一種工業機器人軸關節電機控制系統解決方案

吳文俊，夏蕾，孫洋，陳曉斌，方鋒，張計悅

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一種工業機器人軸關節電機控制系統解決方案

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）

工業機器人在生產自動化中的應用越來越廣泛，應用在其軸關節的電機控制系統是很重要的執行系統。介紹了一種應用于小功率機器人軸關節電機的整體系統解決方案，包括機械結構設計和控制系統。

工業機器人；稀土永磁電機；控制系統；軸關節

隨著現代制造業的發展，越來越多的工業機器人應用在裝配、噴涂、焊接等生產操作中[1]。在工業機器人控制系統中，執行關節的控制電機系統是很重要的終端執行環節，影響著整個機器人的最終運行效果，因此，整體電機系統的設計顯得尤為重要。工業機器人軸關節驅動電機要求具有大功率質量比、扭矩慣量比，高啟動轉矩，低慣量和較寬廣且平滑的調速范圍。為了滿足以上要求，稀土永磁電機成為機器人關節電機的首選[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機器人軸關節電機控制方案。其中，包括電機的機械形式和控制系統設計。

1 電機結構設計

本方案電機本體所處的位置在工業機器人每個軸關節部位，其所處的位置對于電機結構設計有一定的要求。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計也提出了較高的要求，因為線纜分布于機械手臂內部，由于空間有限，在設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、質量輕、效率高等特點，這些特點非常符合工業機器人對電機本體的要求[3]。在設計上，將電機定子與工業機器人外殼一體化，縮小了設計空間。在電纜空間設計上，將電機轉子設計成空芯，這樣工業機器人每個軸節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試，大大減少了電纜數量，與外殼一體化的空芯電機結構如圖1所示。在此空芯中，電機供電電源線和通信線借此通過，不需要在機器人內部空間另辟走線空間。此種設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量，此電機本體設計一舉多得，為機器人外觀的輕型化、簡潔化打下了非常堅實的設計基礎。通過機器人機械仿真計算，在機器人的6個軸關節電機中，靠近基礎底座的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個軸節承載力較小，選取95 W的電機。整個機器人擁有6個軸關節電機，6個電機的線纜通過級聯模式大大減小了線纜所占的空間。級聯方式如圖2所示。 圖1 與外殼一體化的空芯電機內結構

圖1 與外殼一體化的空芯電機內結構

圖2 機器人電機線纜級聯示意圖

2 電機控制軟件設計

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，考慮到工業機器人的平穩運行要求，本方案選擇正弦波控制。為了提高供電電壓的利用率，在驅動技術上采用SVPWM技術，三相橋不同的開關狀態形成的基礎電壓矢量分成6個扇區，電壓矢量的投影決定了的開關狀態和開關時間[4]。機器人的工作狀態有很多模式，但多種模式對應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。可以在程序中設置不同的控制變量，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，進入主循環后，等待通信中斷，然后根據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 電機控制硬件系統設計

6個軸關節電機有2種功率，但其整體控制原理相同。考慮到整體控制系統的集約性，電機控制板放置于軸關節電機后面，與軸關節外觀上形成一體。每個電機控制硬件主要分為電源模塊、核心CPU配置系統、驅動功率模塊、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動電機，其他需要分別改為14 V、5 V、3.3 V，以供芯片應用。

3.2 核心CPU配置系統

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。

3.3 驅動功率

因為電機控制電路需要輕小型化，所以，在功率驅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，直接進入功率驅動芯片IR2181，在IR2181輸出后直接連接功率驅動管。

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生電壓信號，經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，基于機器人的設計結構，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用于機器人控制環境，機器人主控器需要反饋每個軸關節的姿態角。因為電機控制板出于軸關節電機末端，所以，軸關節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，反饋每個軸關節的當前位置姿態。

3.7 制動電路

此制動電路是針對機器人應用中遇到的緊急停車設計的，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 結論

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

通過實驗發現，本方案完全滿足要求，具體運行結果如圖5和圖6所示。

圖5 電機位置跟蹤實際結果

圖6 電機速度跟蹤實際結果

［1］王田苗，陶永.我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略［J］.機械工程學報，2014，50（09）：1-13.

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

［3］唐仁遠.現代永磁電機［M］.北京：機械工業出版社，2017.

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

〔編輯：張思楠〕

2095－6835（2018）19－0107－02

TP242.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.107

吳文俊（1973—），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、電機控制與工業機器人。