高可靠性末端效應器控制系統(tǒng)設計
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鎖合末端效應器(簡稱末端效應器)是大型空間站機械臂的一部分，包括捕獲機構、拉緊機構和鎖合機構，主要完成對目標飛行器的捕獲、抓取及釋放等任務。末端效應器具有結構簡單、兼容性好、在軌壽命長、可靠性高和相互性好等優(yōu)點。
為了實現(xiàn)高可靠性末端效應器控制系統(tǒng)，提出并設計了高可靠性獨立控制系統(tǒng)，并且通過從軟硬件的角度提高系統(tǒng)的可靠性；在高可靠性獨立控制系統(tǒng)的基礎上，設計了合理的容錯控制策略。該系統(tǒng)能夠完成對其準確測試。
1 高可靠性獨立控制系統(tǒng)
末端效應器機械機構的運動可以看作是一個點到點的運動，首先需要考慮在兩個位置之間的運動軌跡，也就是運動規(guī)劃問題，然后根據規(guī)劃的運動要求進行執(zhí)行器的控制，因此末端效應器的運動控制系統(tǒng)包括任務的運動規(guī)劃和驅動機構的執(zhí)行級控制。
1．1 運動規(guī)劃
對于末端效應器的運動控制規(guī)劃較為簡單而且固定。為保證長期穩(wěn)定可靠的工作，需要減少摩擦損耗，因此要保證運動應盡可能的平滑，也就是要求加速度要小并且變化平緩，速度變化也要平緩。在該要求下，最終的速度軌跡可以采用梯形、正弦形等形式，通過采樣得到一組合適的軌跡點輸入到控制輸入端即可。一般情況下，速度控制的主要功能是通過有目的地限制加速度來減少軌跡誤差。為避免驅動軸產生沖擊、失步、超程和振蕩，保證運動部件的平穩(wěn)和準確定位，在啟停階段或各程序轉接時，要進行加減速控制，以使進給速度平滑過渡。
目前運動控制系統(tǒng)中常用的加減速規(guī)律包括很多，常見的加減速控制算法有直線、三角函數(shù)、指數(shù)、拋物線、S曲線加減速等算法。在本系統(tǒng)中采用了三角函數(shù)加減速規(guī)律，如圖1所示。由于三角函數(shù)的計算復雜，不能滿足數(shù)控系統(tǒng)實時性要求。可以事先對其進行處理，將其做成查找表的形式存放于內存中。
由于三角函數(shù)加減速規(guī)律可以實現(xiàn)平滑運動，采用這種運動軌跡，使得控制更加容易，并且潛在里也會提高系統(tǒng)的控制精度，延長系統(tǒng)壽命。三角函數(shù)的最大加速度、速度等參數(shù)要結合電機的參數(shù)和負載情況進行選擇。
1．2 驅動機構的執(zhí)行級控制設計
在確定了控制系統(tǒng)期望輸入以后，關鍵是驅動機構的執(zhí)行級控制問題，也就是無刷直流電機的控制問題。由于無刷直流電動機通過利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器，保留了直流電動機的優(yōu)點，同時又具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，并且特別適合空間環(huán)境，因此我們這里主要考慮執(zhí)行單元無刷直流電動機的控制問題。
由于運動主要依靠機械機構傳動，因此末端效應器控制系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，也就是說要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差要小，而對動態(tài)特性要求不高。
1．2．1 控制方案
由直流電機運動方程可知，在忽略摩擦阻尼的情況下，加速度與電動機的轉矩成正比，而且轉矩又與電機的電流成正比，因此，要實現(xiàn)電機的高精度高動態(tài)性能控制，就需要同時對電機的速度、電流及位置進行檢測和控制。因此，本控制系統(tǒng)通過三閉環(huán)結構實現(xiàn)電機的運動控制，如圖2所示。
當電機處于運行狀態(tài)時，給定的位置信號Ua與反饋位置信號Ub的偏差經過(位置環(huán))PID調節(jié)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行PI調節(jié)(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過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進行PI計算，得到的電流調節(jié)器的輸出去調節(jié)占空比，進而控制功率開關管的導通與關斷，從而實現(xiàn)對無刷直流電動機位置、轉速、電流或轉矩的控制。
在三閉環(huán)控制系統(tǒng)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(tǒng)的快速性，抑制電流環(huán)內部干擾，限制最大電流保障系統(tǒng)安全運行，電流環(huán)采用PI調節(jié)器。速度環(huán)的作用是增加系統(tǒng)抗負載擾動的能力，抑制速度波動，速度環(huán)采用PI調節(jié)器。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動態(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，而對動態(tài)特性要求不高，因此本系統(tǒng)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 中心控制器硬件實現(xiàn)方案
本系統(tǒng)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單。另外，采用高性能DSP為控制核心的電機系統(tǒng)具有性能優(yōu)越、高可靠性、快速響應、體積小、重量輕等特點。在系統(tǒng)中設置了速度調節(jié)器和電流調節(jié)器，分別調節(jié)電機的轉速和電流，兩者之間實行串級連接，把速度調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。如圖3即為基于DSP芯片TMS320F2812的實現(xiàn)框圖。
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