救灾机器人摆臂驱动系统及其平衡控制方法.pdf

第 4 3卷 第 7期 2 0 1 7年 7月 工矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo I ． 4 3 NO ． 7 J u 1 ．2 01 7 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 7 0 0 4 2 0 6 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 0 7 ． 0 0 9 救灾机器入摆臂驱动系统及其平衡控制方法 刘嘉 ， 胡晋 智 太原 工业 学 院 机 械 工程 系 ，山西 太 原0 3 0 0 0 8 摘 要 针 对矿 井救 灾机 器人 最 大允许 体积 及 质量 受 限 问题 ， 采 用单 逆 变器驱 动双 电动机 形 式设 计 了一种 矿 井救 灾机 器人摆 臂驱 动 系统 ， 采取 加权 求和 方法构 建 了该 系统模 型 ， 并对 该模 型双 电动机 电流关 系进行 了 推 导分析 。针 对 煤矿 井下 复杂 工况 造成 的矿 井救 灾机 器人 摆 臂 负载 不一 致 问题 ， 提 出 了一种 基 于 有 源 阻尼 机 制 的矿 井救 灾机 器人 摆臂 驱 动 系统平衡 控 制 方 法。基 于 1 5 k W 矿 井救 灾机 器人 样 机 对该 方 法进 行 了测 试 ， 结果表 明该方 法 可在 矿 井救 灾机 器人 摆臂 负载不 一致 的情 况 下 实现 转矩 动 态 匹配 。 关 键 词 煤 矿 事故 ； 救 灾机 器人 ；摆臂 驱动 ；双机 驱动 ；平衡控 制 ； 动 态转矩 平衡 ；有 源 阻尼 中 图分 类号 TD 6 7 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 7 0 6 2 7 1 6 3 0 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 0 6 2 7 ． 1 6 3 0 ． 0 0 9 ． h t ml Re s c ue r o b o t s wi ng a r m d r i v i ng s y s t e m a n d i t s ba l a n c e c o nt r o l me t h o d LI U J i a ，HU J i n z h i De p a r t me n t o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g ，Ta i y u a n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y ，Ta i y u a n 0 3 0 0 0 8 ，Ch i n a Abs t r a c t Fo r l i m i t a t i o n o f t he m a x i m u m pe r m i t t e d s i z e a nd we i g ht ，a m i n e r e s c ue r o bo t M RRs wi n g a r m dr i vi n g s y s t e m wa s d e s i gn e d b y t a ki ng a f o r m o f s i ngl e i nv e r t e r d r i v i ng d ua l mot or ．The s y s t e m m o de l wa s bu i l t by u s e o f we i ght e d s u m me t hod， a n d c u r r e nt r e l a t i o ns hi p o f t he du a l - m o t o r o f t he mo de l Wa S 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 1 - 2 6 ； 修 回日期 2 0 1 7 0 5 2 O ； 责任 编辑 李 明。 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 U1 6 1 0 2 5 1 。 作者简介 刘嘉 1 9 8 2 ～ ， 男 ， 山西祁县人 ， 讲师 ， 硕士 ， 研究方向为机械创新设 计与控制 ， E ～ ma i l t y g y 1 2 6 ． c o m。 引用格式 刘嘉 ， 胡晋智． 