水下機器人關(guān)節(jié)電機驅(qū)動系統(tǒng)研究

賀 磊，徐國華，劉亞平

（華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢，430074）

0 引 言

近些年隨著漏油等水下事故的頻繁發(fā)生，人們對水下作業(yè)需求的關(guān)注程度日益提高。由于水下事故環(huán)境比較惡劣，人類常常無法直接作業(yè)，往往需要借助水下機器人。為了使機器人具有靈巧水下作業(yè)的能力，研究人員常在其上搭載操作臂。因此，操作臂的關(guān)節(jié)驅(qū)動就成了相關(guān)研究中的關(guān)鍵。

和液壓、氣動等驅(qū)動方式相比，電氣驅(qū)動具有體積小、功耗小、精確度高等優(yōu)點，故本研究選用直流電機進(jìn)行關(guān)節(jié)驅(qū)動。另外，由于水下電機內(nèi)部常常充油以提高耐壓能力，有刷直流電機電刷的摩擦?xí)矸勰?，?dǎo)致油絕緣性能的降低與密封問題，因此該機器人采用無刷直流電機。

近年來，在水下無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)領(lǐng)域的研究主要有：Wael Salah等[1]研制了用于水下應(yīng)用的永磁無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)；徐國華等[2]研制了用于水下絞車的驅(qū)動系統(tǒng)；楊申申等[3]研制了水下無傳感器無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)。由于水下環(huán)境的嚴(yán)酷性，對驅(qū)動系統(tǒng)的體積、功耗等都有較高要求。上述成果都采用驅(qū)動電路與電機分離的形式，且整板體積和功耗較大，沒有充分滿足水下作業(yè)需求。

本研究提出一種用于深海無刷直流電機的小型化、低功耗驅(qū)動系統(tǒng)，經(jīng)過特殊處理后可以被直接裝入關(guān)節(jié)電機中。

1 關(guān)節(jié)驅(qū)動原理

1.1 操作臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這里研究的系統(tǒng)是一臺用于水下剪纜作業(yè)的兩功能水下機器人操作臂。該系統(tǒng)采用主機、運動控制器、驅(qū)動器、傳感器與負(fù)載5個部分構(gòu)成的數(shù)字運動控制體系結(jié)構(gòu)。

驅(qū)動系統(tǒng)的主機為一臺微型個人計算機，它通過和驅(qū)動板通信完成操作臂的監(jiān)視與控制。驅(qū)動板由運動控制器和電機驅(qū)動器兩部分構(gòu)成，用于進(jìn)行電機的速度調(diào)節(jié)與功率驅(qū)動。無刷直流電機和操作臂構(gòu)成驅(qū)動系統(tǒng)的負(fù)載，其中電機用于將驅(qū)動器輸出的電能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動操作臂的機械能，而操作臂用于完成剪纜作業(yè)。操作臂本體由做回轉(zhuǎn)運動的大臂、做伸縮運動的小臂以及手爪3部分構(gòu)成。為了提高位置、速度精度和工作力矩，電機輸出連接有減速裝置，其中回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用諧波傳動減速器，伸縮關(guān)節(jié)采用螺旋結(jié)構(gòu)。另外，電機內(nèi)部裝有呈120°環(huán)形均勻分布的數(shù)字霍爾傳感器，用以檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。整個操作臂設(shè)計工作在水下70 m以上的空間，采用O型橡膠圈和四氟乙烯環(huán)組合密封[4-5]。

1.2 操作臂系統(tǒng)運行原理

操作員通過電機控制界面監(jiān)控電機運行狀態(tài)并輸入控制命令以操作機械臂。控制命令通過串口通信被發(fā)送給驅(qū)動板中的微控制器。微控制器根據(jù)命令輸入、反饋輸入和當(dāng)前狀態(tài)做出決策，向驅(qū)動器發(fā)送電機控制信號。驅(qū)動器利用霍爾傳感器輸入、微控制器輸入產(chǎn)生柵極驅(qū)動信號，這些信號經(jīng)過內(nèi)置三相逆變器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換從而驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。電機將三相輸入電氣功率轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子機械功率帶動齒輪、螺桿旋轉(zhuǎn)，最終帶動末端執(zhí)行器作業(yè)。

2 驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)硬件可以分為兩個部分：①運動控制器，它是信號存儲與處理電路，主要完成位置和速度調(diào)節(jié)；②電機驅(qū)動器，它是功率放大和變換電路，主要完成電機驅(qū)動。

由于操作臂在深海作業(yè)，承受水壓較高，操作臂需要嚴(yán)格密封且驅(qū)動系統(tǒng)體積應(yīng)當(dāng)盡可能小。另外，由于實際工作中系統(tǒng)采用電池供電，要求驅(qū)動系統(tǒng)低功耗。

