www·ele169·com|11电子电路设计与方案0引言在日常生活中，机械手通常用于夹持物体，很多机械手采用开环控制，这样就导致当机械手夹持力过大时，被夹持物破裂，影响其使用，当夹持力太小时会导致机械手夹持松弛，不能稳定夹持以进行自动化作业。以试管为例，试管属于材质比较脆弱的物品，常用于实验，需要对夹持力精准地控制，不能在夹持过程产生大的超调，不然可能会夹碎试管，所以能很好的测试系统效果。夹持时由于试管会产生形变而导致夹持力变化，所以应实时检测试管所受压力值，不断调整控制输出以保证稳定夹持。而且无外置传感器的方式，在实际应用中会更实用，更好推广，不需要在机械手上安装复杂的传感器，简化了安装。1系统整体方案夹持力系统是靠控制无刷直流电机的转速来控制机械手的夹持力，控制的夹持力与电机的转速呈一定比例关系，所以本系统通过构建一个速度闭环来间接控制机械手稳定夹持试管。整个系统主要由机械手、STM32开发板、电机调速器、无刷直流电机几部分组成。首先给定一个目标速度值，机械手开始慢慢夹持试管，电机调速器将检测到的电机位置、速度和力矩信息通过CAN总线反馈到输入端，这时给定速度与反馈回来的速度的差值输入控制器，控制器按PID控制算法处理输入信号并产生输出，通过CAN总线发送控制指令给电机调速器，从而控制电机驱动机械手夹持试管，产生新的速度值，形成闭环控制。系统框图如图1所示。2系统数学模型及仿真本设计采用的PID控制器，它的传递函数表示为：()()pppdiKUsKKTsTsEs=++根据直流无刷电机的数学模型，其传递函数为：()()()22taadLaaetaaetKrLssUsTsLJsrJskKLJsrJskKω+=−++++则本夹持力控制系统对应的数学模型如图2所示。PID控制主要包含3个控制参数：P（比例）、I（积分）、D（微分），根据搭建的系统，对输入信号处理，实现无偏差输出。本设计中选用增量式PID控制策略。由下面公式可知，增量式算法只与最近3次偏差值有关，工作量小，不仅能够保证很好的实时性和快速性，而且不会产生很大的累积偏差，对系统影响较小，出现意外还可以输出限幅和积分限幅等方式限制本次输出。增量式PID的表达式：()()()()()()()()()1212pidukKerrkerrkKerrkKerrkerrkerrk∆=−−++−−+−其中：k为采样的序号，err(k)为第k次的误差，u(k)为输出量，Δu(k)为第k次输出量与第k-1次输出量的差，在这里，为了简便计算，方便说明，令Ki=Kp*T/Ti、Kd=Kp*Td/T，在后文统一用Ki和Kd来代表积分、微分环节的性能参数...
