伺服驅動輪系統的創新設計與實現

孟雨皞　閆輝垠

輪式機器人具有運行速度快，通過能力強的優點，在服務和機器人競賽領域得到了廣泛的應用。 本文介紹了一種可用于輪式機器人的伺服驅動輪系統。 該系統由永磁同步電機，伺服驅動器和橡膠輪組成，采用了與傳統結構不同的機械結構設計，可以作為一個整體輕松組裝和使用。 在電機的驅動上采用基于SVPWM的控制系統，通過使用高精度的編碼器，可實現電流控制，速度控制和位置控制。

1 介紹

永磁同步電機在各種應用中越來越受到關注。 由于其高功率密度，高效率和極高的調速范圍，它們越來越受到機器人領域的青睞。 隨著機器人技術的發展，輪式服務機器人、工業自引導小車和競賽機器人對高性能伺服驅動系統的需求也在不斷上升。 然而，電機、伺服驅動器和車輪通常由不同的公司單獨設計，導致系統體積大，很難應用于小型機器人。 本文介紹了一種將輪轂電機和伺服驅動器組裝在一起的機械設計。 這樣整個結構體積較小，可作為一個整體進行使用， 模塊化的設計也有助于維修和拆裝。

為了改善電機的動態性能，我們設計了一個PID控制器來控制電機的電流，速度和位置。 為了獲得更精確的電角度，以便我們可以對電機進行更精確的控制，我們選擇了高分辨率磁編碼器對電機轉子位置進行檢測。為了減少電樞繞組的諧波損耗，我們采用SVPWM算法，該算法在電樞繞組中產生較少的諧波， 我們可以有更低的功率損耗并獲得更高的效率。該伺服驅動輪系統使用方便，性能高，可以很好的應用在輪式機器人上。

2 機械結構設計

為了使車輪成為一個整體模塊，并且可以很容易地組裝和更換，我們自行設計了系統的機械結構。整個部分包含電機和電機驅動器，可以在將其固定到想要使用它的位置后使用。不需要多余的組裝工作，在安裝完成后，整個系統通電便可以工作。

2.1 電機轉子的設計

為了將該系統用作車輪并控制系統的整體重量以便小型化的應用，我們將轉子外殼和輪轂直接組裝到一起。 然后，我們在輪轂的內部放置轉子的永磁體并用橡膠覆蓋轉子的外部。 所以電機可以直接用作驅動輪。

2.2 電機定子的設計

由于該系統主要設計用于輪式機器人，所以必須將其固定在機器人上。 所以我們直接將定子固定座與車輪安裝法蘭設計為一體，這樣既能夠方便整個系統的安裝又能夠簡化整體機械結構的設計，能夠更好的滿足小型化的要求。 為了獲得高轉矩輸出和高速度，我們選擇三股銅導線并聯的方式進行定子繞組的繞制，這樣可以使電機的額定轉速更大。

2.3 安裝底座的設計

為了將電機伺服驅動器整合到整個系統中，我們設計了一個安裝基座，并在其中安裝了一個帶槽的安裝基座，我們可以在其中放置電機驅動器和電機位置檢測器。 這樣便組成了一個完整的伺服驅動輪系統。

3 空間電壓矢量脈寬調制技術的實現

3.1 空間電壓矢量脈寬調制算法的推導

SVPWM技術是對SPWM調制方法的一種改進，它基于空間電壓矢量的思想，并將零矢量添加到矢量調制中來生成三相正弦波，從而逼近圓形磁通軌跡。 由于其調制方法，SVPWM具有更高的輸出線電壓，比SPWM算法高出約15.47%。 由于它減少了功率電子器件的開關次數，因此它具有較低的開關損耗，同時在電樞繞組上有更少的諧波損耗和紋波轉矩。

根據電路中可能的開關狀態，我們可以將電壓矢量分解為六個基本矢量和零矢量。 然后我們可以得到期望向量與六個基本向量之間關系的矢量圖，由于平面上的任何矢量都可以由平面上的兩個非零非平行矢量合成，所以我們可以用兩個與其相鄰的基矢量合成我們所需要的電壓矢量。 但是，由于功率開關同一時間只能有一個狀態，所以我們必須引入時間等效原理和零向量。 然后，我們可以控制開關狀態的持續時間，以便我們可以獲得與我們預期的相同的效果。 利用電感電壓平衡原理，我們可以得出輸出電壓的表示：

從上面的等式中，我們可以看到，我們需要做的是確定開關的狀態以及它最后形成我們想要的電壓矢量所需的持續時間。

3.2 空間電壓矢量脈寬調制技術的實現

空間電壓矢量脈寬調制的關鍵在于追蹤磁通的軌跡。 所以我們必須知道電樞繞組磁動勢的精確方向。 所以我們選擇一個12位高分辨率磁性編碼器，AS5045B，來檢測轉子的位置。 在知道磁動勢的方向之后，我們必須決定期望電壓矢量的方向。 為了獲得最大的電機軸上輸出扭矩，我們給出一個垂直于磁動勢方向的矢量

眾所周知，功率開關原件在開關的時候會產生開關損耗。為了保證高性能并降低開關損耗，我們選擇使用七段式空間電壓矢量脈寬調制，以便在開關損耗和輸出波形質量之間保持平衡。 假設控制周期為Ts，期望矢量與α軸之間的夾角為θ，我們可以通過以下公式計算開關狀態的持續時間：

零矢量的持續時間可以通過下式得到：

我們可以看到當Tx + Ty> Ts時會發生錯誤。 這會導致輸出波形失真。 如果發生這種情況，我們可以通過以下方式縮減開關時間，使總時間不會超過控制周期：

在完成計算后我們通過單片機控制三相H橋的開關通斷得到驅動電機的電壓。

4 控制器的設計

4.1 電流環

為了簡化計算和分析，我們選擇轉子坐標系作為參考坐標系。 根據轉子磁場方向對電機三相電流進行Park變換后，可以得到d軸和q軸下的等效直流電流。

使用PI控制器，我們可以根據電流誤差來控制輸出電壓。 然后計算d軸和q軸上的定子電壓，并將其轉換為三相電壓，然后用逆變器輸出。

4.2 速度環

速度環的目的是計算加速和減速過程中的輸出電流。

為了消除穩態誤差并提高系統的動態性能，我們使用PI控制器來控制電機速度。同時為了消除滯后，我們在控制器中加入了前饋補償。

4.3 位置環

在位置環下，我們需要規劃一個速度曲線，以在預期的速度，加速度和減速度下到達給定的位置。 通過使用磁編碼器，我們可以獲得電機的位置和電機的速度作為反饋，以便我們確定是否需要加速或減速。在位置控制器上我們應用了P控制器。 為了減少滯后，我們還應用了前饋補償，最終得到位置環輸出的速度命令。

5 結論

隨著機器人技術的發展，機器人將進入越來越多的人們的生活。 伺服驅動輪系統可以提供高性能和高精度的速度和位置控制， 模塊化設計也有助于其使用和維修的方便性，可以很好的方便小型輪式機器人的設計和控制。

（作者單位：1 東北大學信息科學與工程學院2東北大學機械工程與自動化學院）