消防機(jī)器人用中空兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)設(shè)計(jì)

劉 濤

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

消防機(jī)器人是一種特種機(jī)器人，隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,其需求越來越明顯。目前,它主要用于危險(xiǎn)化學(xué)品和易燃易爆物品以及倉儲和辦公樓宇。消防機(jī)器人的出現(xiàn)可以幫助消防員及時(shí)獲取火災(zāi)現(xiàn)場實(shí)時(shí)信息，甚至在無人狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自動滅火，它在消防救援中發(fā)揮了非常重要的作用[1]。

現(xiàn)今，大多數(shù)發(fā)達(dá)國家正不斷推進(jìn)消防機(jī)器人的升級進(jìn)程，開始由低智能被動消防向高智能主動型機(jī)器人轉(zhuǎn)變的研究工作[2]。國際上對消防機(jī)器人的研究大致可分為三個階段，第一代是采用傳統(tǒng)程序控制消防機(jī)器人，機(jī)器人本體只能通過固定程序進(jìn)行消防工作；第二代消防機(jī)器人具有一定感覺功能，例如對煙霧與溫度感應(yīng)；第三代為智能化消防機(jī)器人，可以提前對現(xiàn)場進(jìn)行檢測及預(yù)判，主動實(shí)施消防工作[3]。目前，市面上常見的室內(nèi)消防噴頭主要采用溫度或煙霧檢測并大范圍噴灑進(jìn)行滅火，很難對著火點(diǎn)進(jìn)行精確定位并實(shí)施噴淋。本文介紹一種新型智能消防機(jī)器人，可以通過紅外監(jiān)測著火點(diǎn)的溫度及圖像，同時(shí)實(shí)施精確定位，并對著火點(diǎn)進(jìn)行小范圍噴淋，達(dá)到快速精確滅火的效果。

本文介紹的混合式步進(jìn)電動機(jī)主要用于消防機(jī)器人中的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是系統(tǒng)中的主要驅(qū)動動力元件。同時(shí)，此電動機(jī)具有體積緊湊、可靠性好、位置精度高等特點(diǎn)，同時(shí)在各種關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

1 基本結(jié)構(gòu)和原理

本文首先針對智能消防機(jī)器人使用環(huán)境的要求，通過分析不同轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)的運(yùn)行特性及安裝結(jié)構(gòu)的要求，采用分析軟件對混合式步進(jìn)電動機(jī)本體進(jìn)行了電磁性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出具有體積小、保持轉(zhuǎn)矩高等特點(diǎn)的兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)，并且采用了4倍細(xì)分的驅(qū)動控制方式，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)裝置的定位精度要求。

1.1 混合式步進(jìn)電動機(jī)基本結(jié)構(gòu)

電動機(jī)主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 混合式步進(jìn)電動結(jié)構(gòu)形式

電動機(jī)為組裝式結(jié)構(gòu)，采用扁平盤式結(jié)構(gòu)的徑向磁路，轉(zhuǎn)子軸為中空結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)軸內(nèi)部有水流通過，定子通過熱輻射傳導(dǎo)熱量，轉(zhuǎn)子通過水道中的水流進(jìn)行熱量傳遞，確保整個電動機(jī)溫度平衡。

1.2 主要工作原理

本電動機(jī)為徑向磁路混合式步進(jìn)電動機(jī)，電機(jī)定子鐵心采用繞組鑲嵌在定子槽中，兩相繞組間隔一個槽距，轉(zhuǎn)子采用稀土永磁材料作為永磁體。當(dāng)定子繞組通電時(shí)，通電線圈產(chǎn)生一矢量磁場。該矢量磁場與轉(zhuǎn)子磁極相互作用，電磁力帶動電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個固定角度。每輸入一個電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)子隨著前進(jìn)一步。電動機(jī)轉(zhuǎn)子輸出的角度與驅(qū)動器端輸入的脈沖數(shù)成正比，電動機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率成正比。通過調(diào)節(jié)驅(qū)動器可以控制脈沖數(shù)量、頻率及各相繞組的通電順序，來控制步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

針對智能消防機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對混合式步進(jìn)電動機(jī)的要求，本文的主要研制內(nèi)容如下。

2.1 電磁設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶的使用需求，在智能消防機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要保證1°的位置定位精度，在定位完成后電動機(jī)需要輸出大于1 N·m的保持轉(zhuǎn)矩，以確保在大流量水流噴出時(shí)產(chǎn)生的反作用力下整個系統(tǒng)定位的穩(wěn)定性。

針對用戶的技術(shù)要求，本電動機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為100，每個齒距為3.6°，當(dāng)電動機(jī)按兩相雙四拍運(yùn)行時(shí)，步距角為3.6°/4=0.9°。

電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te：

pImMsr(-iAsinθ+iBcosθ)

