一种考虑温度影响的协作机械臂关节模组补偿控制方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑温度影响的协作机械臂关节模组补偿控制方法，涉及机械臂关节技术领域。本发明专利技术包括如下步骤：步骤一：建立考虑温度影响的机械关节模组的温度扰动模型；步骤二：基于模型参考自适应方法对关节模组的电感、电阻参数进行在线辨识；步骤三：基于在线辨识的参数，结合高频信号注入法和MTPA控制方法进行电流补偿控制。本发明专利技术通过模型参考自适应算法来在线实时的辨识电机参数并将其代入到MTPA方法的公式中，并结合高频信号注入法解决了因为温度影响而造成电机参数变化仅为导致的电流误差从而影响机械臂关节模组的控制性能，能够解决由于温度影响而产生的机械臂关机模组的误差，提高了机械臂的控制精度。提高了机械臂的控制精度。提高了机械臂的控制精度。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑温度影响的协作机械臂关节模组补偿控制方法


[0001]本专利技术属于机械臂关节
，特别是涉及一种考虑温度影响的协作机械臂关节模组补偿控制方法。

技术介绍

[0002]协作机器人作为机器人领域最热门的技术之一，近年来越来越受到人们的关注。协作机器人主要由关节模组和连杆串联组成。关节模组系统作为协作机器人各关节的动力源，是典型的电机齿轮系统，关节模组的动态性能对协作机器人的整体动态性能有着非常重要的影响。在传统的控制方法中，高性能的控制要求精确的系统参数，但是，由于温度变化引起的惯性矩、粘滞摩擦系数等系统参数的变化等结构不确定性和磁链的减少，会造成机械臂关节模组的输出转矩降低，影响机械臂的控制精度。
[0003]在关节模组运行的过程中，关节模组内部的温度会升高，内部的电机绕组电阻会增加，更重要的是电机内部的永磁体。永磁体在温度升高的过程中会发生退磁现象，在温度达到很高的时候，永磁体会发生不可逆转的退磁，永磁体退磁将会影响所产生的的磁密，使得关节模组的性能下降，达不到期望的值。因此提出将高频信号注入法与MTPA结合，并引入模型参考自适应法进行温度影响下的协作机械臂关节模组补偿控制。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种考虑温度影响的协作机械臂关节模组补偿控制方法，解决了现有技术中的永磁体退磁将会影响所产生的的磁密，使得关节模组的性能下降，达不到期望的值的技术问题。
[0005]为达上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种考虑温度影响的协作机械臂关节模组补偿控制方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一：建立考虑温度影响的机械关节模组的温度扰动模型，对关节模组受温度影响的参数进行观测；
[0008]步骤二：基于模型参考自适应方法对关节模组的电感、电阻参数进行在线辨识；
[0009]步骤三：基于在线辨识的参数，结合高频信号注入法和MTPA控制方法进行电流补偿控制，减少因为温度影响的机械臂关节模组造成的误差。
[0010]可选的，在步骤一中，首先根据电感、电阻和磁链参数受温度的影响进行分析，得到其参数变化与温度变化的关系，然后建立机械臂关节模组的温度扰动模型，温度上升，永磁体磁链减小，电机的输出转矩出现波动，通过分别获取机械臂关节模组关节力矩电机温度从25℃到150℃的单相磁链结果，通过曲线拟合得到永磁体磁链ψ
f
与温度T的函数表达式一：
[0011]ψ
f
＝0.1827
‑
9.256*10
‑5T
[0012]式中，25℃≤T≤150℃，ψ
f
为永磁体磁链；
[0013]根据电机定子绕组随温度变化的关系可以看成近似于线性关系，取电机铜绕组温
度系数得到线性定子绕组阻值随温度线性变换的关系表达式二：
[0014][0015]R0为室温25℃下的电机定子阻值，R0＝0.958Ω。
[0016]理想情况下，在d
‑
q轴中，机械臂关节模组关节力矩电机的电压方程三为：
[0017][0018]式中：u
d
、u
q
分别为d、q轴电压，i
d
、i
q
为d、q轴电流，ψ
d
、ψ
q
为磁链在d、q轴上的投影标量，ω
e
为电角速度；
[0019]磁链方程四为：
[0020][0021]式中，L
d
、L
q
分别为d、q轴电感，ψ
f
为永磁体励磁磁链。
[0022]将函数表达式一和关系表达式二带入到电压方程三中，可得到受温度扰动的机械臂关节模组关节力矩电机在d
‑
q轴的数学模型五：
[0023][0024]对上式进行变化，得公式六：
[0025][0026]可选的，在步骤二中，采用模型参考自适应方法，对机械臂关节模组中关节力矩电机进行在线参数辨识，其中，机械臂关节模组中关节力矩电机的电流方程式七计算：
[0027][0028]令z＝R
s
