CN110815217B

CN110815217B - 一种基于速度控制模式的机器人伺服力矩控制方法

Info

Publication number: CN110815217B
Application number: CN201911036946.2A
Authority: CN
Inventors: 杨跞; 袁小敏; 程小猛; 陈宏伟; 许楠
Original assignee: Siasun Co Ltd
Current assignee: Siasun Co Ltd
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2039-10-29
Also published as: CN110815217A

Abstract

本发明涉及一种基于速度控制模式的机器人伺服力矩控制方法，包括速度控制系统环路，通过在速度控制系统环路的PI控制器后增加一个可调节阈值的饱和器，当PI控制器输出的控制量达到饱和器上、下限阈值时，速度控制模式进入恒力矩控制模式从而实现伺服电机的恒力矩输出。本发明利用速度控制模式实现了机器人伺服力矩的控制，降低了实现力矩控制的成本，同时完成了力矩控制模式与速度控制模式的平滑转换，避免了机器人运动出现飞车的情况。

Description

一种基于速度控制模式的机器人伺服力矩控制方法

技术领域

本发明属于机器人控制技术，具体涉及一种基于速度控制模式的机器人伺服力矩控制方法。

背景技术

现有的伺服系统中实现力矩控制的方式一般是单独设计力矩控制环路，在力矩控制环路中附加力矩传感器，如图1所示，通过跟踪给定的力矩指令完成力矩控制。使用力矩传感器测量伺服电机输出的力矩大小，采用负反馈与力矩给定比较，将控制误差输入力矩控制器运算生产电机控制量，从而实现伺服系统力矩稳态无误差控制。单独设计力矩控制环路不仅增加了开发时间，同时附加的力矩传感器也增加了机器人的成本。概言之，现有技术对伺服电机的输出力矩的控制是设计单独的力矩控制环路。有鉴于现有技术对伺服电机力矩的控制存在设计开发周期长、成本相对较高的问题，本发明提供一种成本相对较低的基于速度控制模式的机器人伺服力矩控制方法，从而实现伺服电机的恒力矩输出。

发明内容

本发明意在提供一种基于速度控制模式的机器人伺服力矩控制方法，以解决现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题通过以下技术方案来实现。

一种基于速度控制模式的机器人伺服力矩控制方法，包括速度控制系统环路，其改进之处在于：通过在速度控制系统环路的PI控制器后增加一个可调节阈值的饱和器，当PI控制器输出的控制量达到饱和器上、下限阈值时，速度控制模式进入恒力矩控制模式从而实现伺服电机的恒力矩输出。

优选的，将饱和器的阈值大小设定为跟随期望给定力矩值的变化而变化，定义伺服电机顺时针转动为正，逆时针转动为负，速度控制系统的速度给定值和饱和器阈值的设置满足以下关系：

其中T_up和T_down分别为饱和器的上、下限阈值，W_set为速度控制系统的速度给定值，T^*和|W_limit|分别为用户期望给定的力矩值和速度边界限定值，|W_limit|是防止伺服电机飞车的最大速度值，T_limit是当伺服电机出现飞车时能及时实现转速控制的反向控制力矩值，T_limit不受饱和器的限制；其中的问号为条件运算符，表示根据问号前的条件表达式选择冒号两边的值，条件表达式为真将选择冒号前的值，反之选冒号后的值。

优选的，当用户期望伺服系统输出正力矩时，速度控制系统中的饱和器的上限阈值T_up设置为T^*，饱和器的下限阈值T_down设置为-T_limit，速度给定值W_set设置为|W_limit|，输入PI控制器的速度偏差ΔW为正，经过PI控制器的积分作用，PI控制器的输出不断累加，最终超过饱和器的上限阈值T_up，速度控制系统控制伺服电机输出大小为T^*的恒力矩。

