高可靠性末端效應(yīng)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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鎖合末端效應(yīng)器(簡稱末端效應(yīng)器)是大型空間站機(jī)械臂的一部分，包括捕獲機(jī)構(gòu)、拉緊機(jī)構(gòu)和鎖合機(jī)構(gòu)，主要完成對目標(biāo)飛行器的捕獲、抓取及釋放等任務(wù)。末端效應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單、兼容性好、在軌壽命長、可靠性高和相互性好等優(yōu)點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)高可靠性末端效應(yīng)器控制系統(tǒng)，提出并設(shè)計(jì)了高可靠性獨(dú)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(dú)立控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了合理的容錯(cuò)控制策略。該系統(tǒng)能夠完成對其準(zhǔn)確測試。
1 高可靠性獨(dú)立控制系統(tǒng)
末端效應(yīng)器機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動可以看作是一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動，首先需要考慮在兩個(gè)位置之間的運(yùn)動軌跡，也就是運(yùn)動規(guī)劃問題，然后根據(jù)規(guī)劃的運(yùn)動要求進(jìn)行執(zhí)行器的控制，因此末端效應(yīng)器的運(yùn)動控制系統(tǒng)包括任務(wù)的運(yùn)動規(guī)劃和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的執(zhí)行級控制。
1．1 運(yùn)動規(guī)劃
對于末端效應(yīng)器的運(yùn)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(yùn)動應(yīng)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(diǎn)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(qū)動軸產(chǎn)生沖擊、失步、超程和振蕩，保證運(yùn)動部件的平穩(wěn)和準(zhǔn)確定位，在啟停階段或各程序轉(zhuǎn)接時(shí)，要進(jìn)行加減速控制，以使進(jìn)給速度平滑過渡。
目前運(yùn)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(jì)算復(fù)雜，不能滿足數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。可以事先對其進(jìn)行處理，將其做成查找表的形式存放于內(nèi)存中。
由于三角函數(shù)加減速規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)平滑運(yùn)動，采用這種運(yùn)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(jié)合電機(jī)的參數(shù)和負(fù)載情況進(jìn)行選擇。
1．2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的執(zhí)行級控制設(shè)計(jì)
在確定了控制系統(tǒng)期望輸入以后，關(guān)鍵是驅(qū)動機(jī)構(gòu)的執(zhí)行級控制問題，也就是無刷直流電機(jī)的控制問題。由于無刷直流電動機(jī)通過利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，保留了直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)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(zhí)行單元無刷直流電動機(jī)的控制問題。
由于運(yùn)動主要依靠機(jī)械機(jī)構(gòu)傳動，因此末端效應(yīng)器控制系統(tǒng)性能要求主要考慮抵達(dá)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(jī)運(yùn)動方程可知，在忽略摩擦阻尼的情況下，加速度與電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩成正比，而且轉(zhuǎn)矩又與電機(jī)的電流成正比，因此，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高精度高動態(tài)性能控制，就需要同時(shí)對電機(jī)的速度、電流及位置進(jìn)行檢測和控制。因此，本控制系統(tǒng)通過三閉環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動控制，如圖2所示。
當(dāng)電機(jī)處于運(yùn)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(位置環(huán))PID調(diào)節(jié)得到速度的參考值Vg；控制器根據(jù)測出的反饋位置信息計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速，Vg與當(dāng)前轉(zhuǎn)速的偏差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)(速度環(huán))得到電流的給定電壓參考值Uig；電機(jī)繞組電流反饋信號經(jīng)過電流傳感器的檢測得到當(dāng)前主回路的電流反饋電壓值Uif，將Uif與Uig進(jìn)行PI計(jì)算，得到的電流調(diào)節(jié)器的輸出去調(diào)節(jié)占空比，進(jìn)而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對無刷直流電動機(jī)位置、轉(zhuǎn)速、電流或轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)部干擾，限制最大電流保障系統(tǒng)安全運(yùn)行，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。速度環(huán)的作用是增加系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的能力，抑制速度波動，速度環(huán)采用PI調(diào)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?yàn)槟┒诵?yīng)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(nèi)的三閉環(huán)的控制方式。
1．2．2 中心控制器硬件實(shí)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(nèi)集成了A／D、PWM控制器、CAN控制器等功能模塊，使得電機(jī)的控制相對簡單。另外，采用高性能DSP為控制核心的電機(jī)系統(tǒng)具有性能優(yōu)越、高可靠性、快速響應(yīng)、體積小、重量輕等特點(diǎn)。在系統(tǒng)中設(shè)置了速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實(shí)行串級連接，把速度調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)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(shí)現(xiàn)框圖。
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