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1、-范文最新推荐-1 / 12Simulink 单自由度机械臂控制研究摘要机械臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。单自由度的机械臂作为机械臂中最简单的一种，其在机电系统教学中，对于学习电机原理，电机控制方法及机电一体化系统设计有非常重要的作用。12067本旨在通过对单自由度机械臂的研究，初步了解和掌握电机原理，机电系统的控制及机电系统的仿真模型的建立。从而为进一步在实践中应用打下基础。本文首先介绍了所使用的电机系统，即基于MAXON 公司出品的 RE50 型电机的单自由度机械手臂, 以及所使用的仿真
2、软件，MATLAB 软件中的Simulink 框图仿真模块。其次，本文建立了基于Simulink 框图仿真模块的机电系统仿真模型，并进行仿真实验。最后，本文通过实验运用 EPOS Positioning Controller 软件对电机进行实际控制操作，实践所学习的理论，并与仿真实验数据进行了比较。关键词机械臂 控制 Simulink EPOS 毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleSingle degree of freedom robotic arm controlAbstractRobotic arm is the most practical application in the f
3、ield of robotics machinery, it could be seen in the field of electromechanical, such as industrial manufacturing, medical treatment, entertainment, military and space exploration. A single degree of freedom robotic arm is very important in the teaching of electromechanical systems for learning motor
4、 principle, motor control method and electromechanical system design as the most simple robotic arm. -范文最新推荐-3 / 12机械臂在军事领域，尤其是自行火炮中的应用对于提高火炮射速有着极其现实的应用意义。在现代化战争中，由于精确打击武器的大量使用，雷达信息网络的覆盖，传统火炮在机动性方面的缺陷将火炮自身置于非常危险的境地，因此火炮的火力机动性显得愈发重要。尤其对于坦克炮、自行火炮等高机动武器，其火炮射速的高低直接影响着射击效果，提高射速可以缩短火炮完成射击任务的时间，提高武器系统自身的生存
5、能力，而采用自动装填系统是提高火炮射速的关键1 。这些自动装填系统是一个复杂的机电系统，其中既有完成动作的机械部分，也有控制机构动作顺序，完成装填任务的炮弹装填控制电路等电气部分，即装填机构控制装置。自动装填系统的机构动作是否准确，是否有足够的速度以满足时间等要求，这些都需要通过设计来达到要求。这些复杂的机电系统实际上就是一个个机械臂，通过对机械臂的控制研究，掌握复杂机电系统的设计方法具有非常重要的意义。而单自由度的机械臂对于作为最简单的机械臂，对于分析研究机电系统有非常重要的意义。1.2 本论文的主要工作本论文通过对已有单自由度机械臂在 MATLAB 中建立仿真模型，进行仿真。并进行机械臂实
6、体控制实验，掌握 EPOS 电机控制软件的实际应用。对比仿真模型与实验是数据，验证仿真模型。2 机电系统元件及其控制软件介绍MAXON 电机公司是一家高精密驱动系统供应商，在功率 500W 以内的高精密电机和驱动系统中，MAXON MOTOR 处于领先地位。该公司总部在Sachseln,上瓦尔登州（瑞士） ，开发和生产直流电机（具有世界范围内先进的空虚杯绕组技术） ，正齿齿轮减速器和特殊齿轮减速器，伺服驱动器和编码器等。生产有刷直流电机包括 A、A-max、F、RE 、RE-max等系列，无刷电机包括 EC、EC-max、EC 盘式电机-范文最新推荐-5 / 12等。 表 2-2 额定电压下
7、RE50 型电机的工作参数额定电压下的参数电机特征值额定电压（V）24 终端电阻（Ω）0.113空载转速（rpm）5780 终端电感（mH ）0.0937空载电流 （mA）225 扭矩常数（mNm/A ）39.6额定转速（rpm）5540 速度常数（rpm/V）241额定转矩（mNm）354 速度/扭矩（ rpm/mNm）0.687额定电流（A）9.15 机械时间常数 （ms）4.20 失速转矩（mNm）8420 转子惯性（ gcm2）584启动电流（A）212最大效率（%）942.5GP 52C 型行星齿轮减速器由于电机输出值转速非常高，若使用普通齿轮难以将转速降低到适合工作的区
