摘要：針對(duì)末端效應(yīng)器是一個(gè)典型的非線(xiàn)性系統(tǒng)，且在微重力、環(huán)境溫度變化劇烈的太空中，機(jī)械機(jī)構(gòu)的參數(shù)隨著負(fù)載狀態(tài)和環(huán)境變化而變化，很難得到一個(gè)準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型。因此文中研究的主要內(nèi)容是在空間環(huán)境中，如何實(shí)現(xiàn)末端效應(yīng)器穩(wěn)定可靠的控制，完成捕獲、拉緊及鎖合任務(wù)。設(shè)計(jì)了高可靠性的獨(dú)立控制系統(tǒng)，并且從軟硬件的角度采提高系統(tǒng)的可靠性；在高可靠性獨(dú)立控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用合理的容錯(cuò)控制策略來(lái)提高末端效應(yīng)器的可靠性和延長(zhǎng)使用壽命。
關(guān)鍵詞：末端效應(yīng)器；可靠性；控制系統(tǒng)；容錯(cuò)控制

    隨著我國(guó)的空間站建設(shè)已經(jīng)提上日程，空間站建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)工程，在建設(shè)過(guò)程中要求有搬運(yùn)能力強(qiáng)的空間大機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)飛行器和機(jī)械臂之間的數(shù)據(jù)傳輸，并能夠提供航天員出艙活動(dòng)的平臺(tái)。針對(duì)上述要求末端效應(yīng)器無(wú)疑是最合適的方案。
    鎖合末端效應(yīng)器(簡(jiǎn)稱(chēng)末端效應(yīng)器)是大型空間站機(jī)械臂的一部分，包括捕獲機(jī)構(gòu)、拉緊機(jī)構(gòu)和鎖合機(jī)構(gòu)，主要完成對(duì)目標(biāo)飛行器的捕獲、抓取及釋放等任務(wù)。末端效應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、兼容性好、在軌壽命長(zhǎng)、可靠性高和相互性好等優(yōu)點(diǎn)。
    為了實(shí)現(xiàn)高可靠性末端效應(yīng)器控制系統(tǒng)，提出并設(shè)計(jì)了高可靠性獨(dú)立控制系統(tǒng)，并且通過(guò)從軟硬件的角度提高系統(tǒng)的可靠性；在高可靠性獨(dú)立控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了合理的容錯(cuò)控制策略。該系統(tǒng)能夠完成對(duì)其準(zhǔn)確測(cè)試。

1 高可靠性獨(dú)立控制系統(tǒng)
    末端效應(yīng)器機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以看作是一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，首先需要考慮在兩個(gè)位置之間的運(yùn)動(dòng)軌跡，也就是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題，然后根據(jù)規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)行執(zhí)行器的控制，因此末端效應(yīng)器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括任務(wù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行級(jí)控制。
1．1 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃
    對(duì)于末端效應(yīng)器的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)劃較為簡(jiǎn)單而且固定。為保證長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的工作，需要減少摩擦損耗，因此要保證運(yùn)動(dòng)應(yīng)盡可能的平滑，也就是要求加速度要小并且變化平緩，速度變化也要平緩。在該要求下，最終的速度軌跡可以采用梯形、正弦形等形式，通過(guò)采樣得到一組合適的軌跡點(diǎn)輸入到控制輸入端即可。一般情況下，速度控制的主要功能是通過(guò)有目的地限制加速度來(lái)減少軌跡誤差。為避免驅(qū)動(dòng)軸產(chǎn)生沖擊、失步、超程和振蕩，保證運(yùn)動(dòng)部件的平穩(wěn)和準(zhǔn)確定位，在啟停階段或各程序轉(zhuǎn)接時(shí)，要進(jìn)行加減速控制，以使進(jìn)給速度平滑過(guò)渡。
    目前運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的加減速規(guī)律包括很多，常見(jiàn)的加減速控制算法有直線(xiàn)、三角函數(shù)、指數(shù)、拋物線(xiàn)、S曲線(xiàn)加減速等算法。在本系統(tǒng)中采用了三角函數(shù)加減速規(guī)律，如圖1所示。由于三角函數(shù)的計(jì)算復(fù)雜，不能滿(mǎn)足數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求?？梢允孪葘?duì)其進(jìn)行處理，將其做成查找表的形式存放于內(nèi)存中。

     由于三角函數(shù)加減速規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)平滑運(yùn)動(dòng)，采用這種運(yùn)動(dòng)軌跡，使得控制更加容易，并且潛在里也會(huì)提高系統(tǒng)的控制精度，延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命。三角函數(shù)的最大加速度、速度等參數(shù)要結(jié)合電機(jī)的參數(shù)和負(fù)載情況進(jìn)行選擇。
1．2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行級(jí)控制設(shè)計(jì)
