关键词：
多轴系统
轴不变量
关节空间显式逆动力学
关节力位控制
并行磁路电机
关节抱闸
摘要：
空间技术的不断发展,对多轴航天器的负载能力、动态性能提出了更高的要求;建立完备、精确的多轴系统理论是多轴航天器研究的基础。本文以结构化的运动链符号系统为基础,推导迭代式运动学和动力学公式,建立多轴系统关节空间显式逆动力学方程。基于动力学前馈,设计基于线性化补偿器的关节控制系统,研制紧凑型无轴承关节,满足关节力位控制需求。继而,提出优化的关节电机和抱闸方案,以进一步提高关节力控性能。最后,搭建机械臂样机平台,进行实验验证。论文主要工作如下。
首先,提出基于轴不变量的关节空间显式逆动力学建模方法,提高了高自由度系统动力学建模与求解的可靠性和实时性。本文以轴为基元,对多刚体系统进行研究,分析轴不变量性质,重新阐释定轴转动,提出自然坐标系,构建基于计算机数值运算的运动链符号系统,从而保证动力学方程具有简洁的链符号,降低系统复杂度。在此基础上,进一步推导基于轴不变量的偏速度计算公式,建立运动学的正向迭代和动力学的反向迭代公式,结合改进的拉格朗日动力学方法,建立多轴系统关节空间显式逆动力学方程。该动力学方程具有完全参数化特点及伪代码功能,用户只需输入系统拓扑、结构参数及力学参数即可完成建模,方便计算机编程实现,并保证系统实时性。最后,分析该动力学算法的计算机实现过程,基于VS平台和MFC框架开发动力学仿真软件,以6R机械臂为例,验证本文所提多轴系统动力学理论的正确性。
其次,应用模糊滑模控制率,依据动力学前馈,设计基于线性化补偿器的关节控制系统,满足关节运动及控制力约束;研制紧凑型关节,改善电流环效果,提升关节动态性能。首先,基于机电一体化关节,建立关节系统动力学模型及数学模型,分析影响关节伺服性能的因素,为高性能伺服关节设计提供指导。在此基础上,应用模糊滑模控制律,有效减小超调、提升跟踪速度,并设计基于线性化补偿器的关节控制系统,满足关节运动及控制力约束。最后,基于结构复用思想,研制紧凑型反装关节,提出快速SVPWM、高精度电流采样等实现关节快速电流环的方法,提高关节力控性能,开发适应空间的低EMI驱动器,完成关节实验。基于设计关节,搭建高负重比机械臂样机平台,完成整机控制实验验证。
最后,为进一步提高关节的力控性能,提出优化的关节电机和抱闸方案,以降低关节转动惯量、提升关节扭矩密度和响应速度。并行磁路电机具有调速范围宽、转动惯量低、鲁棒性好等优点,且温升易控,转矩脉动低,动态性能好,适用于某些特定的关节应用场合。本文分析并行磁路电机结构和原理,仿真验证电磁特性,建立数学模型,提出基于定子参数化建模的功率密度提升方法。设计双定子6极PPMT电机,提出相应控制策略,搭建驱动系统,应用滑模控制律取代PI控制,提高电机速度环响应速度。针对传统关节抱闸扭矩密度低、功耗大、响应速度慢等问题,研制新型嵌入滚球式永磁抱闸及快速放电控制电路。基于新型抱闸,进行结构应力分析,建立电磁模型,并设计快速放电控制电路。经实验验证,相较于传统抱闸,所提抱闸扭矩密度可提高至60%以上,保持功耗降至2%;相较传统控制电路,所提控制电路的电气响应速度可提升至3倍以上。
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