8、间。因此在本系统中同样采用 MAXON 公司生产的行星齿轮减速器 GP 52C 将电机输出轴减速。该行星齿轮减速器结构及参数列于下面图表中。图 2-4GP 52C 行星齿轮减速器-范文最新推荐-7 / 12表 2-3GP 52C 行星齿轮减速器参数减速比绝对减速比惯性质量（gcm2）最大电机周径（mm）230:18281/3616.8103Simulink 框图仿真3.1MATLAB/Simulink 仿真软件介绍MATLAB 是 Mathworks 公司推出的数学仿真软件，它具有功能强大的矩阵运算、数据处理能力，是自动控制领域应用最广泛的仿真软件。Simulink 是MATLAB 的主要工具
9、箱之一，支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统仿真，具有以下特点： 除了上述的常规建模方法之外，SimMechanics 还提供了一种更快捷的建模方法——将CAD 软件 SolidWorks 建成的三维模型转换成SimMechanics 模型。通过 CAD 转换器，转换成 XML格式的文件，然后通过 SimMechanics 模型生成SimMechanics 模型5。机电动力系统仿真一般过程包括数学模型建立、仿真模型建立（又称为二次建模）和仿真实验三个阶段。由于实体（图 3-1）已经存在，本章重点论述仿真模型在 MATLAB/Simulink 平台上的实现，详细阐述
10、仿真模型的建立过程。图 3-1 电机系统实体模型3.3 系统建模建模是根据研究对象的基本物理规律，抽象出描述其运动规律的数学模型的过程。一般地，系统建模有两种方法：一种是机理分析法6,即通过系统本身的机理（如物理、化学规律）建立系统模型，通常称其为“白箱”问题。机电动力系统一般都具-范文最新推荐-9 / 12有确定的物理结构和电磁关系，故一般采用机理分析法建模；另一种是实验法，由系统的输入输出信号来推断系统的数学模型，称为“黑箱”问题。实验法一般用在模型不确定时的建模（如社会学、统计学等） ，有时也可以用在对机电系统模型的修正上，如通过实验获得的
11、磁化曲线就能修正电机的数学模型，使模型更加准确。机电动力系统可分为电磁耦合和机械动力两个部分，以电机为例，电磁耦合部分包括电机的定转子电流及其产生的磁场等。机械动力部分包括转子运动方程、转子位置角和各种阻力摩擦。机电之间的耦合通过电流和磁场相互作用产生的电磁转矩来实现。实际系统十分复杂，往往不可能对其全部的细节进行描述，故模型一般建立在理想化电机假设基础上。传统电机的一般建模方法和数学模型在文献7中都有线性介绍，接下来主要介绍 Simmechanics 框图仿真模型的建立。 4） 使用 Mechanical Rotational Reference 模块将电机轴 C 端支撑，表示将电机与机架相
12、联接，使电机位置固定。5） 为测量励磁绕组电流，在直流电压源与电机正极之间插入电流表即 Current Sensor 模块及显示器Current(一个 Scope 模块用于显示仿真数据)。其中Current Sensor 模块是一个封装好的自定义模块（图3-8） 。图 3-7Friction 摩擦模块参数图 3-8Current Sensor 模块在封装模块 Current Sensor 中有一个 Simulink 自带的 Current Sensor（即电流表） 。整个模块将不可直接在 Scope 显示器中显示的信号转换成可显示信号。6） 最后在电机系统（图 3-9）输出端加入运算求解器 S
13、olver Configuration 即完成电机系统模型的建立。-范文最新推荐-11 / 12图 3-9 电机系统仿真框图3.3.2 机械系统仿真模型的建立由图 3-1 可以看出来，机械系统部分的组成顺序依次是行星齿轮减速器 GP 52C、联轴器、齿轮减速器（减速比为 3.82）及机械臂。因此首先建立行星齿轮减速器 GP 52C 的仿真框图模型。由于行星齿轮减速器是封装的成品，只有工作参数没有内部结构，因此采用 Simulink 中的齿轮箱（Gear Box）代表该行星齿轮减速器，仅需要设置（通过表3 查找）减速比即可。由于运动仿真中联轴器不影响机电系统的转速等运动学特征量，再次将模型简化，在仿真框图中忽略联轴器的影响。 下面重点介绍二级齿轮减速箱模型的建立。1） 拖动 Ground 模块（图 3-10）放在仿真界面中用以定义小齿轮转轴的位置为坐标系原点。在模块属性设置界面内选中 Show Machine Environment port 复选框。拖动 Machine Environment 模块（图 3-11）设置仿真环境重力加速度，将两个模块连接起来。2） 定义小齿轮的转动自由度，即 Revolute 模块（图 3-12） ，设置小齿轮轴线所在的方向，并将Number of sensor/ actuator ports 设置为 1，即增加一个传感器/激励端口。