    在確定了控制系統(tǒng)期望輸入以后，關(guān)鍵是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行級(jí)控制問(wèn)題，也就是無(wú)刷直流電機(jī)的控制問(wèn)題。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，保留了直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，并且特別適合空間環(huán)境，因此我們這里主要考慮執(zhí)行單元無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制問(wèn)題。
    由于運(yùn)動(dòng)主要依靠機(jī)械機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，因此末端效應(yīng)器控制系統(tǒng)性能要求主要考慮抵達(dá)位置的高精度。高精度主要指的是控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，也就是說(shuō)要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差要小，而對(duì)動(dòng)態(tài)特性要求不高。
1．2．1 控制方案
    由直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程可知，在忽略摩擦阻尼的情況下，加速度與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩成正比，而且轉(zhuǎn)矩又與電機(jī)的電流成正比，因此，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高精度高動(dòng)態(tài)性能控制，就需要同時(shí)對(duì)電機(jī)的速度、電流及位置進(jìn)行檢測(cè)和控制。因此，本控制系統(tǒng)通過(guò)三閉環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，如圖2所示。

    當(dāng)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，給定的位置信號(hào)Ua與反饋位置信號(hào)Ub的偏差經(jīng)過(guò)(位置環(huán))PID調(diào)節(jié)得到速度的參考值Vg；控制器根據(jù)測(cè)出的反饋位置信息計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速，Vg與當(dāng)前轉(zhuǎn)速的偏差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)(速度環(huán))得到電流的給定電壓參考值Uig；電機(jī)繞組電流反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)電流傳感器的檢測(cè)得到當(dāng)前主回路的電流反饋電壓值Uif，將Uif與Uig進(jìn)行PI計(jì)算，得到的電流調(diào)節(jié)器的輸出去調(diào)節(jié)占空比，進(jìn)而控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)位置、轉(zhuǎn)速、電流或轉(zhuǎn)矩的控制。
    在三閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電流環(huán)和速度環(huán)均為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)。電流環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的快速性，抑制電流環(huán)內(nèi)部干擾，限制最大電流保障系統(tǒng)安全運(yùn)行，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。速度環(huán)的作用是增加系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，抑制速度波動(dòng)，速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤的性能，位置環(huán)采用PID控制。
    因?yàn)槟┒诵?yīng)器的控制主要考慮位置精度，而對(duì)動(dòng)態(tài)特性要求不高，因此本系統(tǒng)中采用了包含位置環(huán)在內(nèi)的三閉環(huán)的控制方式。
1．2．2 中心控制器硬件實(shí)現(xiàn)方案
    本系統(tǒng)的中心控制器采用的是DSP TMS320F2812芯片，此芯片內(nèi)集成了A／D、PWM控制器、CAN控制器等功能模塊，使得電機(jī)的控制相對(duì)簡(jiǎn)單。另外，采用高性能DSP為控制核心的電機(jī)系統(tǒng)具有性能優(yōu)越、高可靠性、快速響應(yīng)、體積小、重量輕等特點(diǎn)。在系統(tǒng)中設(shè)置了速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實(shí)行串級(jí)連接，把速度調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。如圖3即為基于DSP芯片TMS320F2812的實(shí)現(xiàn)框圖。

1．2．3 控制系統(tǒng)硬件各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方案
    1)PWM控制電路實(shí)現(xiàn)
