伺服驅(qū)動(dòng)輪系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟雨皞　閆輝垠

輪式機(jī)器人具有運(yùn)行速度快，通過能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在服務(wù)和機(jī)器人競賽領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 本文介紹了一種可用于輪式機(jī)器人的伺服驅(qū)動(dòng)輪系統(tǒng)。 該系統(tǒng)由永磁同步電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器和橡膠輪組成，采用了與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以作為一個(gè)整體輕松組裝和使用。 在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)上采用基于SVPWM的控制系統(tǒng)，通過使用高精度的編碼器，可實(shí)現(xiàn)電流控制，速度控制和位置控制。

1 介紹

永磁同步電機(jī)在各種應(yīng)用中越來越受到關(guān)注。 由于其高功率密度，高效率和極高的調(diào)速范圍，它們越來越受到機(jī)器人領(lǐng)域的青睞。 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，輪式服務(wù)機(jī)器人、工業(yè)自引導(dǎo)小車和競賽機(jī)器人對高性能伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求也在不斷上升。 然而，電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器和車輪通常由不同的公司單獨(dú)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致系統(tǒng)體積大，很難應(yīng)用于小型機(jī)器人。 本文介紹了一種將輪轂電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器組裝在一起的機(jī)械設(shè)計(jì)。 這樣整個(gè)結(jié)構(gòu)體積較小，可作為一個(gè)整體進(jìn)行使用， 模塊化的設(shè)計(jì)也有助于維修和拆裝。

為了改善電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)PID控制器來控制電機(jī)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(jī)進(jìn)行更精確的控制，我們選擇了高分辨率磁編碼器對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)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(chǎn)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(qū)動(dòng)輪系統(tǒng)使用方便，性能高，可以很好的應(yīng)用在輪式機(jī)器人上。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使車輪成為一個(gè)整體模塊，并且可以很容易地組裝和更換，我們自行設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。整個(gè)部分包含電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)通電便可以工作。

2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)

為了將該系統(tǒng)用作車輪并控制系統(tǒng)的整體重量以便小型化的應(yīng)用，我們將轉(zhuǎn)子外殼和輪轂直接組裝到一起。 然后，我們在輪轂的內(nèi)部放置轉(zhuǎn)子的永磁體并用橡膠覆蓋轉(zhuǎn)子的外部。 所以電機(jī)可以直接用作驅(qū)動(dòng)輪。

2.2 電機(jī)定子的設(shè)計(jì)

由于該系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)用于輪式機(jī)器人，所以必須將其固定在機(jī)器人上。 所以我們直接將定子固定座與車輪安裝法蘭設(shè)計(jì)為一體，這樣既能夠方便整個(gè)系統(tǒng)的安裝又能夠簡化整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，能夠更好的滿足小型化的要求。 為了獲得高轉(zhuǎn)矩輸出和高速度，我們選擇三股銅導(dǎo)線并聯(lián)的方式進(jìn)行定子繞組的繞制，這樣可以使電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速更大。

2.3 安裝底座的設(shè)計(jì)

為了將電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器整合到整個(gè)系統(tǒng)中，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)安裝基座，并在其中安裝了一個(gè)帶槽的安裝基座，我們可以在其中放置電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)位置檢測器。 這樣便組成了一個(gè)完整的伺服驅(qū)動(dòng)輪系統(tǒng)。

3 空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 空間電壓矢量脈寬調(diào)制算法的推導(dǎo)

SVPWM技術(shù)是對SPWM調(diào)制方法的一種改進(jìn)，它基于空間電壓矢量的思想，并將零矢量添加到矢量調(diào)制中來生成三相正弦波，從而逼近圓形磁通軌跡。 由于其調(diào)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(guān)次數(shù)，因此它具有較低的開關(guān)損耗，同時(shí)在電樞繞組上有更少的諧波損耗和紋波轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)電路中可能的開關(guān)狀態(tài)，我們可以將電壓矢量分解為六個(gè)基本矢量和零矢量。 然后我們可以得到期望向量與六個(gè)基本向量之間關(guān)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(gè)非零非平行矢量合成，所以我們可以用兩個(gè)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(guān)同一時(shí)間只能有一個(gè)狀態(tài)，所以我們必須引入時(shí)間等效原理和零向量。 然后，我們可以控制開關(guān)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，以便我們可以獲得與我們預(yù)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(guān)的狀態(tài)以及它最后形成我們想要的電壓矢量所需的持續(xù)時(shí)間。

3.2 空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

空間電壓矢量脈寬調(diào)制的關(guān)鍵在于追蹤磁通的軌跡。 所以我們必須知道電樞繞組磁動(dòng)勢的精確方向。 所以我們選擇一個(gè)12位高分辨率磁性編碼器，AS5045B，來檢測轉(zhuǎn)子的位置。 在知道磁動(dòng)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(jī)軸上輸出扭矩，我們給出一個(gè)垂直于磁動(dòng)勢方向的矢量

眾所周知，功率開關(guān)原件在開關(guān)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗。為了保證高性能并降低開關(guān)損耗，我們選擇使用七段式空間電壓矢量脈寬調(diào)制，以便在開關(guān)損耗和輸出波形質(zhì)量之間保持平衡。 假設(shè)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(jì)算開關(guān)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間：

零矢量的持續(xù)時(shí)間可以通過下式得到：

我們可以看到當(dāng)Tx + Ty> Ts時(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。 這會(huì)導(dǎo)致輸出波形失真。 如果發(fā)生這種情況，我們可以通過以下方式縮減開關(guān)時(shí)間，使總時(shí)間不會(huì)超過控制周期：

在完成計(jì)算后我們通過單片機(jī)控制三相H橋的開關(guān)通斷得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓。

4 控制器的設(shè)計(jì)

4.1 電流環(huán)

為了簡化計(jì)算和分析，我們選擇轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系。 根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場方向?qū)﹄姍C(jī)三相電流進(jìn)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(jù)電流誤差來控制輸出電壓。 然后計(jì)算d軸和q軸上的定子電壓，并將其轉(zhuǎn)換為三相電壓，然后用逆變器輸出。

4.2 速度環(huán)

速度環(huán)的目的是計(jì)算加速和減速過程中的輸出電流。

為了消除穩(wěn)態(tài)誤差并提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，我們使用PI控制器來控制電機(jī)速度。同時(shí)為了消除滯后，我們在控制器中加入了前饋補(bǔ)償。

4.3 位置環(huán)

在位置環(huán)下，我們需要規(guī)劃一個(gè)速度曲線，以在預(yù)期的速度，加速度和減速度下到達(dá)給定的位置。 通過使用磁編碼器，我們可以獲得電機(jī)的位置和電機(jī)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(yīng)用了P控制器。 為了減少滯后，我們還應(yīng)用了前饋補(bǔ)償，最終得到位置環(huán)輸出的速度命令。

5 結(jié)論

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人將進(jìn)入越來越多的人們的生活。 伺服驅(qū)動(dòng)輪系統(tǒng)可以提供高性能和高精度的速度和位置控制， 模塊化設(shè)計(jì)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(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制。

（作者單位：1 東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院）