EasyGo使用筆記 諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)控制算法調(diào)試驗(yàn)證

“Easygo 仿真平臺(tái)接口豐富，界面靈活配置，可直接運(yùn)行 simulink控制算法，控制速率最快可達(dá)幾百kHz，很好的實(shí)現(xiàn)了諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)控制算法的調(diào)試驗(yàn)證。”——北京航空航天大學(xué)某團(tuán)隊(duì)

? 筆記分享

諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)明于20世紀(jì)50年代，利用撓性齒輪的可控彈性形變實(shí)現(xiàn)力矩和運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換和傳遞，運(yùn)行時(shí)因撓性齒輪頂點(diǎn)呈諧波狀變化而得名。由于具有近零齒隙、體積小、質(zhì)量輕、噪音小、精度高、單級(jí)傳動(dòng)比大、負(fù)載能力強(qiáng)、傳遞效率高和同軸裝配等優(yōu)點(diǎn)，諧波齒輪傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于航空航天、仿生智能機(jī)械、軍事武器和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

隨著航空航天科技的發(fā)展，對(duì)空間機(jī)械臂、太陽能帆板、通信和姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)等功能器件運(yùn)行的精確性與穩(wěn)定性提出了更高的要求。然而在外太空環(huán)境中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作條件惡劣且受多源干擾耦合影響，因此研究諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，設(shè)計(jì)抗干擾控制有助于提高傳動(dòng)系統(tǒng)的智能化和伺服性能。

諧波齒輪傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

現(xiàn)有的諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)建模與控制研究主要集中在工作機(jī)理研究和動(dòng)力學(xué)建模研究?jī)煞矫?，較少考慮伺服傳動(dòng)環(huán)節(jié)抗干擾研究，且多數(shù)控制研究局限于傳動(dòng)系統(tǒng)單一特性，如傳動(dòng)誤差、撓性剛度、摩擦和遲滯，此外控制方法多為基于模型的前饋補(bǔ)償控制。針對(duì)諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)存在的多源干擾，提升傳動(dòng)系統(tǒng)精度、降低伺服能量消耗，使用復(fù)合分層抗干擾控制是必需的，否則傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞精度受限。

圖諧波齒輪傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)圖

本文為大家分享利用 EasyGo 仿真平臺(tái)來驗(yàn)證諧波齒輪傳動(dòng)位置控制算法。對(duì)此，將基于 EasyGo Cbox 實(shí)時(shí)仿真器搭建的仿真測(cè)試系統(tǒng)，按照規(guī)程對(duì)諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行系列測(cè)試，驗(yàn)證了EasyGo 仿真平臺(tái)的準(zhǔn)確性與可靠性，為用戶提供高效、安全的測(cè)試平臺(tái)。

測(cè)試包括不限于：

可測(cè)量電機(jī)端的輸入電流、輸出力矩、角速度和角位置

可測(cè)量諧波減速器輸出端的輸出力矩、角速度和角位置

具有可視化實(shí)時(shí)采集和記錄系統(tǒng)所測(cè)量各個(gè)物理量的功能

具有可以伺服控制的負(fù)載力矩模擬加載功能

可開發(fā)不同補(bǔ)償控制方法對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，并對(duì)相應(yīng)的伺服控制效果進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估

實(shí)驗(yàn)臺(tái)CBox 驅(qū)動(dòng)部分電氣連接圖

實(shí)驗(yàn)使用了Easygo基于實(shí)時(shí)CPU+FPGA架構(gòu)的CBox仿真機(jī)和EasyGo DeskSim 仿真軟件。CBox 通過物理IO 對(duì)接進(jìn)行控制測(cè)試，既可以基于CPU做20Khz的算法控制，又可基于FPGA 做幾百K的高速算法控制；搭配上位機(jī)軟件DeskSim，無需編譯，可直接下載運(yùn)行 Simulink搭建的控制算法，助力先進(jìn)控制算法在電力電子與電力傳動(dòng)領(lǐng)域中的創(chuàng)新實(shí)踐。

諧波齒輪傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

為驗(yàn)證所提出控制方法的有效性，分別從跟隨效果和抗擾效果兩方面對(duì)諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真對(duì)比研究，選取經(jīng)典PID+前饋摩擦補(bǔ)償作為對(duì)比方法，參考和干擾信號(hào)的描述以及控制參數(shù)列于表 1 中，系統(tǒng)模型參數(shù)列于表 2 中。

表 1 ?信號(hào)描述和控制參數(shù)

表 2 ?諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的模型參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中 CBox 仿真機(jī)采集電流、位置和力矩信號(hào)，生成控制伺服驅(qū)動(dòng) MOSFET 通斷的 PWM 信號(hào)。對(duì)諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中固有的傳動(dòng)誤差、撓性剛度、摩擦和遲滯等多源干擾，設(shè)計(jì)抗干擾控制方法，成功通過物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，Netbox 能較好地實(shí)現(xiàn)CHB-4的硬件電路模型，且端口電氣量測(cè)量效果良好。僅需配置相應(yīng)的端口即可完成硬件在環(huán)模擬，且基于Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)方式具有上手快、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在完成端口配置的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)免培訓(xùn)操作。

CBox是一款快速原型控制器產(chǎn)品。采取CPU+FPGA的硬件架構(gòu)，幫助用戶在安全舒適的實(shí)驗(yàn)室快速調(diào)試和驗(yàn)證控制算法。該平臺(tái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于豐富的模擬與數(shù)字信號(hào)接口，以及靈活配置的人界交互與配置界面，助力先進(jìn)控制算法在電力電子與電力傳動(dòng)領(lǐng)域中科研教學(xué)中的創(chuàng)新實(shí)踐。可靈活的將算法模型程序部署到CPU或者FPGA硬件平臺(tái)上運(yùn)行，控制速率最快可1MHz，滿足不同應(yīng)用需求的客戶。?