基于Simulink的復合驅(qū)動機器人關節(jié)臂試驗系統(tǒng)仿真分析
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(1) 液壓馬達轉(zhuǎn)向控制
單片機控制器根據(jù)步進電機的轉(zhuǎn)向輸出兩路開關量信號,控制電磁換向閥兩個電磁鐵的通斷,使閥芯處于左位或右位,從而起到控制液壓馬達轉(zhuǎn)向的作用,使液壓馬達與步進電機的轉(zhuǎn)向相同;
(2) 液壓馬達輸出扭矩控制
單片機控制器根據(jù)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(diào)壓壓力p,起到控制液壓馬達輸出扭矩大小的作用,使步進電機承受的負載不超過其額定負載的70%;
(3) 液壓馬達轉(zhuǎn)速控制
單片機控制器根據(jù)步進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(diào)速閥的流量Q,起到控制液壓馬達轉(zhuǎn)速的作用,使液壓馬達跟隨步進電機同步轉(zhuǎn)動;
(4) 液壓馬達啟停控制
單片機控制器根據(jù)扭矩傳感器反饋信號的大小V與液壓馬達的啟動設定值K(步進電機額定輸出扭矩的70%)進行比較,V≥K時,控制電磁換向閥處于左位或右位,液壓馬達啟動,輔助步進電機共同驅(qū)動負載;VK時,控制電磁換向閥處于中位,液壓馬達停止,步進電機單獨驅(qū)動負載。
由此可以看出,液壓伺服系統(tǒng)實質(zhì)上是一個位移與扭矩控制的伺服隨動系統(tǒng)。
通過單片機控制器的協(xié)調(diào),使電機伺服系統(tǒng)的控制在液壓伺服系統(tǒng)的輔助驅(qū)動下實現(xiàn)重載荷快速高精度定位的功能,達到復合伺服驅(qū)動的目的。
3 復合驅(qū)動機器人關節(jié)臂試驗系統(tǒng)的數(shù)學建模
3.1 電機伺服驅(qū)動建模
設機器人關節(jié)臂的輸出角位移為
,步進電機輸入角位移為
,傳動系統(tǒng)為剛性系統(tǒng),則步進電機輸出角位移也為
,試驗系統(tǒng)采用斬波恒流驅(qū)動方式,在恒流源條件下,其轉(zhuǎn)矩為[1] 
式中,
為電機總電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù),
為電機轉(zhuǎn)子角位移,
為電機轉(zhuǎn)子實際角位移,
為步進電機有效輸出轉(zhuǎn)矩,
為步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量,
為步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的阻尼系數(shù),
為電機驅(qū)動系統(tǒng)總有效輸入轉(zhuǎn)矩,
為機器人關節(jié)臂傳動軸等效轉(zhuǎn)動慣量,
為機器人關節(jié)臂傳動軸等效阻尼系數(shù)。
對式(1)進行拉普拉斯變換,假定初始條件為0,得
3.2 液壓馬達驅(qū)動建模
本系統(tǒng)所用液壓馬達實際輸出扭矩[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(shù)為
。
液壓馬達的進口處實際流量[3
為
式中,
為液壓馬達排量
,
為液壓馬達實際轉(zhuǎn)速
,
液壓馬達容積效率,
為液壓馬達實際角速度
;電液比例調(diào)速閥的比例電磁鐵的輸入電流為
,比例系數(shù)為
。
由上述公式經(jīng)化簡得 
對式(2)進行拉普拉斯變換,并設初始條件為0,得
4 復合驅(qū)動機器人關節(jié)臂試驗系統(tǒng)仿真
4.1 系統(tǒng)仿真模型的建立與仿真
應用Matlab/Simulink軟件,根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型建立復合驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型[4]如圖3所示,stepmotormodel是電機伺服系統(tǒng)的仿真子模型系統(tǒng)模塊,Transfer Fcn1是機器人關節(jié)臂傳遞函數(shù)模塊,Slider Gain2和Transport Delay是液壓伺服系統(tǒng)的增益和延遲模塊。仿真系統(tǒng)采用最大扭矩負荷50000N●mm作為負載擾動,采用變步長仿真算法,最大步長設置為0.1,最小步長設置為1×10-30,仿真算法采用ode45算法,延遲時間為0.02s,在輸入端In1分別輸入階躍信號和正弦信號。系統(tǒng)響應如圖4所示。
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