救灾机器人摆臂驱动系统及其平衡控制方法[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 7 4 2 4 7 ． L I U J i a ， HU J i n z h i ． Re s c u e r o b o t s w i n g a r m d r i v i n g s y s t e m a n d i t s b a l a n c e c o n t r o l me t h o d J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 7 4 3 7 4 2 47 ． [7 ] [ 8] [9 ] 王恩元 ， 何 学秋 ， 刘贞堂． 煤岩变形及破 裂电磁辐射 信 号 的 R ／ S 统 计 规 律 [ J ] ．中 国 矿 业 大 学 学 报 ， 1 9 9 8， 2 7 4 1 9 - 2 1 ． WANG En y u a n，HE Xu e q i u，LI U Zh e n t a n g． R／ S s t at i s t i c r u l e o f EM E dur i ng d e f or ma t i on a n d f r ac t ur e o f c o a l a n d r o c k [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g Te c h n o l o g y， 1 9 9 8 ， 2 7 4 1 9 - 2 1 ． 李忠辉． 受 载煤体 变形破裂表面 电位效应及其 机理 的 研 究[ J ] ． 中国矿业大学学报 ， 2 0 1 0 ， 3 9 1 1 5 3 1 5 4 ． LI Z h o n g h u i ．S t u d y o n s u r f a c e p o t e n t i a l e f f e c t a n d i t s mec ha ni s m o f c oa l du r i ng de f o r ma t o i n a nd f r a c t ur e u n d e r l o a d [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c hn ol o gy， 201 0， 3 91 1 53 1 5 4． 李业学 ， 刘建 锋．基 于 R／ S分析 法与 分形 理论 的 围 岩变形 特征 研 究 [ J ] ． 四川 I 大 学 学报 工程 科 学 版 ， [ 1 0 1 [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] 2 O1 0， 42 3 4 3 4 8． L I Ye x u e ， LI U J i a n f e n g ． S t u d y o n d e f o r ma t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f s u r r o u n d i n g r o c k b y R／ S me t h o d a n d f r a c t a l t h e o r y[ J ] ． J o u r n a l o f S i c h u a n Un i v e r s i t y En g i n e e r i n g S c i e n c e Ed i t i o n ， 2 0 1 0， 4 2 3 4 3 4 8 ． 金友渔 ， 孟宪 国．地 质时 间空间序列 定量分 析[ M] ． 武汉 中国地质大学 出版社 ，1 9 9 2 ． MA ND E L B R OT B ．分形对象 形 、 机遇 和维数[ M] ． 文 志英 ， 苏虹 ， 译．北京 世 界图书出版公 司 ，1 9 9 9 ． 孙霞 ， 吴 自勤 ， 黄昀． 分形原理及应用 [ M] ． 合肥 中国 科学技术大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． T URC OT TE D I ． 分形 与混沌 在地质 学与 地球 物理 学 中的应用[ M] ．陈颐 ， 郑捷 ， 李颖 ， 译． 北京 地 震 出 版社 ， l 9 9 3 ． 2 0 1 7年第 7期 刘嘉等 救 灾机器人摆臂驱动 系统及其平衡控制方法 4 3 d e du c e d a nd a na l yz e d．For i n c o ns i s t e nt M RR s wi n g ar m l o a ds c a u s e d b y c o m p l i c a t e d wo r k i ng c o n di t i o ns i n c o al mi ne und e r g r oun d，8 b a l a n c e c on t r ol me t ho d f or t h e s y s t e m wa s pr o po s e d b a s e d o n a c t i v e da m p i n g me c ha n i s m ．