2.1 小型化與低功耗策略

實現(xiàn)小型化的主要方法是在驅(qū)動板中采用高集成度器件、小面積封裝與多層PCB布局。驅(qū)動電路可以采用靈活性高的分立器件實現(xiàn)，但是它具有體積過大、可靠性和效率不高等缺點。國際上很多半導(dǎo)體公司推出了具有高集成度的微控制器和驅(qū)動器，這些器件為驅(qū)動板的小型化提供了保證[6]。這里，運動控制部分核心芯片采用美國德州儀器TI公司的MSP430F149微控制器，驅(qū)動部分核心芯片采用日本三洋（Sanyo）公司的LB1975集成電機驅(qū)動器。MSP430F149在片上集成了特別適合用于電機控制的定時器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字I/O等外設(shè)，而LB1975驅(qū)動器在一個尺寸僅有26.75mm×12.7mm的芯片上集成了用于電機驅(qū)動的柵極驅(qū)動器、三相逆變器、位置解碼器、PWM發(fā)生器、電流檢測單元以及欠壓、過流保護(hù)單元等。對于器件封裝，盡量選用薄而小的SMT器件。另外，本研究還采用了雙面PCB布局。這些措施使得驅(qū)動板的面積很小，僅為53 mm的圓環(huán)，經(jīng)過特殊處理后可以直接裝入無刷直流電機中，如圖1所示（其中：左側(cè)為初期驅(qū)動板，右側(cè)為最終經(jīng)特殊處理后可放入關(guān)節(jié)電機的驅(qū)動板）。

圖1 水下機器人關(guān)節(jié)電機驅(qū)動板

實現(xiàn)低功耗的主要方法是采用低功耗器件和有效管理電能。前者是從硬件上而后者是從軟件上降低功耗。低功耗器件的選用應(yīng)當(dāng)考慮如下幾點：

（1）選用數(shù)字CMOS器件。這里選用的MSP430F149和LB1975都是數(shù)字CMOS器件。通過數(shù)字技術(shù)使晶體管偏置在截止區(qū)和飽和區(qū)，極大地降低了器件功耗[7]。從制造工藝上來說，由于CMOS具有互補的MOS晶體管，這使得器件具有高輸入阻抗和單MOS管導(dǎo)通特性，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功耗。

（2）采用高集成度器件。高集成度可減小互連帶來的寄生效應(yīng)，降低功耗、提高器件穩(wěn)定性。

（3）采用低電壓、低頻率配置。對于CMOS工藝器件，總功耗可以分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗，其中動態(tài)功耗是主要部分，可以由下式估算[8]：

式中：PT—總動態(tài)功耗，CPD—功耗電容，CL—負(fù)載電容，VCC—電源電壓，f—開關(guān)頻率。

從而可以得出：在器件一定的條件下功耗和電源電壓的平方以及頻率成正比?；谙到y(tǒng)的性能要求，本研究將微控制器的工作電壓配置在3.3 V，時鐘頻率為32 kHz，這樣可以大大降低功耗。有效管理電能的策略有：

（1）采用低功耗模式。微處理器的功耗主要集中在高速的CPU上，MSP430中多種低功耗模式使其在空閑時可以停止工作，為省電提供了便利。

（2）模塊選擇性啟用。對于集成外設(shè)，由于具有靈活的時鐘系統(tǒng)，可以隨時啟用、禁用以進(jìn)一步降低功耗。MSP430中的智能自主外設(shè)可以自主地運行，將CPU時間大大減小，當(dāng)需要其服務(wù)時，可以瞬時喚醒它[9]。經(jīng)過測試，驅(qū)動系統(tǒng)的靜態(tài)功耗約為0.24 W，而動態(tài)功耗約為0.5 W。

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)硬件體系

本研究中，驅(qū)動板采用微控制器MSP430F149作為運動控制器的核心處理器，主要完成對電機的位置和速度控制以及與計算機、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動器的通信，核心電路如圖2所示。

圖2 運動控制器PWM調(diào)節(jié)部分電路原理圖

微控制器通過啟/停、正/反轉(zhuǎn)數(shù)字信號與占空比模擬信號來控制驅(qū)動器。由于核心微控制器內(nèi)部沒有數(shù)模轉(zhuǎn)換器，且電源電壓為3.3 V，外圍添加了數(shù)模轉(zhuǎn)換器與電平轉(zhuǎn)換器件。

