機器人關節外轉子開關磁阻電機驅動系統設計

趙傳放 蔣偉 楊恒

摘要：提出了將外轉子開關磁阻電機用作機器人關節電機的方案，分析了機器人關節電機的性能需求及開關磁阻電機應用的可行性。通過仿真實驗，得出了一種能夠獲得較大轉矩的電機本體設計參數，并提出了一種共享開關管的開關磁阻電機不對稱半橋結構的功率變換器拓撲結構，可降低轉矩脈動。

關鍵詞：機器人關節;外轉子開關磁阻電機;功率變換器

0 引言

機器人關節作為機器人的重要執行機構，其性能優劣對機器人的動態性能和對惡劣環境的適應性有著重要影響。一般來說，機器人關節需要滿足以下性能要求：結構堅固，可靠性高，動態性能好，對惡劣環境的適應性強，能夠長時間在惡劣環境下連續工作，能夠實現平滑調速，調速范圍寬等。

本文提出了將外轉子開關磁阻電機（OSRM）用作機器人關節電機的方法，并提供了電機設計方案。通過仿真，優化了電機性能，使其能夠獲得設計轉矩。針對提出的電機設計方案，提出了一種共享開關管的開關磁阻電機不對稱半橋功率變換器拓撲結構和一種勵磁模式流程控制方法，用于進一步優化開關磁阻電機調速系統的性能，減少電機運行時產生的轉矩脈動。

1 外轉子開關磁阻電機理論基礎

外轉子開關磁阻電機就是將傳統結構的開關磁阻電機的定子和轉子的位置對調，定子在內，轉子在外。這種結構的優點是在電機轉速相同時，電機力臂大于SRM（開關磁阻電機），從而能產生更大的力矩。但同時電機產生的轉矩脈動和噪聲也會比SRM大，需要通過勵磁方案和算法優化解決這一問題。與SRM工作原理一樣，OSRM的工作也遵循磁阻最小原理，即磁力線總是通過磁阻最小的路徑閉合。如果控制策略得當，能夠有效減少系統運行的損耗，降低電機轉矩脈動和噪聲，使之更加符合機器人關節運行平穩、功耗低的要求。

2 機器人關節電機設計

相比于傳統的開關磁阻電機，在進行外轉子開關磁阻電機參數設計時需要解決的一個重要問題就是，由于電機定子部分處于內部，其繞組空間呈平方關系的減少，由此產生的磁通勢也急劇下降。針對此問題，可以根據實際應用場合，選擇方形導線或具有更好導電材質的繞組。

電機本體需要設計的參數主要有電機的相數、定轉子的齒長、軛高、軸徑、氣隙寬度、第二氣隙寬度等。一些固定的參數，如轉速、電源電壓、外徑，一般根據適用環境確定。電機的相數通常可以設計成兩相、三相、四相等。相數的增加會使步距角變小，從而有利于減小轉矩脈動，控制成本和難度也會相應增加，因此，綜合考慮采用四相電機。在進行OSRM尺寸參數設計時，可以參照以下經驗公式：

除以上參數外，對開關磁阻電機性能影響較大的兩個參數是氣隙和第二氣隙。氣隙指的是定子和轉子的齒在處于對齊位置時中間的空隙，第二氣隙指的是定子凸極到轉子槽底部的距離。兩個氣隙的值分別影響著最大電感Lmax和最小電感Lmin。根據開關磁阻電機的線性模型，Lmax/Lmin的值越高，電機的輸出轉矩就越大。

完成初步設計后，通過SPEED軟件對設計結果進行了優化仿真，以獲得更優的性能。根據經驗公式與給定條件，確定了電機的外徑為60 mm，四相10/8極。考慮到制作工藝等問題，氣隙不宜取太小，取0.2 mm。定轉子的齒長主要影響最小電感Lmin，理論上轉子槽越深，最小電感的值就會越小，但轉子齒過長又會影響電機的轉矩。另外，設計轉子軛高應考慮到磁場過飽和問題，設計定子齒長時，要充分考慮到為繞組留下足夠的空間。定轉子的極弧應滿足βs<βr，因為一個小的βs可以為繞組提供更大的空間，同時能避免出現零扭矩區域。電機的細長比λ與電機的運行性能也有著密切關系，考慮到機器人關節的體積要求，取λ=1，即電機的長度為60 mm。最終設計得到的電機外部尺寸參數如表1所示，輸出轉矩波形如圖1所示。