(1)

式中：p為電動機(jī)轉(zhuǎn)子部分的細(xì)分齒數(shù)；Im為等效的永磁體勵磁電流；L2為定子繞組自感基波分量；Msr為定轉(zhuǎn)子之間互感的等效系數(shù)[4-5]。

二相激磁時(shí)，保持轉(zhuǎn)矩計(jì)算：

(2)

2.2 一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步減小智能消防機(jī)器人的體積，本電動機(jī)采用了電動機(jī)與消防水道嵌入式的結(jié)構(gòu)形式，即電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸采用中空設(shè)計(jì)，消防水道與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸緊密結(jié)合在一起，定子部分采用環(huán)氧澆注。這種結(jié)構(gòu)形式具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 采用嵌入式結(jié)構(gòu)，消防噴水的水道與電機(jī)整體設(shè)計(jì)在一起，可以極大地減小電機(jī)整體空間，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動噴水水道，控制噴水口的方位及旋轉(zhuǎn)角度，達(dá)到精確控制噴灑區(qū)域的位置，確保噴灑的精準(zhǔn)度。

2) 定子采用環(huán)氧整體澆注，可以將定子繞組與電動機(jī)內(nèi)的水進(jìn)行隔離，確保電機(jī)繞組的絕緣可靠性；同時(shí)采用環(huán)氧澆注方式，可以增強(qiáng)定子部分的整體機(jī)械強(qiáng)度，保證電動機(jī)在整體運(yùn)行時(shí)可以有效地降低對外界沖擊、振動；采用環(huán)氧澆注的方式還可以提高電機(jī)的整體散熱效果，環(huán)氧將電動機(jī)繞組與殼體有效連接在一起，在確保絕緣要求的前提下采用高導(dǎo)熱系數(shù)的環(huán)氧可以減小電動機(jī)的熱阻，降低電動機(jī)散熱的溫度梯度，確保定子繞組產(chǎn)生的熱量可以迅速地通過殼體散發(fā)。

2.3 自鎖定設(shè)計(jì)

針對智能消防機(jī)器人的使用需求，在噴水運(yùn)行時(shí)需要較大的保持轉(zhuǎn)矩施加在電動機(jī)轉(zhuǎn)動部件上，否則在大流量水流噴出時(shí)產(chǎn)生的反作用力會使轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)，這樣電動機(jī)的定位精度就會受到很大的影響。針對這樣的使用要求，通常采用的設(shè)計(jì)方式是在電動機(jī)同軸安裝一個制動器，當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行到指定位置時(shí)打開制動器，利用制動器產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子位置鎖定，但是這樣就需要同軸增加一個制動器，不僅提高了成本，增加了加工難度，同時(shí)還降低了可靠性。本文利用步進(jìn)電動機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的制動需求。當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)到指定位置時(shí)停下，在噴水開關(guān)打開之前給驅(qū)動器發(fā)出指令，給電機(jī)繞組通以一個較大的電流，電機(jī)產(chǎn)生較大的制動轉(zhuǎn)矩將電機(jī)轉(zhuǎn)軸固定，這樣噴水裝置噴淋時(shí)產(chǎn)生的反作用力就無法轉(zhuǎn)動電機(jī)關(guān)節(jié)，達(dá)到精確定位的要求。

3 測試結(jié)果

兩關(guān)節(jié)混合式步進(jìn)電動機(jī)樣機(jī)如圖2所示，并對混合式步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行了測試。

圖2 兩關(guān)節(jié)混合式步進(jìn)電動機(jī)樣機(jī)

電動機(jī)空載運(yùn)行時(shí)輸入電壓28 V，電流0.34 A，轉(zhuǎn)速240 r/min。電動機(jī)及控制器與智能消防機(jī)器人整體裝配較好，電動機(jī)直接驅(qū)動質(zhì)量為10 kg的噴水機(jī)構(gòu)，接收到位置指令后，兩關(guān)節(jié)步進(jìn)電動機(jī)聯(lián)動，驅(qū)動機(jī)器人噴水裝置旋轉(zhuǎn)到位后，驅(qū)動器給出制動指令，給電機(jī)繞組通電流3 A，產(chǎn)生保持轉(zhuǎn)矩1.3 N·m。噴水時(shí)整個系統(tǒng)可以準(zhǔn)確定位，噴灑面積完全覆蓋指定區(qū)域，整個系統(tǒng)運(yùn)行正常。

4 結(jié) 語

本文采用嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)體積緊湊，降低了消防機(jī)器人的質(zhì)量；通過特殊的中空轉(zhuǎn)軸水道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保了系統(tǒng)水流通行；采用兩關(guān)節(jié)聯(lián)動的方式，確保噴水系統(tǒng)對受控區(qū)域的全覆蓋噴淋。