Регулирование тока и силомоментное управление в приводах захватных устройств роботов

В настоящее время актуальна задача совершенствования очувствленных захватных устройств роботов и их силомоментных алгоритмов управления благодаря развитию таких областей робототехники, как медицинская и реабилитационная робототехника, протезирование, коллаборативная робототехника и других областей, где стоит задача ограничения или минимизации нагрузок, действующих на объект манипулирования. Силомоментное управление в электроприводных очувствленных захватных устройствах в конечном счете обеспечивается посредством регулирования тока. Поэтому целью данной статьи является анализ работы различных регуляторов тока в контексте их применения в очувствленных захватных устройствах и манипуляторах с силомоментным управлением. В рамках статьи рассмотрены пропорционально-интегральный, адаптивный, релейный и релейный с подстройкой ширины гистерезиса регуляторы тока. Из перечисленных регуляторов перспективным регулятором тока для силомоментного управления является гистерезисный регулятор с подстройкой ширины петли гистерезиса, поскольку он обеспечивает стабилизацию частоты переключений и уменьшение пульсаций тока в импульсном усилителе мощности двигателя при сохранении высокого быстродействия и достаточной робастности. Для релейного регулятора с подстройкой ширины гистерезиса предложены редуцированная и линеаризованная математические модели контура подстройки. На основе линеаризованной модели построена методика синтеза контура подстройки, предполагающая использование стандартного частотного синтеза систем управления с обратной связью и позволяющая распространить на контур подстройки такие параметры качества, как запасы устойчивости, время переходного процесса, частоту среза. На основе синтезированных регуляторов тока проведен анализ силомоментного управления двупалым захватным устройством, учитывающий такие показатели, как точность обеспечения заданного момента, стабильность частоты переключений и пульсации тока в усилителе мощности. Результаты сравнения регуляторов могут быть использованы для рационального выбора регулятора тока, обеспечивающего моментное управление, а предложенная методика синтеза релейного регулятора с подстройкой частоты обеспечивает построение регулятора с заданными параметрами качества управления.

регулятор тока, токовый контур, силомоментное управление, очувствление, захватное устройство, схват, захват, распределение усилий

1. Malchikov A., Yatsun A., Bezmen P., Tarasov O. Control features of the electromechanical system with end-effector considering the regulated torque // MATEC Web of Conferences. EDP Sciences. 2017. Vol. 113.

2. Mesherayakov V., Voekov V., Ivashkin V. Designing the universal vector control system with relay current regulator principle for general purpose industrial AC motor drive control // Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC). IEEE International. 2016. P. 680—685.

3. Блейз Е. С., Бродовский В. Н., Введенский В. А. Следящие приводы. Т. 2: Электрические следящие приводы. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. 880 с.

4. Marques F., Flores P., Claro P., Lankarani H. A survey and comparison of several friction force models for dynamic analysis of multibody mechanical systems // Nonlinear Dynamics. 2016. Vol. 86 (3). P. 1407—1443.

5. Dutta K., Puthra P., Das P. Constant torque angle controlled permanent magnet synchronous motor drive using hysteresis band current controller // Power Electronics (IICPE), 2016 7th India International Conference on. IEEE. 2016. P. 1—5.

6. Poonia A., Dey A. Space phasor based improved hysteresis current controller for shunt active power filter using 3-level inverter // Power Electronics and Applications (EPE’16 ECCE Europe), 2016 18th European Conference on. IEEE. 2016. P. 1—10.

7. Priandana E., Saputra M., Prabowo Y., Dahono P. Analysis and design of variable double-band hysteresis current controller for single-phase full-bridge bidirectional converters // Technology Management and Emerging Technologies (ISTMET), 2014 International Symposium on. IEEE. 2014. P. 143—148.

8. Putri A., Rizqiawan A., Rozzi F., Zakkia N., Haroen Y., Dahono P. A hysteresis current controller for grid-connected inverter with reduced losses // Industrial, Mechanical, Electrical, and Chemical Engineering (ICIMECE), International Conference of IEEE. 2016. P. 167—170.

9. Gobbi R., Ramar K. Optimisation techniques for a hysteresis current controller to minimise torque ripple in switched reluctance motors // IET electric power applications. 2009. Vol. 3 (5). P. 453—460.

