机器人关节用电机驱动系统的关键技术研究

机器人关节用电机驱动系统的关键技术研究

李冠宏

广东天太机器人有限公司  广东佛山  528000

摘要：基于全球老龄化的加剧以及劳动力成本的上升，将人力劳动替换为工业机器人是基本的发展形势。目前阶段，无论是在焊接、医疗还是服务领域纷纷加大了机器人的应用力度，机器人关节的组成部分为运动控制器电机和驱动系统以及传感器。驱动电机以及驱动系统对机器人关节性能有着直接性的影响。经过调查研究来看，大部分机器人关节采取的电机是步进电机和永磁同步电机。在控制理论进一步完善和应用需求全面提升的背景下，各项领域对于电机驱动系统性能提出了十分严格的要求。

    关键词：机器人关节用电机；驱动系统；关键技术研究

引言
    在本篇文章中，结合设计的仿真模型和测试平台分别展开了算法验证。验证的内容包含了两方面，分别是步进电机闭环驱动系统，动态性的测试驱动系统的高速性能和带载能力。结合具体的实验结果可以看出，和传统开环驱动系统相比较来看，文章中提出的基于混合控制器的高速重载闭环驱动系统，处于空载情况下，最高转速好，空载的高速运行速度也随之提升。基于相同运行速度之下，带载能力远远大于传统开发驱动系统，有效转矩能够提升保持转矩的80%之上。基于相同脉冲位置给定情况下增加负载力矩。和以往传统类型的pI控制驱动系统相比较来看，有着一定的动态响应速度，恢复时间较短，可以加快估算负载力矩的辨识速度。
    1、机器人关节用电机驱动系统关键技术的应用背景

在全球老龄化现象日益加剧的背景下，工业机器人逐渐替换了以往人力劳动，未来发展前景良好，工业机器人机械臂关节驱动系统主要是采取步进电动驱动系统和永磁交流伺服驱动系统。以开发控制为主，该项开发控制工作存在着低转速和抖振现象。伴随着科学技术的创新和改进，目前的步进电机开环控制方式比较单一，已经不符合基本要求，这就需要结合电机驱动系统，从怎样提升步进电机驱动系统高速运行的带载能力和定位精度两方面进行分析。

大多数永磁交流伺服系统采取PID控制，该种控制方式虽然结构比较简单，不过在速度响应过程中有着相应的超调量，而且从轨迹运动控制场合应用过程中，永磁同步电机应当频繁启动，停止采取PID控制，不符合基本要求。通过相关分析探究来看，伺服系统对机器人关节性能有着直接性的影响。怎样改善伺服系统的关键性能指标是机器人关节驱动系统的基本发展形式，先进伺服系统能够与大部分应用的需求相符合，而且我国很多产品达不到基本的应用要求，国内的伺服系统市场依旧采取国外进口设备，虽然性能质量良好，可是价格比较高，完全增加了国内企业的经济。附带组运动控制器、电机和驱动系统传感器组合形成了机器人关节伺服系统，因为优势极高而得到了普遍应用，人们对于伺服驱动技术提出的十分严格的要求。目前的机器人关节伺服系统呈现出了智能化和网络化的特征，人们只需要把伺服系统中的各项驱动模块功能全部集中到一个模块中即可，能够缩减控制系统的体积。在很多空间受限场合能够得到普遍应用，机器人关节伺服系统在运行过程中，普遍受到各方面因素的影响，这就需要同不同场合中对各项运行参数有效确定。