    本系統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速主要考慮采用PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)速。調(diào)壓調(diào)速是無(wú)刷直流電機(jī)目前最常用的一種調(diào)速方式，主要是通過(guò)改變加在電機(jī)電樞繞組兩端的電壓來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方法通常將電機(jī)的電壓由額定電壓向下調(diào)節(jié)電樞電壓，達(dá)到使電機(jī)轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速變?yōu)橄蛳抡{(diào)速，這種調(diào)速方法調(diào)節(jié)的過(guò)程中損耗的能量小，且轉(zhuǎn)速過(guò)程中系統(tǒng)波動(dòng)比較小，靜態(tài)的穩(wěn)定性較高，響應(yīng)速度快。是當(dāng)前無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用最常見(jiàn)的、運(yùn)行最穩(wěn)定、最有效的調(diào)速方式，它通常有PWM調(diào)節(jié)方式、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)方式以及靜止變流機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)方式。目前無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)也大多都采用調(diào)壓調(diào)速中的PWM調(diào)節(jié)方式。
    PWM調(diào)節(jié)方式是一種根據(jù)能量轉(zhuǎn)換等效原理，是由將固定不變的系統(tǒng)電壓斬截成占空比可變的PWM波，經(jīng)過(guò)改變占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)電樞兩端平均電壓的電壓調(diào)節(jié)方式，這種調(diào)節(jié)方式的特點(diǎn)具有體積小、凋速性能好、成本低、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，與此同時(shí)，它也比較容易與控制器之間構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制方法也顯得靈活多變。因此，我們采用PWM調(diào)壓調(diào)節(jié)方式。在本系統(tǒng)中PWM脈沖波的產(chǎn)生是直接通過(guò)DSP的PWM口得到。
    2)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    對(duì)于末端效應(yīng)器系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電路部分采用專(zhuān)門(mén)的集成的驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)合MOSFET實(shí)現(xiàn)。為了避免和DSP之間產(chǎn)生干擾，增強(qiáng)可靠性，采用光電隔離模塊和集成驅(qū)動(dòng)模塊共同構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET管。如圖4所示，由光電隔離模塊和IR2112模塊組成的驅(qū)動(dòng)A相橋臂的連接方式。光耦部分起到隔離和電平轉(zhuǎn)換的作用。驅(qū)動(dòng)三相全橋電路需要6路PWM信號(hào)，而IR2112只能同時(shí)輸出2路PWM信號(hào)，所以驅(qū)動(dòng)電路共需要3片IR2112芯片。

    3)電流檢測(cè)和速度檢測(cè)電路
    電流檢測(cè)電路就是將電機(jī)的三相電流進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換器采集，然后反饋到主控制器，與控制芯片內(nèi)的速度控制器產(chǎn)生的電信號(hào)做比較，完成對(duì)電機(jī)的電流閉環(huán)控制。本控制系統(tǒng)中實(shí)際的電流比較小，功率也比較小，因此采用了一個(gè)旁路電阻來(lái)檢測(cè)實(shí)際電機(jī)的相電流的大小，電阻位于三相功率變換全控的電路的橋臂和地線(xiàn)之間。
    速度檢測(cè)電路是控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。速度檢測(cè)電路檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速并且將檢測(cè)的實(shí)際速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)直接傳送到控制芯片的引腳，然后在主控制器內(nèi)完成對(duì)轉(zhuǎn)速的計(jì)算并且和電機(jī)的預(yù)定轉(zhuǎn)速作比較完成回路系統(tǒng)。
本系統(tǒng)利用控制器的計(jì)算處理能力，采用霍爾位置傳感器的信號(hào)來(lái)計(jì)算無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 末端效應(yīng)器控制器可靠性及長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)
    在第一章節(jié)中末端效應(yīng)器的詳細(xì)設(shè)計(jì)中控制器的設(shè)計(jì)包括任務(wù)級(jí)執(zhí)行級(jí)控制方案、具體軟硬件實(shí)現(xiàn)中元器件選擇及實(shí)現(xiàn)方案等都是以高可靠性為中心進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的。下面主要從軟硬件的角度考慮故障的處理方法，還有容錯(cuò)控制策略的設(shè)計(jì)。
2．1 軟硬件可靠性保證
2．1．1 硬件可靠性保證
    解決可靠性問(wèn)題最主要的方法是執(zhí)行器故障診斷和處理。常見(jiàn)電機(jī)故障有：
    1)電機(jī)過(guò)載、過(guò)流。由于系統(tǒng)的電流比較小，故可以采用主回路串聯(lián)采樣電阻的方法進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)。定子電流經(jīng)過(guò)電阻之后轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，在此串入小電阻，小電阻兩端的電壓經(jīng)過(guò)放大隔離后送入A／D單元，通過(guò)主控制器的軟件編程或邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的過(guò)載保護(hù)。
    2)電機(jī)過(guò)速。
    3)驅(qū)動(dòng)器非正常復(fù)位。本系統(tǒng)采用了硬件冗余，設(shè)計(jì)了急停電路，使系統(tǒng)停止運(yùn)行。
    另外光電編碼器等傳感部件也可能發(fā)生故障。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的故障有：