The me t h od wa s t e s t e d by us e o f a 1 5 kW M RR pr o t o t y pe，a nd t he r e s u l t s h ows t ha t t h e me t h od c a n r e a l i z e dy na mi c ma t c hi ng of t o r qu e u nd e r c o nd i t i o n o f i nc o ns i s t e nt M RR s wi ng ar m I oa ds ． Ke y wo r ds mi n e a c c i de nt r e s c u e r o bo t ； s wi ng a r m dr i v i ng； d u a l mot or s dr i v i n g； b a l a n c e c on t r ol ； dy na mi c t or que b a l a nc e；a c t i v e d a m p i ng 0 引言 为 了增强 矿 山企业 发 生安 全事 故 时 的环 境 勘测 及 人 员搜 救能 力 ， 避 免 事 故 发 生 后 人 员操 作 引起 的 二 次 事 故 问 题 ， 矿 井 救 灾 机 器 人 Mi n e Re s c u e Ro b o t ， MR R 逐 步成 为 国 内 外 矿 山 企业 、 高 校 的研 究 热 点[ ] 。美 国 R e mo t e c 公 司研 制 的 V2型 MR R 可 在 1 5 0 0 m 外 进 行 远程 遥 控 ， 通 过 光纤 传输 矿 井 环 境 信息 ， 操纵 者 能够 获 得实 时视 频和 易燃 、 有 毒气 体 浓 度信 息 ] 。卡 内基 梅 隆大学 机 器人研 究 中心 开 发 的 Gr o u n d h o g探 测 机器 人可 实 现 井下 环 境 探 测 、 井下立体地图绘制等功能， 且机械结构采用 四轮导 向、 液压驱动 ， 可实现原地零半径转弯 ] 。中国矿业 大 学 救援 技 术 与装 备 研 究 所 分 别 于 2 0 0 6年 、 2 0 1 1 年 成 功研 制 了 CUMT I 型l 6 。 J 、 C UMT I I 型 MR R 样 机 ， 均 采 取 主 动 摆 臂 形 式 。 由 于 运 行 环 境 恶 劣 、 工 况 复杂 ， MR R各 摆 臂 动 态 负 载 不 匹 配 现象 严 重⋯ ] ， 且受最大允许体积及质量的限制 ， MRR无 法 装 备 多套驱 动 装置 来完 成各 摆臂 独 立控 制l 1 。 针 对 上述 问题 ， 本 文 采 取 加 权求 和方 法 完 成 了 一 种 基 于单 逆 变器 双 电动 机 的 MRR摆 臂驱 动 系统 建模 ， 并分析了该模型的稳定性 。考虑到复杂工况 造成 的 MR R 摆 臂 负 载 不一 致 问题 ， 提 出 一 种基 于 有源 阻 尼机 制 的 MR R摆 臂 驱动 系 统 多机平 衡 控制 方法 。基 于研制 的 1 5 k W MR R 实验 样机 对该 方法 进行 测 试 ， 结 果 表 明 该方 法 可 在 MRR摆 臂 负载 不 一 致 的 情况 下实 现 转 矩 动 态 匹 配 ， 且 有 源 阻 尼机 制 对于 转 矩动 态 匹配具 有积 极 意 义 。 1 MRR摆 臂 驱动 系统 模型 单 逆 变器 双 电动机 MR R摆 臂 驱 动 系统 模 型如 图 1 所 示 。逆变 器 主 电路 拓 扑采 取 三相 电压 源逆变 器结 构 ， 直 流母 线 电压 为 U S 一 S 为 开 关 器件 。 MR R的 2个摆臂均 由永磁 同步 电动机 驱动 ， 其 三 相 电流分 别 为 i k a ， b ， c ， 转 子位 置 角度 分 别 为 0 0 转 子角 速 度分 别为 叫 一 r z 。 考 虑 到 运 行 过 程 中 各 摆 臂 运 行 状 态 具 有 差 异 性 ， 摆 臂 驱动 系统 的 电 压 、 电 流 、 磁链 等 均 存 在一 定 误差 ， 如 图 2 所 示 。 ， 分 别 为 MR R 摆 臂驱 动 系统 1 号 、 2号 电动机 磁链 ， △ 为双 电动 机 磁链 误 差 ， △ 。 △ 分 别 为 双 电动 机磁 链 误 差 d轴 、 q轴 分量 ， f f 。 分 别 为 1号 、 2号 电动 机 电 流 ， △ f 为 双 电动机 电流误差 ，△ ， △ 分 别 为 双 电动 机 电 流误 差 d轴 、 q轴 分量 。 la 2 t b 2 t 2 图 1 MR R摆臂驱动系统模型 Fi g．