空間機械臂用低功耗高精度永磁同步驅(qū)動系統(tǒng)

趙志國，王 真，高 欣，戴 亮，張東寧

(1.中國國防科技信息中心，北京100036;2.中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

隨著航天技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展以及空間機器人技術(shù)的發(fā)展完善，空間機械臂在太空探索和開發(fā)中發(fā)揮著越來越大的作用。空間機械臂在航天員移動工作平臺系統(tǒng)、太空垃圾抓捕、輔助交會對接以及空間站建造等系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用價值，其中空間機械臂的關(guān)節(jié)控制是空間機械臂系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之。圖1 為空間機械臂外形圖。

圖1 ETS-Ⅶ機械臂外形圖

1 基本結(jié)構(gòu)和原理

根據(jù)空間機械臂的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)應(yīng)用需求，我們研制了一種永磁同步電動機伺服系統(tǒng)。該伺服系統(tǒng)具有較低的轉(zhuǎn)矩脈動和較高的轉(zhuǎn)矩輸出能力，并在運行過程中具備優(yōu)良的低速穩(wěn)定性和高精度的定位能力，與此同時根據(jù)應(yīng)用特性，伺服系統(tǒng)還應(yīng)滿足相應(yīng)的體積與重量要求，以為模塊化關(guān)節(jié)提供運動和動力輸出。

1.1 機械臂中永磁同步伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

機械臂中電機主要結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。

圖2 永磁同步電動機結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)中電機采用分裝式結(jié)構(gòu)，磁路部分為徑向磁路結(jié)構(gòu)，電機通過過渡件與機械關(guān)節(jié)組裝為一體，確保整個機械臂系統(tǒng)體積緊湊同時降低系統(tǒng)的重量。驅(qū)動器需要實現(xiàn)對于兩個關(guān)節(jié)的永磁同步電動機的驅(qū)動任務(wù)，受限于驅(qū)動器的空間和功耗等要求，驅(qū)動器內(nèi)部兩關(guān)節(jié)控制器排布于一塊電路板上。

1.2 主要工作原理

系統(tǒng)原理框圖如圖3 所示。

本文中伺服控制器需要實現(xiàn)對于兩個關(guān)節(jié)的永磁同步電機的驅(qū)動任務(wù)，受限于伺服控制器的空間和功耗等要求，初步擬定伺服控制器內(nèi)部包含兩個DSP 處理器，其中一個實現(xiàn)對于電壓的監(jiān)測和對于單臺永磁同步電機的驅(qū)動;另一個實現(xiàn)對于兩臺永磁同步電機的驅(qū)動。兩DSP 通過RS－422 通信接口實現(xiàn)與上位機的通信。同時電流檢測采用高共模電壓的精密運算放大器配合分流電阻方式實現(xiàn)。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

2 設(shè)計研究

針對空間機械臂關(guān)節(jié)控制對永磁同步伺服系統(tǒng)的要求，本文主要進行了以下設(shè)計研究。

2.1 低功耗電機技術(shù)設(shè)計及仿真技術(shù)

采用等效磁路法進行方案估算、初始方案設(shè)計和類似方案的比較。根據(jù)電機初始參數(shù)運用有限元軟件建立模型，確立幾何模型，設(shè)置材料屬性和外電路。對建好的模型進行剖分，求解不同工況下電機的運行特性，并對結(jié)果進行后處理，根據(jù)后處理結(jié)果對電機參數(shù)進行調(diào)整，通過優(yōu)化極靴，極槽匹配，選擇永磁體尺寸，設(shè)置繞組結(jié)構(gòu)，分析材料特性等可得最終方案。

電機仿真與優(yōu)化設(shè)計流程圖如圖4 所示。

圖4 電機仿真與優(yōu)化設(shè)計流程圖

本電機擬采用Z =18，2p =12 結(jié)構(gòu)，利用Ansoft 2D 有限元仿真軟件對該電機進行建模后劃分網(wǎng)格，由于該模型可以看成是由6 個單元電機組成，為減少計算機的工作量，采用單元單機進行分析計算，如圖5、圖6 所示。