，代入电流方程式七可得方程式八：
[0029][0030]由方程式八可知，电流模型和电机的交直轴电感和定子电阻相关，因此，选取该模型为参考模型，再将方程式八变为模型参考自适应系统的可调模型方程式九：
[0031][0032]式中，
[0033]x、y、z——系统真实量；
[0034]——待辨识参数；
[0035]i
′
d
、i
′
q
——i
d
、i
q
辨识量；
[0036]方程式七和方程式八相减得方程式十：
[0037][0038]式中,c
d
＝i
d
‑
i
l
，e
q
＝i
ψ
‑
i
q
令
[0039]其中：
[0040][0041][0042][0043]误差状态方程用下式计算：
[0044][0045]式中,
[0046]根据Popov超稳定性理论，得三个参数的自适应率分别为：
[0047][0048]进而可以求出L
d
，L
q
，R
s
。
[0049]可选的，步骤三中，采用MTPA法和高频信号注入法结合进行电流补偿控制。具体方法如下：
[0050]根据MTPA方法条件下，id可以推导为公式十一：
[0051][0052]令则公式十一可改写为：可进一步改写为公式十二：
[0053][0054]令i
k
＝
‑
(i
d
/i
q
)代人式公式十二,则i
d
和i
q
分别为：
[0055][0056]在α、β轴坐标系下描述电机的电压方程式十三为：
[0057][0058]式中,i
a
和i
β
为α、β轴电流,ψ
α
和ψ
β
为α、β轴磁链。
[0059]磁链计算的目的是提取特定频率下的特定信号，通过旋转变换,在磁链幅值中产生了相应的高频响应Δψ
s
,假设一个正弦响应如下：
[0060]Δψ
s
＝Bsinω
h
t
[0061]式中,B为高频响应信号的幅值。
[0062]响应电流的幅值可表示为：
[0063]|i
s
(ψ
s
+Δψ
s
)|≈|i
s
|+d|i
s
|/d|ψ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑温度影响的协作机械臂关节模组补偿控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：建立考虑温度影响的机械关节模组的温度扰动模型，对关节模组受温度影响的参数进行观测；步骤二：基于模型参考自适应方法对关节模组的电感、电阻参数进行在线辨识；步骤三：基于在线辨识的参数，结合高频信号注入法和MTPA控制方法进行电流补偿控制，减少因为温度影响的机械臂关节模组造成的误差。2.如权利要求1所述的一种考虑温度影响的协作机械臂关节模组补偿控制方法，其特征在于，在步骤一中，首先根据电感、电阻和磁链参数受温度的影响进行分析，得到其参数变化与温度变化的关系，然后建立机械臂关节模组的温度扰动模型。3.如权利要求2所述的一种考虑温度影响的协作机械臂关节模组补偿控制方法，其特征在于，温度上升，永磁体磁链减小，电机的输出转矩出现波动，通过分别获取机械臂关节模组关节力矩电机温度从25℃到150℃的单相磁链结果，通过曲线拟合得到永磁体磁链ψ
f
与温度T的函数表达式一：ψ
f
＝0.1827
‑
9.256*10
‑5T式中，25℃≤T≤150℃，ψ
f
为永磁体磁链；根据电机定子绕组随温度变化的关系可以看成近似于线性关系，取电机铜绕组温度系数得到线性定子绕组阻值随温度线性变换的关系表达式二：R0为室温25℃下的电机定子阻值，R0＝0.958Ω。4.如权利要求3所述的一种考虑温度影响的协作机械臂关节模组补偿控制方法，其特征在于，理想情况下，在d
‑
q轴中，机械臂关节模组关节力矩电机的电压方程三为：式中：u
d
、u
q
分别为d、g轴电压，i
d
、i
q
为d、q轴电流，ψ
d
、ψ
q
为磁链在d、q轴上的投影标量，ω
e
为电角速度；磁链方程四为：式中，L
d
、L
q
分别为d、q轴电感，ψ
f
为永磁体励磁磁链。5.如权利要求4所述的一种考虑温度影响的协作机械臂关节模组补偿控制方法，其特征在于，将函数表达式一和关系表达式二带入到电压方程三中，可得到受温度扰动的机械臂关节模组关节力矩电机在d
‑
q轴的数学模型五：对上式进行变化，得公式六：
6.如权利要求1所述的一种考虑温度影响的协作机械臂关节模组补偿控制方法，其特征在于，在步骤二中，采用模型参考自适应方法，对机械臂关节模组中关节力矩电机进行在线参数辨识，其中，机械臂关节模组中关节力矩电机的电流方程式七计算：令z＝R
s
，代入电流方程式七可得方程式八：由方程式八可知，电流模型和电机的交直轴电感和定子电阻相关，因此，选取该模型为参考模型，再将方程式八变为模型参考自适应系统的可调模型方程式九：式中，x、y、z——系统真实量；——待辨识参数；i
′
d

【专利技术属性】
技术研发人员：权海铭，甄圣超，孟冠军，刘晓黎，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：