吳文俊，夏蕾，孫洋，陳曉斌，方鋒，張計悅

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一種工業(yè)機器人軸關(guān)節(jié)電機控制系統(tǒng)解決方案

吳文俊，夏蕾，孫洋，陳曉斌，方鋒，張計悅

（浙江琦星電子有限公司，浙江 臺州 317600）

工業(yè)機器人在生產(chǎn)自動化中的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用在其軸關(guān)節(jié)的電機控制系統(tǒng)是很重要的執(zhí)行系統(tǒng)。介紹了一種應(yīng)用于小功率機器人軸關(guān)節(jié)電機的整體系統(tǒng)解決方案，包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)。

工業(yè)機器人；稀土永磁電機；控制系統(tǒng)；軸關(guān)節(jié)

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，越來越多的工業(yè)機器人應(yīng)用在裝配、噴涂、焊接等生產(chǎn)操作中[1]。在工業(yè)機器人控制系統(tǒng)中，執(zhí)行關(guān)節(jié)的控制電機系統(tǒng)是很重要的終端執(zhí)行環(huán)節(jié)，影響著整個機器人的最終運行效果，因此，整體電機系統(tǒng)的設(shè)計顯得尤為重要。工業(yè)機器人軸關(guān)節(jié)驅(qū)動電機要求具有大功率質(zhì)量比、扭矩慣量比，高啟動轉(zhuǎn)矩，低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。為了滿足以上要求，稀土永磁電機成為機器人關(guān)節(jié)電機的首選[2]。本文介紹的是一種針對負載5 kg，工作范圍為85 cm的小功率六自由度工業(yè)機器人軸關(guān)節(jié)電機控制方案。其中，包括電機的機械形式和控制系統(tǒng)設(shè)計。

1 電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

本方案電機本體所處的位置在工業(yè)機器人每個軸關(guān)節(jié)部位，其所處的位置對于電機結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的要求。電機外形要與機器人一體化，且電機具有高效率和高啟動力矩輸出。此外，對于電機的線纜走線設(shè)計也提出了較高的要求，因為線纜分布于機械手臂內(nèi)部，由于空間有限，在設(shè)計走線上也要綜合考慮。

基于以上問題，本方案首先選用稀土永磁同步電機，稀土永磁體的高磁能積和高矯頑力使得稀土永磁電機具有體積小、質(zhì)量輕、效率高等特點，這些特點非常符合工業(yè)機器人對電機本體的要求[3]。在設(shè)計上，將電機定子與工業(yè)機器人外殼一體化，縮小了設(shè)計空間。在電纜空間設(shè)計上，將電機轉(zhuǎn)子設(shè)計成空芯，這樣工業(yè)機器人每個軸節(jié)之間的供電和通信總線可以在此空芯空間中布線，且這些線纜采用級聯(lián)試，大大減少了電纜數(shù)量，與外殼一體化的空芯電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。在此空芯中，電機供電電源線和通信線借此通過，不需要在機器人內(nèi)部空間另辟走線空間。此種設(shè)計大大減小了機器手臂的直徑，使得機器人外觀輕盈、簡潔，同時，減輕了機械臂體的質(zhì)量，此電機本體設(shè)計一舉多得，為機器人外觀的輕型化、簡潔化打下了非常堅實的設(shè)計基礎(chǔ)。通過機器人機械仿真計算，在機器人的6個軸關(guān)節(jié)電機中，靠近基礎(chǔ)底座的3個軸因為承載力較大，選用功率為350 W的電機，靠近工具端的3個軸節(jié)承載力較小，選取95 W的電機。整個機器人擁有6個軸關(guān)節(jié)電機，6個電機的線纜通過級聯(lián)模式大大減小了線纜所占的空間。級聯(lián)方式如圖2所示。 圖1 與外殼一體化的空芯電機內(nèi)結(jié)構(gòu)

圖1 與外殼一體化的空芯電機內(nèi)結(jié)構(gòu)

圖2 機器人電機線纜級聯(lián)示意圖

2 電機控制軟件設(shè)計

永磁同步電機控制方式主要分為2種，即方波控制和正弦波控制。2種控制方式基于不同的電機磁場模型，考慮到工業(yè)機器人的平穩(wěn)運行要求，本方案選擇正弦波控制。為了提高供電電壓的利用率，在驅(qū)動技術(shù)上采用SVPWM技術(shù)，三相橋不同的開關(guān)狀態(tài)形成的基礎(chǔ)電壓矢量分成6個扇區(qū)，電壓矢量的投影決定了的開關(guān)狀態(tài)和開關(guān)時間[4]。機器人的工作狀態(tài)有很多模式，但多種模式對應(yīng)的電機基本運行模式主要為位置控制、速度控制、力矩控制3種?？梢栽诔绦蛑性O(shè)置不同的控制變量，切換電機的控制模式。在具體的電機控制中，程序上電、對PWM和ADC進行初始化后，判斷母線電壓，然后配置CPU控制初始值，進入主循環(huán)后，等待通信中斷，然后根據(jù)上位機的具體要求即機器人不同工作模式，進入電機的控制模式子程序。具體流程如圖3所示。