開關磁阻電機的調速系統（SRD）由電機本體、電源、控制器、功率變換器以及各種傳感器構成。調速系統原理如圖2所示。在系統運行過程中，電流傳感器和位置傳感器不斷地對系統的電流和定轉子的相對位置進行檢測，以實現對勵磁方式的控制。

3 OSRM驅動電路設計

驅動電路的設計對整個機器人關節電機驅動系統的性能指標也有著重要的影響。合適的拓撲結構可以降低SRD成本，提高電機的動態特性，拓寬其應用場合。傳統的開關磁阻電機不對稱半橋型功率變換器存在明顯缺點：定子繞組的每一相都要用兩個開關管和兩個續流二極管，且每相都需安裝一個電流傳感器，隨著電機相數的增加，系統的體積和成本將會明顯增加，可靠性也將大幅降低。

本文提出了一種共享開關管的開關磁阻電機不對稱半橋功率變換器拓撲結構，如圖3所示。以A相為例，當上開關管S1和下開關管S2均導通時，電源向A相供電，繞組兩端承受正電壓U，繞組電流上升，實現勵磁;當S1關斷而S2導通時，繞組兩端電壓為零，繞組電流經過S2和D1完成續流;S1和S2均關斷時，繞組兩端承受負電壓-U，相電流通過D1和D2進行能量反饋，繞組電流快速下降，完成退磁。

給A、B、C、D相依次供電，從A相切換到B相時，通過A相反饋的電能存儲在電解電容C1中，這部分能量能夠用于迅速提升C相的電流，從而縮短勵磁時間，其他三相同理。此過程循環往復大大縮短了供電周期，減少了損耗。D4和D8分別與兩個電解電容配合，實現能量回收。此過程僅適用于單相勵磁。A相、C相共享開關管，B相、D相共享開關管，通過減少開關器件的個數來減小損耗，以減小體積，降低成本，優化驅動性能。

4 勵磁方案的優化

OSRM有3種典型的勵磁模式：單相勵磁、雙相勵磁和單雙相混合勵磁。單相勵磁即任意時刻只對一相繞組進行勵磁，雙相勵磁即同一時刻對兩相電感處于上升區的繞組進行勵磁。雙相勵磁模式和單雙相混合勵磁模式都存在一種相鄰相同時勵磁的情況，如果對兩個相鄰相同時勵磁，可以將其極性設置為相反的極性，磁力線此時可以形成短磁路。如當B相和C相同時勵磁且極性相反的時候，B相和C相之間可以形成短磁路，產生一個反向的磁力線，雖然磁力線是反向的，但是其生成的力的大小僅與電流的有效值有關，并不影響轉矩的產生。其中，短磁路的意思是磁力線并非由上至下穿過半個轉子軛，而是當存在兩個磁動勢的磁力線圓的時候，兩者互相吸引，能夠在鄰近的極上形成一個很小的磁力線回路，這樣可以減少轉子軛上的電磁損耗，提高效率，增加輸出，使產生力的效果更好，提高了帶載能力。

本文還提供了一種勵磁模式流程控制方法，如圖4所示，該方法可以在單相勵磁和雙相勵磁之間來回切換，其判斷的唯一準則是系統的電流：在系統運行過程中，不斷循環檢測系統電流，當電流大于某一個值的時候，啟動雙相勵磁;當電流下降到某一個值的時候，切回單相勵磁。由于其判斷區間是滯環式的，故不存在反復切換的問題。這種控制方案既保證了電機能產生足夠的轉矩，又能有效地減少轉矩脈動。

5 結語

本文就外轉子開關磁阻電機用作機器人關節電機的方案進行了研究，提出了一種電機本體設計方案和與之對應的功率變換器拓撲結構，并根據理論分析與軟件仿真，優化了設計結果。

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收稿日期：2020-04-25

作者簡介：趙傳放（1999—），男，江蘇新沂人，研究方向：電機與電器。