一种基于机械臂关节伺服系统的多模态主动振动抑制方法

本发明涉及了一种伺服系统多模态主动振动抑制方法，具体涉及一种基于机械臂关节伺服系统的多模态主动振动抑制方法。

背景技术：

1、随着航天工业及先进制造业的不断发展，机械臂的响应速度、控制精度等指标要求不断上升。同时为提高系统效率，在大部分应用场景下，要求尽量减小机械臂自重，并且提高其载重比与工作空间大小，这使得机械臂的柔性特性变得不可忽略，从而产生振动，影响机械臂的定位精度、响应速度，对其稳定工作产生不利影响。为解决机械臂结构与传动系统柔性引起的电机起制动过程中的速度振荡问题，工业中及研究学者均有较多研究。

2、传统的机械臂振动抑制方法可以分为被动振动抑制与主动振动抑制。其中，被动振动抑制仅使用开环的补偿或校正算法对振动进行抑制，不改变系统控制器结构与参数，由于算法简单、易于使用，被广泛应用在工业控制中。滤波器作为应用最广泛的振动抑制方法，通过在速度控制器中插入陷波滤波器，可以有效滤除指令中的指定频率，抑制特定谐振频率下产生的系统振动，但该方法应用效果十分依赖控制参数，陷波宽度过宽会导致较大的相角滞后，而陷波宽度过窄会导致抑制振动频率的鲁棒性下降，从而降低系统振动抑制水平。输入整形算法同样作为被动控制算法，通过对系统输入指令进行整形处理，消除或减弱信号中引起振动的信号分量，从而抑制系统振动。但该方法的振动抑制效果与鲁棒性同样依赖于整形器结构及参数的设计，并且会带来不同程度的系统滞后。

3、主动振动抑制通常通过对系统状态进行观测进而实现前馈或反馈抑制振动发生。例如状态空间控制，通过引入系统状态反馈对闭环控制的极点进行自由配置，实现速度的平滑控制；对于柔性连杆可以通过边界控制，实现关节角度的跟踪及连杆弹性振动的抑制；对于外部扰动引起的振动，可以设计观测器来对系统进行补偿；除此之外，前馈控制作为工业中应用较多的控制方法，利用电机驱动状态，基于精确分析的动力学模型进行关节扭转的预测与补偿；模型预测控制同样利用模型计算最优的电磁转矩，实现速度波动的抑制；另外自适应控制通过与奇异扰动理论及鲁棒控制理论相结合，能够克服部分模型参数的不确定性，实现柔性机械臂的精确控制。除上述需要建立动力学模型的控制方法外，由于高阶的柔性模型具有很强的非线性，因此有学者使用多维的常微分方程或偏微分方程描述系统动力学方程，使用模糊控制、神经网络控制、无模型控制等智能控制算法来解决柔性关节动力学模型复杂的控制问题。这些方法均能一定程度抑制柔性引发的振动，但在实际应用中还存在有待解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种基于机械臂关节伺服系统的多模态主动振动抑制方法。本发明方法能够对弹性传动元件以及柔性连杆导致的机械臂关节伺服系统振动实现主动振动抑制，同时补偿多个模态的振动，具有更快的响应速度以及更小的速度过冲。

2、本发明采用的技术方案是：

3、本发明的基于机械臂关节伺服系统的多模态主动振动抑制方法，包括：

4、1)对机械臂关节伺服系统中的关节伺服电机实施振动补偿模型传统的振动补偿模型速度环pi控制、最大转矩电流比控制和电流环pi控制，使得关节伺服电机稳定正常运行。

5、2)在预设速度环控制频率下，根据速度环pi控制器获得初始的转矩指令，进而根据初始的转矩指令获得机械臂关节伺服系统在理想无振动状态下和实际状态下的转速误差。

6、3)在预设速度环控制频率下，建立机械臂关节伺服系统在不同模态下的振动曲线模型，将待补偿的预设多模态频率和电机角速度参数输入振动曲线模型中，振动曲线模型输出机械臂关节伺服系统在不同模态下的振动曲线。

7、4)在预设速度环控制频率下，建立机械臂关节伺服系统在不同模态下的自适应振动补偿模型，将步骤2)中的转速误差和步骤3)中的振动曲线输入自适应振动补偿模型中，自适应振动补偿模型输出机械臂关节伺服系统在不同模态下的振动补偿量，将振动补偿量和初始的转矩指令叠加后获得新的转矩指令，最终实现机械臂关节伺服系统的多模态振动抑制。

8、所述的步骤2)中，机械臂关节伺服系统在理想无振动状态下和实际状态下的转速误差具体如下：

9、

10、

11、其中，e为机械臂关节伺服系统在理想无振动状态下和实际状态下的转速误差；τref为关节伺服电机转速环输出的转矩指令；gideal为在s域中机械臂关节伺服系统在理想无振动状态下的转速响应，即关节伺服电机的机械角加速度和电磁转矩τ之间的比值；为关节伺服电机的机械角速度；it为相对关节伺服电机转轴的机械臂关节伺服系统的总惯量。

12、所述的步骤3)中，机械臂关节伺服系统在不同模态下的振动曲线模型具体如下：

13、

14、其中，fi为机械臂关节伺服系统在第i种模态下的振动曲线；ωi为待补偿的预设第i种模态下的振动频率；t为时间；为关节伺服电机的机械角速度。

15、所述的步骤4)中，机械臂关节伺服系统在不同模态下的自适应振动补偿模型具体如下：

16、

17、cisq＝cisq0+kie·fi,ki＞0,i＝1,2,3...

18、其中，τcomp为机械臂关节伺服系统的总系统振动补偿量振动补偿模型，求和是指对所需抑制的各模态的振动补偿值进行叠加振动补偿模型；cisq为机械臂关节伺服系统在第i种模态下的振动补偿量的幅值参数；ωi为待补偿的预设第i种模态下的振动频率；fi为机械臂关节伺服系统在第i种模态下的振动曲线；cisq0为机械臂关节伺服系统在第i种模态下的振动补偿量的幅值参数cisq在上个控制周期中的值；ki为第i种模态下的自适应系数；e为机械臂关节伺服系统在理想无振动状态下和实际状态下的转速误差。

19、振动补偿模型利用转速误差与振动曲线自适应辨识不同模态的振动补偿量幅值参数进而得到补偿量；将多模态的振动补偿量叠加并前馈到速度环指令中，能够实现多模态的主动振动抑制。方法可以只针对一个振动模态进行计算和补偿，也可以针对若干个振动模态进行计算和补偿。振动补偿模型

20、所述的步骤4)中，机械臂关节伺服系统的多模态振动是由于弹性连接元件以及柔性连杆导致产生的。

21、本发明的有益效果是：

22、1)本发明利用电机角速度等信息，实时计算振动补偿量并前馈到速度环指令中，主动振动抑制的策略能够在有效抑制振动的前提下不牺牲系统的响应速度。

23、2)本发明利用振动曲线对弹性连接元件以及柔性连杆等多个场景下产生的振动进行描述，实现不同场景下多模态振动的振动抑制。

24、3)本发明方法即可以只针对一个振动模态进行计算和补偿，也可以针对若干个振动模态进行计算和补偿，对于不同模态下振动曲线函数与振动补偿量的计算均完全解耦，能够同时对多模态的振动进行抑制。

25、总之，本发明能够对弹性传动元件以及柔性连杆导致的机械臂关节伺服系统振动实现主动振动抑制，同时补偿多个模态的振动，具有更快的响应速度以及更小的速度过冲。