10. Kurian S., Nisha G. Torque ripple minimization of SRM using torque sharing function and hysteresis current controller // Control Communication & Computing India (ICCC), 2015 International Conference on. IEEE. 2015. P. 149—154.

11. Muralidhar J. E., Aranasi P. V. Torque ripple minimization & closed loop speed control of BLDC motor with hysteresis current controller // Devices, Circuits and Systems (ICDCS), 2014 2nd International Conference on. IEEE. 2014. P. 1—7.

12. Shi T., Niu L., Li W. Torque-ripple minimization in switched reluctance motors using sliding mode variable structure control // Control Conference (CCC), 2010 29th Chinese. IEEE. 2010. P. 332—337.

13. Колоколов Ю. В., Тей Д. О. Динамика релейно-импульсных регуляторов переменного тока с адаптацией гистерезиса // Вестник Югорского государственного университета. 2011. No 3 (22).

14. Серебренный В. В., Бошляков А. А., Огородник А. И. Релейные регуляторы тока электроприводов с адаптацией ширины петли гистерезиса // Десятая всероссийская мультиконференция по проблемам управления (МКПУ-2017). 2017. С. 177—180.

15. Suru C., Dobriceanu M., Subtirelu G. Direct current control by constant frequency hysteresis controller in active filtering systems // Electrical and Electronics Engineering (ISEEE), 2017 5th International Symposium on. IEEE. 2017. P. 1—6.

16. Naik A., Babu B., Panda A. Improved performance of adaptive hysteresis current controller based vector control of PMSM drive system // Students’ Technology Symposium (TechSym), IEEE. 2011. P. 303—309.

17. Quang N. K., Hieu N. T., Ha Q. P. FPGA-based sensorless PMSM speed control using reduced-order extended Kalman filters // IEEE transactions on Industrial Electronics. 2014. Vol. 61 (12). P. 6574—6582.

18. Дудкин М. М., Брылина О. Г., Цытович Л. И., Тюгаев А. В. Частотно-широтноимпульсный адаптивный регулятор переменного напряжения с интегрирующей системой управления // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2013. Т. 13, No 2. С. 45—52.

19. Panda G., Dash S., Sahoo N. Comparative performance analysis of Shunt Active power filter and Hybrid Active Power Filter using FPGA-based hysteresis current controller // Power Electronics (IICPE), 2012 IEEE 5th India International Conference on. IEEE. 2012. P. 1—6.

20. Prommeuan S., Kinnares V., Charumit C. Control of a multifunctional 3-phase 4-wire grid connected converter using adaptive hysteresis current controller // Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2014 17th International Conference on. IEEE. 2014. P. 3234—3239.

21. Talib M., Mat S., Hamidon H., Ibrahim Z., Rasin Z. Hysteresis current control of induction motor drives using dSPACE DSP controller // Power and Energy (PECon), 2016 IEEE International Conference on. IEEE. 2016. P. 522—527.

22. Farah N., Talib M., Ibrahim Z., Mat I., Lazi. Variable hysteresis current controller with fuzzy logic controller based induction motor drives. System Engineering and Technology (ICSET), 2017 7th IEEE International Conference on. IEEE. 2017. P. 122—127.

23. Tabatabaei H., Fathi S., Jedari M. A comparative study between conventional and fuzzy logic control for APFs by applying adaptive hysteresis current controller. Electrical Engineering (ICEE), 2017 Iranian Conference on. IEEE. 2017. P. 1313—1318.

24. Uddin M., Ronald S. Fuzzy logic based speed controller and adaptive hysteresis current controller based IPMSM drive for improved dynamic performance. Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), 2011 IEEE International. IEEE. 2011. P.1—6.

25. Nakashima Y., Ando T., Kobayashi Y., Fujie M. Gaitcontrolled mobility-aid robot: Treadmill motor current based anteroposterior force estimation using frictional model reflects characteristics of ground reaction force. Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob), 2012 4th IEEE RAS & EMBS International Conference on. IEEE. 2012. P. 1305—1310.

26. Aghili F. Fault-tolerant torque control of BLDC motors // IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 26 (2). P. 355—363.