統安全運行，電流環(huán)采用PI調節器。速度環(huán)的作用是增加系統抗負載擾動(dòng)的能力，抑制速度波動(dòng)，速度環(huán)采用PI調節器。位置環(huán)的作用是保證系統靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤的性能，位置環(huán)采用PID控制。
因為末端效應器的控制主要考慮位置精度，而對動(dòng)態(tài)特性要求不高，因此本系統中采用了包含位置環(huán)在內的三閉環(huán)的控制方式。
1．2．2 中心控制器硬件實(shí)現方案
本系統的中心控制器采用的是DSP TMS320F2812芯片，此芯片內集成了A／D、PWM控制器、CAN控制器等功能模塊，使得電機的控制相對簡(jiǎn)單。另外，采用高性能DSP為控制核心的電機系統具有性能優(yōu)越、高可靠性、快速響應、體積小、重量輕等特點(diǎn)。在系統中設置了速度調節器和電流調節器，分別調節電機的轉速和電流，兩者之間實(shí)行串級連接，把速度調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制PWM裝置。如圖3即為基于DSP芯片TMS320F2812的實(shí)現框圖。