软接触机械臂关节控制系统的设计与实现

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空间对接技术主要应用于在轨维护和在轨防御等空间任务,在保证航天器正常运行的前提下,能够有效减少航天器故障造成的损失,具有重要的研究价值和应用前景。软接触机械臂是完成空间对接任务的关键执行部件,在操作过程中,软接触机械臂需要实现关节定位和对接碰撞后的振动抑制。针对软接触机械臂在空间对接任务中的技术需求,本文深入研究了软接触机械臂关节的控制系统设计方法,重点针对无刷直流电机和磁流变阻尼器开展了控制方法研究和仿真分析,并基于FPGA完成了此控制系统的软硬件实现。本文来源于国家自然科学基金(51305039)和中央高校基本科研业务费专项资金项目(2014PTB-00-01),具体研究内容如下:首先,针对软接触机械臂关节结构和主要功能,对关节控制系统进行了总体方案设计,将关节控制系统划分为电机控制子系统和磁流变阻尼器控制子系统两大部分。其次,针对软接触机械臂关节的定位功能,基于模糊PID理论提出了一种复合型电机位置控制器的设计方案,其位置环采用模糊/PID控制器,速度环和电流环采用PI控制器,并通过MATLAB仿真验证了复合型电机位置控制器的有效性。针对软接触机械臂关节的振动抑制功能,设计了磁流变阻尼器的控制方案,通过微粒群优化算法计算出期望阻尼力,利用磁流变阻尼器神经网络逆模型反解出期望电流,最后通过可编程电源输出期望电流进而完成对阻尼力的控制。再次,对软接触机械臂关节控制系统的硬件结构进行了设计与实现,具体包括核心控制、通信、电机驱动器、关节角度测量、力传感器、电压转换、阻尼器电流等多个模块。进一步,对软接触机械臂关节控制系统的软件结构进行了设计与实现,主要包括CAN总线通信、电机控制、阻尼器控制和信号处理等多个模块,并分别基于Verilog HDL和C语言进行了编程实现。最后,建立了软接触机械臂关节控制系统实验平台,开展了实验验证。结果表明,设计的关节控制系统能够使软接触机械臂关节完成对预定轨迹的有效跟踪,而当软接触机械臂受到碰撞力后,控制系统可通过控制磁流变阻尼器的输入电流完成对关节振动量的快速衰减,最终实现机械臂的振动抑制。
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