优选的，当用户期望伺服系统输出负力矩时，速度控制系统中的饱和器的上限阈值T_up设置为T_limit，饱和器的下限阈值T_down设置为T^*，速度给定值W_set设置为-|W_limit|，输入PI控制器的速度偏差ΔW为负，经过PI控制器的积分作用，PI控制器的输出不断负向累加，最终超过饱和器的下限阈值T_down，速度控制系统控制伺服电机输出大小为T^*的恒力矩。

本发明的控制方法，利用PI控制器的积分作用，使得PI控制器的输出不断地正负向累加，最终超过饱和器的上、下限阈值T_up、T_down，从而实现伺服电机的恒力矩输出。当伺服电机的实际转速接近用户期望的速度边界限定值|W_limit|时，输入PI控制器的速度偏差ΔW较小，PI控制器的积分作用减少，PI控制器的输出累加量小于饱和器的上、下限阈值T_up、T_down，速度控制系统由恒力矩控制模式平滑转化为速度控制模式，进而防止伺服电机飞车。

与现有技术相比，本发明利用速度控制模式实现了机器人伺服力矩的控制，降低了实现力矩控制的成本，同时完成了力矩控制模式与速度控制模式的平滑转换，避免了机器人运动出现飞车的情况。

附图说明

图1为现有技术中力矩控制方法的原理图。

图2为本发明力矩控制方法的原理图。

附图中，T^*表示用户期望给定的力矩值，W_set为速度控制系统的速度给定值，ΔW表示速度控制系统的速度偏差，I_dL为电流反馈值，G_T表示力矩控制器，G_i表示电流控制器，

表示力矩反馈系数，

表示速度反馈系数。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1：

现有技术中的伺服电机力矩控制方式是在控制环路中附加力矩传感器以实现力矩控制，如图1所示，使用力矩传感器测量伺服电机输出的力矩大小，采用负反馈与力矩给定值比较，将控制误差输入力矩控制器中进行运算以生产电机控制量，从而实现伺服系统力矩稳态无误差控制。

本实施例，通过在速度控制系统环路的PI控制器后增加一个阈值可调节的饱和器以实现力矩控制，如图2所示。利用PI控制器的积分作用，使得PI控制器的输出不断地正向或负向累加，最终超过饱和器的上限阈值或下限阈值，从而实现伺服电机的恒力矩输出。

实施例2：

在实施例1的基础上，将饱和器的阈值大小设定为跟随期望给定力矩值的变化而变化，定义伺服电机顺时针转动为正，逆时针转动为负，速度控制系统的速度给定值和饱和器阈值的设置满足以下关系：

本实施例中，根据机器人控制任务要求，为满足伺服控制系统输出期望的力矩大小，将饱和器的阈值大小设定为跟随期望给定力矩值的变化而变化。T_limit是当伺服电机出现飞车时能及时实现转速控制的反向控制力矩值，其取值一般较大。

本实施例中，利用PI控制器的积分作用，使得PI控制器的输出不断地正负向累加，最终超过饱和器的上、下限阈值T_up、T_down，从而实现伺服电机的恒力矩输出。当伺服电机的实际转速接近用户期望的速度边界限定值|W_limit|时，输入PI控制器的速度偏差ΔW较小，PI控制器的积分作用减少，PI控制器的输出累加量小于饱和器的上、下限阈值T_up、T_down，速度控制系统由恒力矩控制模式平滑转化为速度控制模式，进而防止伺服电机飞车。

实施例3：

在实施例2的基础上，当用户期望伺服系统输出正力矩时，速度控制系统中的饱和器的上限阈值T_up设置为T^*，饱和器的下限阈值T_down设置为-T_limit，速度给定值W_set设置为|W_limit|，输入PI控制器的速度偏差ΔW为正，经过PI控制器的积分作用，PI控制器的输出不断累加，最终超过饱和器的上限阈值T_up，速度控制系统控制伺服电机输出大小为T^*的恒力矩。