驅(qū)動器LB1975接收來自控制器的信號以及電機內(nèi)置三相霍爾效應(yīng)傳感器的反饋脈沖信號，核心電路如圖3所示。

圖3 驅(qū)動器主要部分電路原理圖

由于驅(qū)動器對霍爾輸入的引腳電壓和共模電壓有要求，霍爾信號先要經(jīng)過R12～R22構(gòu)成的電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電壓調(diào)理后才能進(jìn)入驅(qū)動器。進(jìn)入驅(qū)動器的霍爾信號經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形后輸入位置解碼器。位置解碼器和PWM發(fā)生器依據(jù)霍爾信號和模擬電壓共同產(chǎn)生柵極驅(qū)動信號。柵極驅(qū)動信號經(jīng)過柵極驅(qū)動器的功率放大后給內(nèi)置逆變器晶體管柵極充、放電。逆變器輸出端直接連接到電機三相繞組，它將來自直流電源的直流電壓變換為適應(yīng)無刷直流電機的梯形反電動勢的相電壓以進(jìn)行電機驅(qū)動。

3 驅(qū)動系統(tǒng)軟件設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)軟件設(shè)計包括兩個部分，即：①微控制器軟件設(shè)計；②電機控制界面設(shè)計，兩者通過串口通信相互傳遞信息。

3.1 微控制器軟件設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計為基于事件的采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，即在每次霍爾邊沿到來時進(jìn)行一次位置、速度采樣和信號處理[10]，當(dāng)處理完畢后立即進(jìn)入低功耗模式，這樣可以避免額外的軟件執(zhí)行帶來的功耗。

整個軟件流程如圖4所示。

圖4 控制微控制器軟件流程圖

3.2 電機控制界面設(shè)計

為了能夠?qū)Σ僮鞅垓?qū)動系統(tǒng)進(jìn)行可視化監(jiān)督與控制，這里設(shè)計了電機控制界面。界面的開發(fā)采用基于Windows XP操作系統(tǒng)的Microsoft Visual C++6.0。

界面實現(xiàn)了兩個主要功能：

（1）實時監(jiān)視。每當(dāng)電機換相時，霍爾脈沖邊沿會觸發(fā)微控制器中斷，微控制器將啟/停、正/反轉(zhuǎn)、換相間隔時間等狀態(tài)信息發(fā)送給計算機。計算機對這些信息進(jìn)行處理，然后將電機狀態(tài)以數(shù)據(jù)和曲線的方式顯示出來，并提供了數(shù)據(jù)存儲功能，方便后期數(shù)據(jù)處理與分析。

（2）電機控制。為了使操作臂完成復(fù)雜的操作，本研究制定了一系列基本動作控制指令，并提供了命令行與GUI兩種控制方式。當(dāng)操作員對電機進(jìn)行操作時，界面軟件通過使用Remon Spekreijse提供的CSerialPort類向串口緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)，然后由操作系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的傳輸。

電機控制界面流程如圖5所示。

圖5 電機控制界面軟件流程圖

最終設(shè)計的電機控制界面如圖6所示。

圖6 電機控制界面

4 關(guān)節(jié)驅(qū)動實驗

本研究在將操作臂與驅(qū)動系統(tǒng)裝配完成之后進(jìn)行了速度實驗。電機啟動時給定轉(zhuǎn)速輸入120 r/min，用以考察驅(qū)動系統(tǒng)的性能，獲得的速度曲線如圖7所示。

圖7 關(guān)節(jié)電機轉(zhuǎn)速曲線圖

從圖7中可以看出，對于開環(huán)速度實驗，帶負(fù)載時穩(wěn)態(tài)速度偏離給定值50 r/min，電機在1 s時跟蹤給定速度，并在給定速度附近波動。

波動的原因主要有兩個：

（1）在電機的數(shù)字控制中，速度是以數(shù)字量表示的，因此速度是離散的。當(dāng)期望速度在兩個離散速度值之間時，實際速度就會在期望速度上下跳動。這種情況下，波動是數(shù)字系統(tǒng)固有的，無法消除，只能通過提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度來減小。

（2）操作臂在運動時受力狀況不斷變化帶來擾動的變化，從而使得速度偏離給定值，這種情況可以通過更加優(yōu)越的算法來消除。

圖8 操作臂驅(qū)動實驗

5 結(jié)束語

本研究介紹了一套水下機器人關(guān)節(jié)電機驅(qū)動系統(tǒng)的組成、設(shè)計與測試，并從硬件和軟件兩個角度重點研究了系統(tǒng)的小型化和低功耗問題。研究結(jié)果表明：

（1）通過采用高集成度器件、小面積封裝以及多層板設(shè)計能夠有效地減小電路面積，使得器件分布在外徑僅為53 mm的圓環(huán)電路上，經(jīng)過特殊處理后能夠直接放入電機中。

（2）采用低功耗器件、數(shù)字驅(qū)動器，并有效地管理電能，能夠有效地減小系統(tǒng)功耗，使得驅(qū)動系統(tǒng)的靜態(tài)功耗僅為0.24 W，而動態(tài)功耗為0.5 W，均滿足水下作業(yè)時的低功耗需求。

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