EasyGo使用筆記 諧波齒輪傳動系統(tǒng)控制算法調(diào)試驗證

WordEasyGo使用筆記諧波齒輪傳動系統(tǒng)控制算法調(diào)試驗證“Easygo（仿真）平臺接口豐富，界面靈活配置，可直接運行（simulink）控制算法，控制速率最快可達幾百kHz，很好的實現(xiàn)了諧波齒輪傳動系統(tǒng)控制算法的調(diào)試驗證?！薄本┖娇蘸教齑髮W(xué)某團隊

筆記分享

諧波齒輪傳動機構(gòu)發(fā)明于20世紀50年代，利用撓性齒輪的可控彈性形變實現(xiàn)力矩和運動的轉(zhuǎn)換和傳遞，運行時因撓性齒輪頂點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、單級傳動比大、負載能力強、傳遞效率高和同軸裝配等優(yōu)點，諧波齒輪傳動廣泛應(yīng)用于航空航天、仿生（智能）（機械）、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，對空間機械臂、太陽能帆板、（通信）和姿態(tài)控制機構(gòu)等功能器件運行的精確性與穩(wěn)定性提出了更高的要求。然而在外太空環(huán)境中，傳動機構(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機構(gòu)的動力學(xué)特性，設(shè)計抗干擾控制有助于提高傳動系統(tǒng)的智能化和伺服性能。

諧波齒輪傳動實驗臺示意圖

現(xiàn)有的諧波齒輪傳動系統(tǒng)建模與控制研究主要集中在工作機理研究和動力學(xué)建模研究兩方面，較少考慮伺服傳動環(huán)節(jié)抗干擾研究，且多數(shù)控制研究局限于傳動系統(tǒng)單一特性，如傳動誤差、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償控制。針對諧波齒輪傳動系統(tǒng)存在的多源干擾，提升傳動系統(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，否則傳動系統(tǒng)傳遞精度受限。

圖諧波齒輪傳動實驗臺機械設(shè)計圖

本文為大家分享利用EasyGo仿真平臺來驗證諧波齒輪傳動位置控制算法。對此，將基于EasyGoCbox實時（仿真器）搭建的仿真測試系統(tǒng)，按照規(guī)程對諧波齒輪傳動系統(tǒng)進行系列測試，驗證了EasyGo仿真平臺的準確性與可靠性，為用戶提供高效、安全的測試平臺。

測試包括不限于：

可測量（電機）端的輸入（電流）、輸出力矩、角速度和角位置

可測量諧波減速器輸出端的輸出力矩、角速度和角位置

具有可視化實時采集和記錄系統(tǒng)所測量各個物理量的功能

具有可以伺服控制的負載力矩（模擬）加載功能

可開發(fā)不同補償控制方法對傳動系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，并對相應(yīng)的伺服控制效果進行驗證和評估

實驗臺CBox驅(qū)動部分（電氣）連接圖

實驗使用了Easygo基于實時（CPU）+（FPGA）架構(gòu)的CBox仿真機和EasyGoDeskSim仿真軟件。CBox通過物理IO對接進行控制測試，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）軟件DeskSim，無需編譯，可直接（下載）運行Simulink搭建的控制算法，助力先進控制算法在（電力電子）與電力傳動領(lǐng)域中的創(chuàng)新實踐。

諧波齒輪傳動實驗臺實物圖

為驗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諧波齒輪傳動系統(tǒng)進行仿真對比研究，選取經(jīng)典（PI）D+前饋摩擦補償作為對比方法，參考和干擾（信號）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

信號描述和控制參數(shù)

表2

諧波齒輪傳動系統(tǒng)的模型參數(shù)

實驗中CBox仿真機采集電流、位置和力矩信號，生成控制伺服驅(qū)動（MOSFET）通斷的PWM信號。對諧波齒輪傳動系統(tǒng)中固有的傳動誤差、撓性剛度、摩擦和遲滯等多源干擾，設(shè)計抗干擾控制方法，成功通過物理實驗驗證了算法的有效性。

根據(jù)測試結(jié)果分析，Netbox能較好地實現(xiàn)CHB-4的（硬件）電路模型，且端口電氣量測量效果良好。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實現(xiàn)方式具有上手快、通用性強的特點，在完成端口配置的基礎(chǔ)上可以實現(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驗室快速調(diào)試和驗證控制算法。該平臺的獨特優(yōu)勢在于豐富的模擬與數(shù)字信號接口，以及靈活配置的人界交互與配置界面，助力先進控制算法在電力電子與電力傳動