1 M o de l of M RR s wi ng a r m d r i vi n g s y s t e m i d 图 2 MRR摆 臂 驱 动 系 统 电 流 、 磁 链 矢 量 关 系 Fi g． 2 Cu r r e nt a nd ma gn e t i c ve c t or r e l a t i ons of M RR s wi n g a r m d r i v i n g s y s t e m 引入 加权 系数 k 构 建 MRR摆 臂 驱 动 系 统 加 权模 型 ， 即 j 一 一 z 1 I △ 一 z 一 z j 一 k m i l 一 2 ～ 厶 ， l A i 一 f 2 一f 1 j 一 k m W rl 一 是 m 3 ， I △ ￡ J 叫 2 一 c ， l 式 中 为 MR R 摆 臂 驱 动 系 统 加 权 磁 链 ； i 为 4 4 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 MR R摆 臂 驱动 系统 加权 电流 ； 叫 为 MR R摆 臂驱 动 系统加 权 角速 度 ； △ ∞ 为双 电动 机角 速度 误差 。 令 MRR摆臂 驱 动 系 统 加 权 磁 链 为 主 定 向 矢量 ， 建立 以 方 向为 d轴 的系统等效模型 f 一 J △ 一 △ r j△ r 4 ‘ t 斗 ， I i s s j 【 A i 一 A i 幽 j Ai 。 进 一 步建 立双 电动 机转 矩方 程 T⋯一 T 1 T 2 o r r1 i l l， r 2 f 2 5 式 中 T ⋯ 为 系 统 等 效 转 矩 ； T T 分 别 为 1号 、 2号 电 动机输 出转 矩 ； P为 电动 机极对 数 。 将式 1 、 式 2 代入式 5 ， 得 T 一 T 1 T 2 一 p [ 一 1 k △ ] [ f 1 k A i ] 昔p 1 k △ 。 k A i 6 式 6 中加权 系 数 k 将 决 定 MR R摆 臂 驱 动 系 统 在负 载不 平衡 情 况下 的动 态 响应特 性 ， 即 一 假 设 MR R 摆 臂 驱 动 系 统 出 现 负 载 不 平 衡 现 象 ， 1号 电动机 负 载突增 ， 对 应 加权 系数 k 增 大 ， 此 时 系统 以 1号 电动 机 为 主 电动 机 ， 保 证 1 号 电动 机 转速 快速 恢 复至 期 望值 。 2 MR R摆 臂驱 动 系统 双 电动机 电流 关 系 对 于单逆 变 器 双 电 动 机 MRR摆 臂 驱 动 系 统 ， 双 电动机 采 用并联 方 式连 接 同一 逆 变 器 ， 任 意 时刻 双 电动机 端 口电压矢 量保 持一 致 。考 虑到 双 电动机 运行 过程 中磁 链位 置 的差 异 性 ， 摆 臂驱 动 系统 双 电 动机 电压 满足 关 系 [ ] 一 [一 CO S O d in Od ] r V d 1i 0 CO S O d ] ㈦ _j一 _ __ n ⋯ J 式 中 V V 分 别 为 l号 电 动 机 电压 d轴 、 q轴 分 量 ； ， 7 3 。 分别 为 2号 电动 机 电压 d轴 、 q轴分 量 ； 0 为 1号 、 2 号 电动机转 子 位置 角度 差 ， O d 一0 一0 由式 8 可 得 MR R 摆 臂 驱 动 系 统 双 电 动 机 电流 一 [ 一 C O S Odi sin 0 C OmS 0d i ] L J L d 儿 。1 2 [ 一 [ 。 0 1 ] 9 R L L 一 ∞ L R 儿 co s 一_J 式 中 i ， i 分 别 为 1号 电动 机 电流 d轴 、 q轴 分 量 ； i 。 ， i 。 分 别为 2号 电动 机 电流 d轴 、 q轴分 量 ； R 为 电动机 定子 电阻 ； L 为 电动 机定 子 电感 。 分 析式 9 可知 ， 2号从 电动机 电流包 括 2个 部 分 一 部分 由 1号 主电动 机 电流经 坐标 变换 得 到 ， 另 一 部分 由反 电动势经 电动机 阻抗折 算得 到 。可看 出 电动机 定子 电阻 R 的 占比随加权 角速 度 叫 的增 大 而 减小 ； 无 功阻 抗 分 量 C O L 在 式 9 中以 反对 角 矩 阵形 式存 在 ， 其 收敛 时间 随加权 角速 度 的增 大 同 步增大 ， 即 MRR摆臂驱动系统 的稳定性 降低 。忽 略 电动 机 定 子 电 阻 R ， 且 令 电动 机 加 权 角 速 度 较 大 ， 式 9 可转 换为 r d 2 ] r C O S 0 d s i n O d ] r d l _ l J l 一 i n 0 C O S J l J o ] 『 删 ] 1 0 ∞ L L 一 cJ L 0 J t c o s o d 一1 从式 1 o 可看 出 ， 2号 从 电动机 电流 d轴 、 q轴 分量 独立 于 电动机 加权 角速 度 叫 ， 且仅 与 1 号 、 2号 电动机转 子位 置角 度 差 有 关 。