采取人机交互的方式加以设计，部分伺服驱动系统还具备参数自整定功能，能够自动化的实现最优化控制目的。物联网的发展为目前社会发展的基本形式，伺服系统的网络化也随之扩展。人和机器人关键驱动系统的交互十分便利，机器人关节的驱动电机主要是采取步进电机直流伺服电机和交流伺服，电机交流伺服电机是基本的驱动形式。第一，两项混合式步进电机由于具备控制简单、定位精准、成本合理等一系列特征，因此在纺织机械、工业机器人领域中得到了普遍应用，不过步进电机大多数应用是采取开发控制的方式，该种开发控制方式存在着容易失去步以及低转速等一系列现象。基于电力技术的进一步发展和当代工业应用的基本需求，需要精度结构和响应速度更快的驱动系统，以此与各项场合相适应。第二，采取步进电机的功率角控制方式，对功率角全面监测。通过控制电机绕组电压和转子速度，将电机功率角在电机运行中控始终处于合理范围中。如果功率较与步进电机稳态运行的最大功率角相接近，通过控制电机绕组的磁电流，可以强化电机的抗负载动性能。但是该项步进电机的功率就获取极为复杂，具体使用过程中无法有效实现基本的目标。第三，相关学者专门研究了步进电机的无传感器控制。大部分无传感器控制方式表现为观测器技术和卡尔曼滤布。但是基于观测器的无传感器控制技术需要构建包含负载参数的模型，这些参数伴随着时间的改变难以有效确定。另外一方面，根据高频测试信号的响应估计电机转子的位置，这种方式虽然能够精准的估计转子位置。不过控制策略的抗干扰性能比较差，如果历史数据受到干扰以后，将会导致后续电流和具体的电流有着较大程度的偏差，难以确保系统的稳定性。
    2、机器人关节用电机驱动系统的关键技术探究

2.1永磁同步电机的工作原理阐述
    永磁同步电机定子由对称的三相绕组构成，在空间互差120°电角度。转子一般分为表贴式、内嵌式以及内埋式三种结构，永磁同步电机的工作原理是在互差120°电角度的定子绕组中通入三相电流形成旋转磁场，由于转子上安装了磁极固定的永磁体，根据磁性原理，定子磁场利用磁引力拉动转子旋转，使得转子转速从零启动，最终和定子磁场以同步转速旋转。旋转磁场的旋转速度与输入的三相电流频率有关，

2.2永磁交流伺服驱动系统整体方案研究设计
    本文提出的永磁交流伺服驱动系统由估算负载力矩辨识算法及前馈补偿模块、PI控制器、电流预测控制模块、空间矢量调制算法等组成。该系统通过采集两相电流ia和ib，然后经过Clark变换和Park变换变成交直轴电流id和iq ，再将dq轴电流和通过编码器采集得到的速度信号输入给估算负载力矩辨识及前馈补偿模块，然后将估算负载力矩转换成q轴给定电流，构成估算负载力矩前馈补偿。最后，按照电流预测控制方案中的计算方法，在一个周期内经过多次预测，计算各个电压矢量的预测电流值。

2.3 Clark变换和Park变换原理研究分析
    在电机控制中有三种坐标系，分别为:三相静止坐标系、aβ坐标系和dq旋转坐标系。由于在三相静止坐标系下的永磁同步电机电压方程是非线性的，绕组之间存在自感和互感现象，且随时间和转子位置角的变化而变化，因此在三相静止坐标系中控制电机十分麻烦且复杂。因此，需要经过相应的坐标变换，在其他坐标系下对电机进行解耦控制。三种坐标系之间可通过Clark变换、Park变换以及相应的反变换相互推导得出。做好Clark变换。Clark变换是将三相静止坐标系转化为两相aβ坐标系，在aβ坐标系下，a轴的方向和参考方向同向，a轴和β轴之间相差90°。要想在空间中获得-一个圆形的旋转磁场，只需采集两相电流即可。根据Clark变换的基本原理，只要电机转子速度和磁动势相等,就可以使两个磁场完全等效。

3、结语：

在本篇文章中主要结合目前步进电机驱动系统存在的各项缺陷，提出了增强步进电机闭环驱动系统高速带载能力和定位精度的基本策略。与此同时，为了增强步进电机驱动系统的高速能力和带载能力，还提出了基于混合控制器的高速重载驱动方式。比如速度混合控制器设计和超前馈控制核心内容。为了提升永磁交流伺服驱动系统的动态响应速度，采取合理的电流预测控制方式，明确具体的定位精度，确保驱动系统的速度响应。

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