3 電機控制硬件系統(tǒng)設(shè)計

6個軸關(guān)節(jié)電機有2種功率，但其整體控制原理相同?？紤]到整體控制系統(tǒng)的集約性，電機控制板放置于軸關(guān)節(jié)電機后面，與軸關(guān)節(jié)外觀上形成一體。每個電機控制硬件主要分為電源模塊、核心CPU配置系統(tǒng)、驅(qū)動功率模塊、電流反饋模塊、位置反饋模塊、通信模塊、位姿模塊、制動電路。電機控制硬件框架如圖4所示。

圖3 電機軟件流程

圖4 電機控制硬件框圖

3.1 電源模塊

機器人的總體供電由開關(guān)提供48 V電源。在電機控制板上，除了可以將48 V電源直接供給功率管驅(qū)動電機，其他需要分別改為14 V、5 V、3.3 V，以供芯片應(yīng)用。

3.2 核心CPU配置系統(tǒng)

本方案選擇飛思卡爾DSC56F84442作為核心處理器，此處理器具有32位處理能力，并且擁有足夠的PWM模塊、AD模塊以及多種通信接口，能完全滿足單電機的控制要求以及外部通信要求，組成一套控制系統(tǒng)。

3.3 驅(qū)動功率

因為電機控制電路需要輕小型化，所以，在功率驅(qū)動上未選取隔離模式，而是選擇強弱電單點共地，且盡量簡化電路拓撲，從CPU輸出的PWM信號，直接進入功率驅(qū)動芯片IR2181，在IR2181輸出后直接連接功率驅(qū)動管。

3.4 電流反饋

考慮到電路板空間以及電機電流范圍，本方案選取小型電流采樣模塊ACS712，電樞電流通過傳感器產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)過電壓濾波整形反饋給CPU。

3.5 位置反饋

一般的電機位置反饋傳感器都與電機合為一體，基于機器人的設(shè)計結(jié)構(gòu)，本方案中的位置傳感器采用菲林碼盤與電機同軸安裝，其讀頭選用安華高AEDT9810，能夠滿足電機在一定速度內(nèi)對菲林碼盤的刻線識別。

3.6 位姿模塊

本方案中的電機控制板應(yīng)用于機器人控制環(huán)境，機器人主控器需要反饋每個軸關(guān)節(jié)的姿態(tài)角。因為電機控制板出于軸關(guān)節(jié)電機末端，所以，軸關(guān)節(jié)位姿的反饋硬件電路放在了電機控制板上。本方案選擇的加速度傳感器為ADXL330，此傳感器可以讀取重力加速度在，，三個方向的分量，反饋給電機控制板，然后再上傳到上位機主控制箱，反饋每個軸關(guān)節(jié)的當(dāng)前位置姿態(tài)。

3.7 制動電路

此制動電路是針對機器人應(yīng)用中遇到的緊急停車設(shè)計的，主要使用吸合式電磁鐵阻擋住剎車盤的卡位柱，使得機器人電機停止運行，即機器人停車。

4 結(jié)論

本文介紹了一種工業(yè)機器人軸關(guān)節(jié)電機的設(shè)計方案，此方案可以滿足工業(yè)機器人主控制箱對執(zhí)行器的要求，主控箱與電機每8 ms通信1次。在這個周期內(nèi)，電機可執(zhí)行完上一次通信的位置或速度指令。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，本方案完全滿足要求，具體運行結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 電機位置跟蹤實際結(jié)果

圖6 電機速度跟蹤實際結(jié)果

［1］王田苗，陶永.我國工業(yè)機器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略［J］.機械工程學(xué)報，2014，50（09）：1-13.

［2］孫迪生，王炎.機器人控制技術(shù)［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，1998.

［3］唐仁遠.現(xiàn)代永磁電機［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2017.

［4］王曉明.電動機的DSP控制［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

〔編輯：張思楠〕

2095－6835（2018）19－0107－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.107

吳文?。?973—），男，河南人，國際注冊能源審計師，碩士，主要研究方向為管理與研究、電機控制與工業(yè)機器人。