设 1号 、 2号 电 动 机均为 1 5 k w 永磁 同步 电动机 ， 其设计参数一 致 额定 转 速 为 7 5 0 r ／ mi n ， 极 对 数 为 4 ， 永 磁体 磁 链 为 1 Wb ， 定 子 电 感 d 轴 、 q轴 分 量 分 别 为 0 ．6 ， 1 ． 2 mH。 1号 主 电 动 机 输 出 转 矩 分 别 为 0 ， 1 2 ， 2 4 N m， 2号从 电动 机 空 载 时 ， 2号 从 电动 机 电 流 如 图 3所 示 。可 看 出 1号 主 电 动 机 负 载 不 同 时 ， 2号从 电动机 电流 d轴分 量 i 。 随 增 大 呈先 增 大 后减 小趋 势 ， q轴 分量 i 随 0 呈 逐 渐 减小 趋 势 。可 见 ， 1号主 电动机 负 载不 同 ， 使 得 2号从 电动 机 耦 合 出不 同 的 d轴 、 q轴 电流 分 量 。在 双 电动 机 转 子位 置角 度差 0 一 定 时 ， 通 过 调 节 1号 主 电动 机 电流 d轴 、 q轴 分 量 ， 可 实 现 对 2号 从 电动 机 电 流 d轴 、 q 轴 分量 的控 制 ， 从 而 调节 2号从 电动机输 出转 矩 。 3 MR R摆臂 驱动 系统 有源 阻 尼控制 方 法 MR R 摆臂驱 动 系统 动力 学方程 为 l 丁 1 一J ]C [tO_ rl B 叫 1 T l 』1 f C l ￡ ． 11 l 2 T 一J ]d CO r2 B 2 T I．2 l U 式 中 为 电动机 转动惯 量 ； B 为摩 擦 因数 ； T ， T 分 别 为 1号 、 2号 电 动机 负载 转 矩 ； T 为 由 双 电动 机 磁链 角度 误差 产 生 的耦 合转 矩 。 以 MR R摆 臂 驱动 系统加 权磁 链 为 矢量 控 制 定 向磁链 ， 1号 主 电动机 电流 q轴 分量 i 可 精 确 控 制 1 号 电 动 机 输 出 转 矩 ， 耦 合 转 矩 T 。 可 定 义 为 2 0 1 7年 第 7期 刘 嘉等 救 灾机 器人摆 臂 驱动 系统及 其 平衡控 制 方法 4 5 一 2 ． 0 一 1 ． 5 1 ． 0 - 0 5 0 0 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ．0 O d ／ r a d a d轴分量 b q轴 分 量 图 3 2号从电动机 电流 Fi g． 3 Cur r e n t of No ．2 mot o r 2号从 电动 机 的附加 转矩 。由式 1 1 得 Ti 一 T 2一 T 1一 TL 2 4 -TI 』 1一 J d A w r 4- BA 叫 一 T。 1 2 式 中 T i 为 MRR摆臂驱动系统等效输入转矩。 采 用分 段 线性 法令 双 电动机 转子 位置 角度 差 与耦合转矩 T 呈线性关系 ， 即 T 一 K0 0 d 1 3 式 中 K。 为分段线性参数 。 K 一 鼍 2 2 * d O d 14 式 中 为 MR R 摆 臂 驱 动 系 统 双 电动 机 初 始 磁 链 误 差 角 。 由此 可得 与 之 间的 传递 函数 O Ar 一 B s p K 1 5 T i J 一 ⋯ 为 了 保 证 MR R 摆 臂 驱 动 系 统 的 稳 定 性 ， 对式 1 5 的极点进行分析， 其取值为 Sl,2 一 -- B -4 - ／ B2 4- 4 J p K o0 S l U 1 6 一 i O 化简 式 1 6 可得 ， 分段 线 性 参 数 K 需 满 足 K d 0 ， 即可保 证 MR R摆 臂驱 动 系统趋 于稳 定 。由 式 1 4 可知 ， 中包 含 i 。 对 的微 分项 ， 无 法保 证 K 在 动态 扰动 过 程 中小 于 0 。因 此 ， 在 MRR摆 臂 驱动 系 统 中引入 有 源 阻尼 机 制 ， 以保 证 系 统 动态 稳 定 。MR R摆臂 驱 动 系统 有 源 阻 尼 控 制 方 法 如 图 4 所示 。∞ 为 MR R摆臂 驱 动 系统 给 定 角 速度 ， 其 与 2号从 电动 机 角 速 度 的差 值 △ 经 比例调 节 器 P， 得到 2号从 电动机给定等效转矩 T 曼， 结合双 电 动机角度误差 确定需 向 2号从 电动机 注入 的阻 尼 电流 五 。 五 与最 大转 矩 电流 比 电流 T P 相 加 ， 即可 得到 系统 给定 电流 d轴 分量 i 。需 要 注意 的是 ， 五 。 仅在 MR R摆臂驱动系统双电动机负载不 平衡 时 出现 ， 待 系 统重 新 回归 稳 态后 ， 五 将逐 步 趋 近于 0 ， 且趋近速率及稳态收敛效果由比例调节器 P 控制 。 