建立模型后，首先計算空載時的各個參數(shù)，從而得出磁路仿真圖、磁勢分布圖、空載時齒槽轉(zhuǎn)矩圖、相反電勢波形圖、線反電勢波形圖。其中，磁路仿真圖如圖7 所示，可以驗證模型的正確性，如磁鋼特性，模型邊界的設(shè)定等;磁勢分布圖如圖8 所示，可以核對該電機各個部位的磁密是否合理;反電勢波形如圖9 所示，其正弦性是電機性能的重要參數(shù)。

圖5 電機結(jié)構(gòu)建模圖

圖6 電機2D 模型圖及網(wǎng)絡(luò)剖分圖

圖7 電機磁路仿真圖

圖8 磁密分布圖

圖9 線反電勢波形圖

圖10 加載后得到轉(zhuǎn)矩波形圖

仿真結(jié)果數(shù)據(jù)初定如下:

電壓:24 V DC;

額定轉(zhuǎn)矩:0.2 N·m;

額定轉(zhuǎn)速:5 r/min;

電機功耗:3.6 W;

電機重量:0.28 kg。

2.2 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼補償技術(shù)

由于項目對電機驅(qū)動系統(tǒng)的體積與重量的要求，采用單通道旋轉(zhuǎn)變壓器精度不能達到技術(shù)指標要求，因而需對解碼信號進行補償，再采用相應(yīng)手段對解碼信號進行補償處理，使系統(tǒng)定位精度最終滿足的整體要求。

通過將單通道旋轉(zhuǎn)變壓器與高精度角度檢測裝置同軸連接。調(diào)節(jié)單通道旋轉(zhuǎn)變壓器零位與檢測裝置零位相對應(yīng)，此時可以采取手動調(diào)節(jié)的方式設(shè)置角度檢測裝置的位置至任意一個角度，同時采樣驅(qū)動電路解碼部分輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器的位置檢測值，這兩個數(shù)值之間的差值即為本次測量角度的解碼誤差值。

通過上述方法對系統(tǒng)檢測進行多次對比分析，其誤差的重復(fù)性很好，在此基礎(chǔ)之上以此解碼誤差值作為補償值，根據(jù)補償值的正負性將旋轉(zhuǎn)變壓器的檢測值加上或減去補償值，所得結(jié)果作為最終的測試數(shù)值，這個方法可以有效提高檢測精度。

3 測試結(jié)果

對機械臂關(guān)節(jié)中永磁同步伺服系統(tǒng)進行了相應(yīng)測試。電機額定電壓為24 V(DC)，轉(zhuǎn)矩0.2 N·m條件下，電機輸入功率為3.7 W，電機質(zhì)量為0.29 kg。

在將伺服驅(qū)動系統(tǒng)安裝于機械臂上之后，采用Leica 公司絕對式激光跟蹤儀AT901－LR 對機械臂位置檢測精度進行了測試，給定指令的周期為10°，在0°至90°之間進行往復(fù)測試，共計測量19 個點。如圖11 所示，以關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心為原點，以機械臂所在平面為坐標平面，得出的運動軌跡實際定位誤差檢測圖。

圖11 機械臂定位誤差檢測圖

測量結(jié)果整個機械臂關(guān)節(jié)位置伺服定位誤差最大值為10.26'，而且系統(tǒng)重復(fù)定位誤差最大值僅為2.48'，基本滿足了研究目標。

4 結(jié) 語

本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計中將分裝式電機與位置傳感器進行一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以有效降低永磁同步伺服系統(tǒng)的整體重量;在電機電磁設(shè)計中使用合理的極槽配合配合計算機仿真進行優(yōu)化，確保電機在有限重量下減小功耗以滿足空間能耗的要求;采用特殊的單通道旋轉(zhuǎn)變壓器解碼補償技術(shù)提高系統(tǒng)的位置伺服精度。

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