文档介绍：贝加莱机器人控制中的惯量前馈控制技术
前言
机器人惯量前馈技术是贝加莱公司的一项非常重要的技术， 即使在整个业界也是一项
前沿的技术，它能解决机器人在运动过程中抖动的问题， 提升机器人系统的精度和效率。 目
前该项技术仅为业内少数公司拥有。 一|
一、惯量匹配与扭矩前馈
对于运动控制而言， 惯量匹配是一项非常重要的特性需求， 而对于驱动器，良好的惯
量匹配才能产生更好的动态性能， 在理想的刚性连接情况下，仅需计算出所需扭矩即可驱动
系统，使其处于高动态特性运转， 然而，由于机械系统的连接具有的弹性变形， 例如减速机、
皮带、联轴器等，使其无法实现真正意义上的高动态控制特性， 这就带来了惯量匹配的问题。
在驱动器对负载的控制过程中，其电流环的计算周期非常快，在惯量匹配值较大的情况下， 系统需要给出一个非常大的偏差才能在 PID调节中实现输出，然而，这一扭矩输出会产生
较大的振动。
贝加莱提供一种力矩前馈控制的模型用于解决这一问题， 通过快速给出惯量则能实现
稳定的控制。但是，对于机器人系统而言，其关节连接处于多个维度的运动状态， 其惯量的
变化是多维的，如何施以良好的惯量匹配以确保机器人系统的高速运行呢？
这是机器人系统目前存在的一个普遍问题， 然而，贝加莱的系统所具有的建模、算法
设计、高速扭矩控制等技术的组合形成了一种解决这一问题的办法。
、机器人机械振动的问题
拉格朗日方程描述了机器人在整个运动过程中的动力学能量问题， 动能与势能的产生
位置等参数的变化， 例如机器人运动过程中由于机械臂位
置变化而产生的势能变化。
在机器人系统中，由于机器人的各个关节的机械特性随着运动过程的变化， 其惯量也
产生了变化，例如，当机械臂处于 X轴方向伸长时，则沿着 Y轴方向的旋转在 0〜90度范
围内，其惯量也发生了变化，从最大惯量变到最小惯量；而当这个臂旋转超过 90度~180
度范围时，则其惯量又开始变大。 由于这种惯量所产生的变化， 会对驱动器整个控制过程产
生调制振动，这也是目前机器人控制中普遍存在的问题。
三、贝加莱动态惯量前馈技术
对于机器人系
贝加莱运动控制技术中的惯量动态前馈技术能够很好的解决这一问题,
统而言，其惯量的变化是一个动态过程，
同时也是-
「个在数学上可建模的过程，因此，
可以
通过建立动态的惯量模型来为系统的控制提供前馈变量，
如下图
1所示。
ill
Sei
sei吟吩 一^ Controller 二i- Motor
图i前馈模型
在这个模型中，当设定位置、设定速度及加速度值给出后， 则将根据当前值和机械常
数来计算出整个运动过程的惯量变化， 并计算出力矩输出的前馈值给电机， 该值与控制器给
定值在电流环中的控制输出进行叠加， 使得扭矩输出可以快速的实现稳态调整， 从而降低扭
矩输出的偏差。
该前馈输出需要在偏差产生之前即给出，
并且以每50uS的周期不断地刷新,
由于其
高速刷新，确保了扭矩输出值高速与高精度，
并能够冋步地跟随机械惯量的变化，
达到较好
的控制状态。
四、基于MATLAB/Simulink 的前馈模型设计
MATLAB/Simulink 是目前最为流行的建模工具，由于与 Mathworks 公