    1)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。診斷辦法是采用奇偶校驗(yàn)法判別，然后用線(xiàn)性外推法給出當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)；
    2)數(shù)據(jù)采集錯(cuò)誤。這種故障可能造成控制力矩的波動(dòng)，診斷采用野點(diǎn)剔除的辦法加以剔除，然后用線(xiàn)性外推法給出當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)。
2．1．2 軟件可靠性保證
    1)系統(tǒng)啟動(dòng)自檢。在啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，必須檢測(cè)元器件是否正常工作。
    2)系統(tǒng)故障報(bào)警和處理。當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，軟件能檢測(cè)出該故障，并診斷其故障類(lèi)型，從而做出必要的處理。
    3)事故急停處理。當(dāng)一旦有事故發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該立即關(guān)閉，力求將事故對(duì)系統(tǒng)的破壞降低到最低程度。
2．2 高可靠性獨(dú)立控制系統(tǒng)的合理容錯(cuò)控制策略設(shè)計(jì)
    空間站遠(yuǎn)程遙操作機(jī)械臂SSRMS(Space Station Remote Manipulator System)、歐洲遙操作機(jī)械臂ERA(European Robotic Arm)、日本實(shí)驗(yàn)艙遙操作機(jī)械臂JEMRMS(Japanese Experimental Module Remote ManipulatorSystem)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中都要求機(jī)械臂系統(tǒng)至少能夠容忍兩次故障的發(fā)生。這對(duì)末端效應(yīng)器控制系統(tǒng)也提出了一個(gè)新的要求?？刂葡到y(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)及故障檢測(cè)與診斷是提高航天器的可靠性的有效途徑。
    末端效應(yīng)器控制系統(tǒng)除了提高單一控制系統(tǒng)的高可靠性之外，考慮采用控制系統(tǒng)的容錯(cuò)也是提高可靠性的一個(gè)合理的選擇。同時(shí)對(duì)于一個(gè)精密的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的容錯(cuò)性是調(diào)試和運(yùn)行時(shí)需要考慮的功能完整性問(wèn)題。對(duì)于控制系統(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)主要考慮以下兩方面的要素：
    1)需要結(jié)合具體的任務(wù)，選擇合適的傳感器、執(zhí)行器和控制器備份策略：
    2)需要考慮與之相配合的故障診斷和診斷方法。
    對(duì)于傳感器、執(zhí)行器和控制器備份方案，本系統(tǒng)了采用類(lèi)似于ERA的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)，即采用雙繞組永磁同步電機(jī)構(gòu)建相互獨(dú)立的2套驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)，但是由于2套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作在冷備份模式，容錯(cuò)能力不高，且沒(méi)有充分利用冗余備份的傳感器資源，所以為了提高容錯(cuò)能力，本系統(tǒng)選擇了雙繞組余度電機(jī)工作在熱備份模式。
    由于末端效應(yīng)器機(jī)械機(jī)構(gòu)具有模型非線(xiàn)性、摩擦非線(xiàn)性和負(fù)載變動(dòng)的自適應(yīng)等因素，本系統(tǒng)的故障檢測(cè)和故障診斷主要是基于傳感器冗余信息的故障檢測(cè)方法，主要通過(guò)位置傳感器、力傳感器的信號(hào)來(lái)推斷系統(tǒng)的狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行故障檢測(cè)。位置信息的配置主要包括電機(jī)數(shù)字霍爾傳感器、電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器等多級(jí)容錯(cuò)備份和故障檢測(cè)。力傳感器的故障通過(guò)計(jì)算電機(jī)位置信息和參考力進(jìn)行比較來(lái)判斷。
    結(jié)合實(shí)際情況，本控制系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分容錯(cuò)設(shè)計(jì)主要采用了雙繞組余度電機(jī)工作在熱備份模式。相應(yīng)的故障檢測(cè)方法為基于傳感器冗余信息的故障檢測(cè)方法。具體的冗余切換邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 結(jié)論
    末端效應(yīng)器機(jī)械機(jī)構(gòu)在空間環(huán)境中穩(wěn)定可靠性的工作，作為其核心的電機(jī)控制系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的工作就顯得尤為重要。因此文中首先考慮完成任務(wù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題，然后考慮了控制系統(tǒng)方式及其軟硬件實(shí)現(xiàn)的具體要求．來(lái)實(shí)現(xiàn)高可靠性獨(dú)立控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。并且在高可靠性獨(dú)立控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還設(shè)計(jì)了合理的容錯(cuò)控制策略。此系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。