图 4 MR R摆 臂驱动系统有源阻尼控制方法 Fi g ． 4 Ac t i v e d a mp i n g c o n t r o l me t h o d o f M RR s wi n g a r m dr i v i ng s ys t e m 4样 机测试 与 分析 MR R摆 臂 驱动 系统 样 机 如 图 5所 示 。 电动机 参 数 与 第 2节 中 一 致 。 控 制 电 路 采 用 ARM 4- F P GA结 构 ， 可 实现 MR R摆臂 驱 动 系统 控 制 、 与上 位机多端 口通信 、 驱动保护功能， 并可以光纤触发形 式输 出 P WM 波形 。 图 5 MRR摆 臂 驱 动 系统 样 机 Fi g． 5 Pr ot o t y pe of M RR s wi ng ar m dr i vi ng s ys t e m MRR 摆 臂 驱 动 系 统 平 衡 控 制 模 型 如 图 6所 示 。其包括加权模型状态观测器、 主 电动机控制环 节 、 有 源 阻 尼 控 制 环 节 、 S VP WM S p a c e Ve c t o r P u l s e Wi d t h Mo d u l a t i o n ， 空 间矢 量脉 宽 调制 环 节 4个部分。i ， i 为系统电流 d轴、 g轴分量 ， ， 为 系统 给定 电 流 d轴 、 q轴 分 量 ，“ ， 为 系 统 给 定 电压 d轴 、 q轴 分量 。 MRR 摆 臂 驱 动 系 统 稳 态 实 验 结 果 如 图 7所 示 。 1 号 主 电 动 机 a 相 电 流 i 幅 值 较 大 ， 约 为 4 6 工矿 自动 化 2 O 1 7年 第 4 3卷 ⋯⋯⋯⋯⋯地 丝 然全 娌捌 挞一 j 2 I I 电动机 图 6 MRR摆 恃 驱 动 系统 平 衡 控 制模 型 Fi g． 6 Ba h mc i ng c ont r ol mo de l of M RR s wi ng ar m dr i v i ng s ys t e m 2 5 A。 2号 从 电 动 机 a相 电 流 i 幅 值 较 小 ， 约 为 8 A， 二者 频 率 均 为 5 0 Hz 。 可见 在 单 逆 变 器 驱 动 下 ， MR R摆 臂驱 动 系统 双 电动 机 电 流 幅值 不 同 、 频 率 一致 ， 即 可在 负 载不平 衡状 态下 运行 于 同一 转速 。 1 号 主 电动机 电流 轴 分 量 i 1 0 A， 2号从 电 动 机 电流 d轴 分量 i 一0 ， 可 见在稳 态情 况下 ， 不 为 0 ， 其调 节 得 到 的 1 0 A 电流用 于 完 成 对 2号 从 电 动 机 的转 矩控 制 。 l al ～] ’r q ’ ⋯ 一 ’⋯⋯P⋯一⋯ 。 ， 一 - 弹 I一 ■ “ ‘ I骥 一 | ． ．_-- MR R 摆 臂 驱 动 系 统 动 态 实 验 结 果 如 图 8所 示 。1号 主电动 机保 持 空载 特性不 变 ， 2号从 电动 机 输 出转 矩 在 0 ． 5 s时 r } 1 0突增 为 2 O N m。可 看 Ⅲ ， 未 采朋 有 源 阻 尼控 制 方 法 时 ， 了 、 突 变 会 引 起 2号从 电动机 角速 度 叫 1号 主 电 动机 电流 c _『 轴 分 量 i 。 m现 大 幅 度 多周 期 振 荡 。虽 然 MRR摆 臂 驱 动 系统 自身 的 阻尼 特 性 最 终 可使 ，r 稳 定 ， 但 是 振 荡周 期 过 长 1 0个 基 波周 期 以上 ． 造 成 MRR摆 臂 驱 动 系统 动态 失 稳 。 采 取 有 源 阻尼 控 制 方法 后 ， r r l 一一， 一．- ．L I ． ． 一 一～～⋯一一～ Y’T T r r T_ r’ 母 豁 瓣 辩 黼 l 黼 魏 赣辩 释l 鹚 l 鹣 磷 { ≈ 蓐 ＼ I ．⋯一 一_l ，一 一 a 未采用有源阻尼控制方法 h 采 用 有 源 【 拄 制 方法 冈 8 MRR摆 臂 动 系统 动 态 实 验 结 果 Fi g． 8 1 y na mi c s t a t e e x pe r i me nt r e s ul t of M RR s wi ng a r m dr i vi ng s y s t e m 突变后 ， 山 收 敛 时 『 白 J 更 短 ， 扰 动 持 续 时 间 小 于 0 ． 1 s 1 ～2个基 波 周 期 。可 见有 源 阻 尼控 制 方 法 可有效 提 高 MR R摆 臂驱 动 系统 的动态收 敛特性 。 5 结语 采 H { 单 逆 变器 驱 动 双 电 动 机形 式 设 计 r一 种 MR R摆 臂驱 动 系统 ， 并 针 对 该系 统 负 载 不 配 问 一 蟓， V l 一 ＼ 爨 群 密 昌 一 ＼ 避 娶 2 0 1 7年第 7期 刘嘉等 救 灾机器人摆臂驱动 系统及其平衡控制方法 4 7 题 ， 提 出 了一 种基 于有 源 阻 尼 机 制 的 系统 平 衡 控 制 方法 。