一种工业机器人轴关节电机控制系统解决方案

时间：2024-05-18

吴文俊，夏蕾，孙洋，陈晓斌，方锋，张计悦

吴文俊，夏蕾，孙洋，陈晓斌，方锋，张计悦

（浙江琦星电子有限公司，浙江台州 317600）

工业机器人在生产自动化中的应用越来越广泛，应用在其轴关节的电机控制系统是很重要的执行系统。介绍了一种应用于小功率机器人轴关节电机的整体系统解决方案，包括机械结构设计和控制系统。

工业机器人；稀土永磁电机；控制系统；轴关节

随着现代制造业的发展，越来越多的工业机器人应用在装配、喷涂、焊接等生产操作中[1]。在工业机器人控制系统中，执行关节的控制电机系统是很重要的终端执行环节，影响着整个机器人的最终运行效果，因此，整体电机系统的设计显得尤为重要。工业机器人轴关节驱动电机要求具有大功率质量比、扭矩惯量比，高启动转矩，低惯量和较宽广且平滑的调速范围。为了满足以上要求，稀土永磁电机成为机器人关节电机的首选[2]。本文介绍的是一种针对负载5 kg，工作范围为85 cm的小功率六自由度工业机器人轴关节电机控制方案。其中，包括电机的机械形式和控制系统设计。

1 电机结构设计

本方案电机本体所处的位置在工业机器人每个轴关节部位，其所处的位置对于电机结构设计有一定的要求。电机外形要与机器人一体化，且电机具有高效率和高启动力矩输出。此外，对于电机的线缆走线设计也提出了较高的要求，因为线缆分布于机械手臂内部，由于空间有限，在设计走线上也要综合考虑。

基于以上问题，本方案首先选用稀土永磁同步电机，稀土永磁体的高磁能积和高矫顽力使得稀土永磁电机具有体积小、质量轻、效率高等特点，这些特点非常符合工业机器人对电机本体的要求[3]。在设计上，将电机定子与工业机器人外壳一体化，缩小了设计空间。在电缆空间设计上，将电机转子设计成空芯，这样工业机器人每个轴节之间的供电和通信总线可以在此空芯空间中布线，且这些线缆采用级联试，大大减少了电缆数量，与外壳一体化的空芯电机结构如图1所示。在此空芯中，电机供电电源线和通信线借此通过，不需要在机器人内部空间另辟走线空间。此种设计大大减小了机器手臂的直径，使得机器人外观轻盈、简洁，同时，减轻了机械臂体的质量，此电机本体设计一举多得，为机器人外观的轻型化、简洁化打下了非常坚实的设计基础。通过机器人机械仿真计算，在机器人的6个轴关节电机中，靠近基础底座的3个轴因为承载力较大，选用功率为350 W的电机，靠近工具端的3个轴节承载力较小，选取95 W的电机。整个机器人拥有6个轴关节电机，6个电机的线缆通过级联模式大大减小了线缆所占的空间。级联方式如图2所示。图1 与外壳一体化的空芯电机内结构

图1 与外壳一体化的空芯电机内结构

图2 机器人电机线缆级联示意图

2 电机控制软件设计

永磁同步电机控制方式主要分为2种，即方波控制和正弦波控制。2种控制方式基于不同的电机磁场模型，考虑到工业机器人的平稳运行要求，本方案选择正弦波控制。为了提高供电电压的利用率，在驱动技术上采用SVPWM技术，三相桥不同的开关状态形成的基础电压矢量分成6个扇区，电压矢量的投影决定了的开关状态和开关时间[4]。机器人的工作状态有很多模式，但多种模式对应的电机基本运行模式主要为位置控制、速度控制、力矩控制3种。可以在程序中设置不同的控制变量，切换电机的控制模式。在具体的电机控制中，程序上电、对PWM和ADC进行初始化后，判断母线电压，然后配置CPU控制初始值，进入主循环后，等待通信中断，然后根据上位机的具体要求即机器人不同工作模式，进入电机的控制模式子程序。具体流程如图3所示。

3 电机控制硬件系统设计

6个轴关节电机有2种功率，但其整体控制原理相同。考虑到整体控制系统的集约性，电机控制板放置于轴关节电机后面，与轴关节外观上形成一体。每个电机控制硬件主要分为电源模块、核心CPU配置系统、驱动功率模块、电流反馈模块、位置反馈模块、通信模块、位姿模块、制动电路。电机控制硬件框架如图4所示。

图3 电机软件流程

图4 电机控制硬件框图

3.1 电源模块

机器人的总体供电由开关提供48 V电源。在电机控制板上，除了可以将48 V电源直接供给功率管驱动电机，其他需要分别改为14 V、5 V、3.3 V，以供芯片应用。

3.2 核心CPU配置系统

本方案选择飞思卡尔DSC56F84442作为核心处理器，此处理器具有32位处理能力，并且拥有足够的PWM模块、AD模块以及多种通信接口，能完全满足单电机的控制要求以及外部通信要求，组成一套控制系统。

3.3 驱动功率

因为电机控制电路需要轻小型化，所以，在功率驱动上未选取隔离模式，而是选择强弱电单点共地，且尽量简化电路拓扑，从CPU输出的PWM信号，直接进入功率驱动芯片IR2181，在IR2181输出后直接连接功率驱动管。

3.4 电流反馈

考虑到电路板空间以及电机电流范围，本方案选取小型电流采样模块ACS712，电枢电流通过传感器产生电压信号，经过电压滤波整形反馈给CPU。

3.5 位置反馈

一般的电机位置反馈传感器都与电机合为一体，基于机器人的设计结构，本方案中的位置传感器采用菲林码盘与电机同轴安装，其读头选用安华高AEDT9810，能够满足电机在一定速度内对菲林码盘的刻线识别。

3.6 位姿模块

本方案中的电机控制板应用于机器人控制环境，机器人主控器需要反馈每个轴关节的姿态角。因为电机控制板出于轴关节电机末端，所以，轴关节位姿的反馈硬件电路放在了电机控制板上。本方案选择的加速度传感器为ADXL330，此传感器可以读取重力加速度在，，三个方向的分量，反馈给电机控制板，然后再上传到上位机主控制箱，反馈每个轴关节的当前位置姿态。