基于非线性PID的冗余驱动机构控制.pdf

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1、·电气与自动化·张壮，等·基于非线性PID的冗余驱机构控制基于非线性PID的冗余驱动机构控制张壮，王谦，赵现朝，高峰(上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240)摘要：冗余驱动机构是一个具有容错、低速输出的特殊机构。阐述了冗余驱动机构的工作原理．对该机构进行了运动学分析。在进行无刷直流伺服电机和丝杠传动机构建模后，建立了冗余驱动机构的全闭环数学模型。在介绍线性PID基础上，设计了应用于该传动机构的非线性PID控制器。对该冗余驱动机构进行了频响试验，验证了非线性PID控制器的合理可行。关键词：冗余驱动；伺服电机；非线性PID中图分类号：

2、TM383．41：TP273文献标志码：B文章编号：1671—5276(2015)04—0167—05RedundantDriveMechanismControlBasedonNonlinearPIDControllerZHANGZhuang，WANGOian．ZHA0Xianchao，GA0Feng(SchoolofMechanicalEngineering，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China)Abstract：Theredundantdrivemechanismisaspeci

3、almechanismwichthefault-toleranceandstablelowexport．Thisarticleelabo-ratesitsWOrkingprincipleanddoesthekinematicanalysis．AfterthebrushlessDCmoterandthescrewdrivemodelling，itestablishestheclose-loopcontrolmodeloftheredundantdriveandbasedOfthelinear-PID，designsanonlinear-PID

4、，thenitsfeasibilityisprovedthroughthefrequencyresponsetest．Keywords：redundantdrive；servomotor；nonlinearPID副，丝杠螺母的外圈固联齿轮。其工作原理：当2台电机0引言输出相同速度时，2组丝杠转速相同，齿轮无转动，滑块输出速度等效于单台电机输出效果：当2台电机输出速度不冗余驱动机构是指输入驱动构件数多于输出构件数同时，2组丝杠输出速度不同，2个齿轮发生啮合转动。调的机构。由于冗余驱动机构的输入构件较多，与一般驱动节2组丝杠与螺母的转速差，实现

5、2组丝杠与螺母转速差机构相比，该类机构有很强的容错性和差速性。相同．最终实现同步输出。国内外许多学者对多冗余驱动机构进行了研究。P．Choudhury和A．Ghosal研究得出通过增加冗余驱动关节和支链，可以减少并联机器人工作空间的奇异区域_1]。上海交通大学高峰教授把冗余驱动机构用到了重型操作机和地震模拟器中。对于冗余驱动机构的控制，传统的线性PID控制效果已经远不能达到人们的要求。为了提高机构的轨迹跟踪特性，提出了各种算法。Nguyen_2]等提出了自适应PID控制算法，实现了6自由度并联机器人的高精度轨迹跟踪。合肥工业大学徐海青博士提

6、出了基于前馈的非线性PID控制方法．取得了很好的控制效果文中首先对冗余驱动机构进行原理介绍和机电控制系统建模，提出了非线性PID控制器设计。然后对该控制图1冗余驱动机构示意图系统进行了试验，试验验证了非线性PID控制器的合理在冗余驱动机构中2组丝杠旋向相反．在此定义两导和可行程P。、P：为矢量单位，左旋为正，右旋为负。由图1可知，滑块的速度和2个齿轮的轴向速度是相同的，即滑块的1冗余驱动机构速度：如图1所示．双驱动机构是由2组丝杠、2个齿轮和2=l=2齿轮副中的2个齿轮转速相同，即：台电机组成。其中，每个丝杠螺母的内圈与丝杠形成螺旋作者简介

7、：张壮(1989-)，男，安徽淮北人，硕士研究生，研究方向为并联机构设计与控制。MachineBuildingAutomation，Aug2015，44(4)：167～J·167··电气与自动化·张壮．等·基于非线性PID的冗余驱动机构控制c￡，l=∞22．2丝杠传动建模。】由螺旋副可知：1当仅考虑惯性负载时，作用在电机轴的转矩满足如下-(一)n·P-()动力学方程1z(~02-0)2")nzP(2)=州+()F(6)其中，n。、n：代表丝杠的头数。F=(，+)’L+明v+g(mg+mc)g(7)联立式(1)和式(2)，可得：其中：mg为螺

8、母质量，为丝杠质量，P为滚珠丝杠的导程，(Z22一Zl∞1)n1n2P1P2为滚动导轨的摩擦系数，Ic为电机轴的转动惯量。z且有电机丝杠转速OL与丝杠螺母传动输出速度vL当Z=Z