实验 结 果 表 明 ， MR R 摆 臂 驱 动 系 统 的 双 电 动机 电流存在交叉耦合关 系， 通过向从 电动机注入 阻尼 电流 ， 可 在不 改变 主 电动机 输 出转 矩 的情 况 下 ， 实现对 从 电动机 输 出转 矩 的有 效 控 制 ；MR R 摆 臂 驱动 系统 有源 阻 尼控 制 方 法 引 入 动 态 阻 尼 分量 ， 对 于提 升 MR R摆 臂 驱动 系 统动 态转 矩 平衡 能 力具 有 积极意义 ， 在相同负载扰动情 况下缩短 了转矩收敛 时间 。 参考文献 R e f e r e n c e s [1 ] [2] [3] [4] [5 ] [6 ] 田丰 ， 方海 峰 ， 李允旺． 矿井救灾机器人能量效 率模型 研 究E J 3 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 1 0 1 5 1 8 ． TI AN F e n g，F ANG Ha i f e n g，LI Yu n wa n g ． Re s e a r c h o f s e l f - l o c a t i o n me t h o d o f mi n e r e s c u e r o b o t [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n， 2 0 1 4， 4 0 1 0 1 5 - 1 8 ． 蔡李花 ， 方海 峰 ， 李 允 旺， 等． 矿井 救灾 机器人 自主 定 位方法 研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 7 6 2 6 7 ． CAI Li hu an， FANG H a i f e ng， LI Yunwa ng， e t a 1 ． Re s e a r c h o f e n e r g y e f f i c i e n c y mo d e l o f mi n e r e s c u e r o b o t [ J ] ．I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 5 ， 4 1 7 6 2 6 7 ． GROS SMAN L． Re s c u e r o b o t s c o u l d h e l p i n n e x t Tu r k e y mi n e d i s a s t e r[ J ] ． Ne w S c i e n t i s t ，2 0 1 4 ， 2 9 7 0 2 2 2 2 4 ． HUANG Q J ， N0NAMI K． Hu ma n i t a r i a n mi n e de t e c t i ng s i x - l e gg e d wa l ki ng r o bo t a n d hy br i d ne ur o wa l k i n g c o n t r o l w i t h p o s i t i o n ／ f o r c e c o n t r o l[ J ] ． M e c h a t r o n i c s ， 2 0 0 3， l 3 8 7 7 3 - 7 9 0 ． 张志超 ， 郑之增 ， 方海 峰 ， 等． 矿井救 灾机 器人 的导航 定位研究 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 8 ， 2 9 1 1 4 1 4 3 ． ZHANG Zh i c h a o，ZH EN Zhi z e ng， FANG H a i f e n g， e t a 1 ． Re s e a r c h o n n a v i g a t i o n a n d l o c a l i z a t i o n t e c h n o l o g i e s f o r mi n e r e s c u e r o b o t s [ J ] ．C o a l Mi n e Ma c h i n e r y， 2 0 0 8 ， 2 9 1 1 4 1 - 4 3 ． MURPHY R R，KRAVI TZ J ，S T0VE R S L，e t a 1 ． [8] E 9] [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 - ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] Mo b i l e r o b o t s i n