本实施例中，当用户期望伺服系统输出正力矩时，根据实施例2中的公式可知，速度控制系统中的饱和器上限阈值T_up设置为用户期望给定的力矩值T^*，饱和器下限阈值T_down设置为反向控制力矩值T_limit的负值-T_limit，速度给定值W_set设置为用户期望给定的速度边界限定值|W_limit|。

本实施例中，速度控制系统的速度边界限定值|W_limit|通常设置为防止伺服电机飞车的最大速度值，实际使用中伺服电机的正常运转速度一般不会超过速度控制系统的速度边界限定值。结合图2可知，速度控制系统环路中输入PI控制器的速度偏差ΔW为正，经过PI控制器的积分作用，PI控制器的输出不断累加，最终超过饱和器的上限阈值T_up，速度控制系统控制伺服电机输出大小为T^*的恒力矩。

实施例4：

在实施例2的基础上，当用户期望伺服系统输出负力矩时，速度控制系统中的饱和器的上限阈值T_up设置为T_limit，饱和器的下限阈值T_down设置为T^*，速度给定值W_set设置为-|W_limit|，输入PI控制器的速度偏差ΔW为负，经过PI控制器的积分作用，PI控制器的输出不断负向累加，最终超过饱和器的下限阈值T_down，速度控制系统控制伺服电机输出大小为T^*的恒力矩。

本实施例中，当用户期望伺服系统输出负力矩时，根据实施例2中的公式可知，速度控制系统中的饱和器上限阈值T_up设置为反向控制力矩值T_limit，饱和器下限阈值T_down设置为用户期望给定的力矩值T^*，速度给定值W_set设置为用户期望给定的速度边界限定值|W_limit|的负值-|W_limit|。

本实施例中，速度控制系统的速度边界限定值|W_limit|通常设置为防止伺服电机飞车的最大速度值，实际使用中伺服电机的正常运转速度一般不会超过速度控制系统的速度边界限定。结合图2可知，速度控制系统环路中输入PI控制器的速度偏差ΔW为负，经过PI控制器的积分作用，PI控制器的输出不断负向累加，最终超过饱和器的下限阈值T_down，速度控制系统控制伺服电机输出大小为T^*的恒力矩。

实施例3、实施例4中，当伺服电机的实际转速接近用户期望的速度边界限定值|W_limit|时，速度控制系统环路中输入PI控制器的速度偏差ΔW较小，PI控制器的积分作用减少，PI控制器的输出累加量小于饱和器的上、下限阈值T_up、T_down，速度控制系统由恒力矩控制模式平滑转化为速度控制模式，进而防止伺服电机飞车。

应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本申请所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请所述的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于速度控制模式的机器人伺服力矩控制方法，包括速度控制系统环路，其特征在于：通过在速度控制系统环路的PI控制器后增加一个可调节阈值的饱和器，当PI控制器输出的控制量达到饱和器上、下限阈值时，速度控制模式进入恒力矩控制模式从而实现伺服电机的恒力矩输出；

将饱和器的阈值大小设定为跟随期望给定力矩值的变化而变化，定义伺服电机顺时针转动为正，逆时针转动为负，速度控制系统的速度给定值和饱和器阈值的设置满足以下关系：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当用户期望伺服系统输出正力矩时，速度控制系统中的饱和器的上限阈值T_up设置为T^*，饱和器的下限阈值T_down设置为-T_limit，速度给定值W_set设置为|W_limit|，输入PI控制器的速度偏差ΔW为正，经过PI控制器的积分作用，PI控制器的输出不断累加，最终超过饱和器的上限阈值T_up，速度控制系统控制伺服电机输出大小为T^*的恒力矩。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当用户期望伺服系统输出负力矩时，速度控制系统中的饱和器的上限阈值T_up设置为T_limit，饱和器的下限阈值T_down设置为T^*，速度给定值W_set设置为-|W_limit|，输入PI控制器的速度偏差ΔW为负，经过PI控制器的积分作用，PI控制器的输出不断负向累加，最终超过饱和器的下限阈值T_down，速度控制系统控制伺服电机输出大小为T^*的恒力矩。