人形机器人的高精度机电伺服控制系统-分层递阶式方案毫秒级控制

人形机器人作为智能制造与服务领域的关键装备，其 运动精度直接决定任务执行质量。当前主流机电伺服系统 采用永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）配合PID控制策略[1。但传统PID参数整定依赖经 验，面对负载突变响应迟缓，特别是在人形机器人多关节耦 合工况下控制精度急剧下降。

针对以上问题，本研究构建基于模型预测控制的高精 度伺服系统，通过自适应参数优化算法来提升系统的动态 响应性能，完成控制器硬件设计、算法改进以及系统集成 验证。

针对人形机器人末端定位精度仅为±0.8mm, 而焊接 工艺要求达到±0.1mm 的问题，重新设计分层递阶式伺服 控制硬件架构，如图1所示。整套系统采用“主控制器－轴 控制器－驱动器”三J结构。主控制器选用双核DSP处理 器，主频1.5 GHz, 配备2 GB DDR4内存，负责轨迹规划及 多轴协调控制。12个轴控制器基于时钟频率为200 MHz 的FPGA芯片，每个控制器d立管理单个关节，实现20kHz 电流环、5kHz 速度环和1kHz 位置环的高速闭环控制。驱 动器部分采用三相全桥逆变拓扑，开关频率为20kHz, 死 区时间为2μs，直流母线电压为48V, Z大输出电流为15A。

在检测精度方面，各轴编码器选用23位绝对式光电 编码器（分辨率为8388608脉冲/转），安装于电机尾部的 减速器输出轴，角度检测精度可达0.043角秒。力矩传感 器布置在关节输出端法兰盘位置，量程为±50N·m, 分辨 率为0.01 N·m, 采样率为10 kHz。

为降低通信延迟与干扰，主控制器与轴控制器间采用 千兆以太网连接，延迟小于100μs；轴控制器与驱动器之 间使用差分信号传输，电缆长度控制在0.5m 以内；信号线 采用屏蔽双绞线并与动力线分离布线，间距大于100mm, 从而有效抑制电磁干扰。

这一分布式架构合理分配了各J运算负荷，为高精度 实时控制提供了坚实硬件基础，并为后续引入模型预测控 制等先进算法预留了充足的计算与响应空间。

针对案例中人形机器人的伺服控制问题，现有系统采 用 的PID 控制算法存在明显不足。测试发现，在PID参数 整定过程中，比例系数K，取值0.8时响应迅速但超调量达 到28%，降至0.5则稳态误差增大至0.4mm; 积分时间T 设 为0.15s 可有效消除稳态误差，但同时引入了20Hz 左右 的低频振荡；微分时间T 增大到0.08 s 虽然抑制了超调， 却导致系统对外部干扰更为敏感。模糊控制算法通过设置 7个模糊子集，建立45条模糊规则，将位置误差映射为控 制量，但其推理过程计算量大，且实际控制精度仅达到 ±0.5mm。滑模变结构控制虽然具有较强鲁棒性，但在切换 面附近存在15 Hz的抖振现象[2-3]。

综合分析表明，模型预测控制算法能同时兼顾控制精 度和动态性能，通过滚动优化方式预测系统未来状态，实 时计算Z优控制序列。因此选择模型预测控制算法作为基 础算法，后续将针对其预测模型精度和计算效率进行改进。

围绕人形机器人精密作业中的控制精度瓶颈， 提出了分层递阶式伺服控制系统方案，并针对PMSM驱动 特性设计了改进型模型预测控制算法。通过在硬件架构中 引入高频多环闭环结构与分布式DSP-FPGA协同处理，实现了毫秒J控制周期下的高精度实时调节；在算法层面，结 合状态观测、自适应权重与扰动补偿，有效提升了系统在负载突变和复杂轨迹下的响应与稳定性。实验验证表明， 所提出方案在定位精度、轨迹跟踪和抗扰性能上均显著优 于现有系统，达到精密焊接的工艺要求。未来工作可以面 向实际生产环境中的多机器人协同与在线学习优化，探索 在更大规模与更复杂工况下的实时高精度控制策略，以进 一步提升制造自动化的智能化水平。

附件：人形机器人的高精度机电伺服控制系统-分层递阶式方案毫秒级控制