一种基于速度控制模式的机器人伺服力矩控制方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A method of robot servo torque control based on speed control mode

【技术实现步骤摘要】
一种基于速度控制模式的机器人伺服力矩控制方法
本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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Tup和Tdown分别为饱和器的上、下限阈值，Wset为速度控制系统的速度给定值，T*和|Wlimit|分别为用户期望给定的力矩值和速度边界限定值，|Wlimit|是防止伺服电机飞车的最大速度值，Tlimit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，Tlimit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Tup设置为T*，饱和器的下限阈值Tdown设置为-Tlimit，速度给定值Wset设置为|Wlimit|，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Tup，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Tup设置为Tlimit，饱和器的下限阈值Tdown设置为T*，速度给定值Wset设置为-|Wlimit|，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Tdown，速度控制系统控制伺服电机输出大小为T*的恒力矩。本专利技术的控制方法，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Tup、Tdown，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|Wlimit|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Tup、Tdown，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，本专利技术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为本专利技术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，Wset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，IdL为电流反馈值，GT表示力矩控制器，Gi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专利技术。实施例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。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：其中Tup和Tdown分别为饱和器的上、下限阈值，Wset为速度控制系统的速度给定值，T*和|Wlimit|分别为用户期望给定的力矩值和速度边界限定值，|Wlimit|是防止伺服电机飞车的最大速度值，Tlimit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，Tlimit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。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。Tlimit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Tup、Tdown，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|Wlimit|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Tup、Tdown，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Tup设置为T*，饱和器的下限阈值Tdown设置为-Tlimit，速度给定值Wset设置为|Wlimit|，输入PI控制器的速度偏差ΔW为正，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：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Tup和Tdown分别为饱和器的上、下限阈值，Wset为速度控制系统的速度给定值，T*和|Wlimit|分别为用户期望给定的力矩值和速度边界限定值，|Wlimit|是防止伺服电机飞车的最大速度值，Tlimit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，Tlimit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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨跞，袁小敏，程小猛，陈宏伟，许楠，
申请(专利权)人：中科新松有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31