基于DSP的高壓帶電作業(yè)專用機(jī)器人一體化關(guān)節(jié)研制

徐善軍 ，任書楠 ，杜 婧 ，胡益菲 ，張黎明

（1.北京國(guó)電富通科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100070；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，南京 211106；3.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010）

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)中，電能是生產(chǎn)和生活中的重要組成部分。為保障輸電電路的正常運(yùn)行，需要對(duì)輸電電路進(jìn)行經(jīng)常檢修、更換設(shè)備等操作，目前一般都采用人工帶電作業(yè)的形式來進(jìn)行[1]。在這種作業(yè)方式中，操作人員需在高電壓、強(qiáng)電磁輻射、高空的惡劣環(huán)境中工作，導(dǎo)致發(fā)生觸電、跌落等事故。隨著機(jī)器人、人工智能、智能控制等技術(shù)的發(fā)展，采用機(jī)器人代替人工完成高壓帶電作業(yè)已成為可能，這種作業(yè)方式將作業(yè)人員從高壓、高輻射、高空的危險(xiǎn)環(huán)境中解放出來，增加帶電作業(yè)的安全性。其次，機(jī)器人在帶電作業(yè)時(shí)可以使用專用工具，既保證了作業(yè)人員的安全，又在很大程度上提高了作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，其應(yīng)用前景非常廣闊[2]。

1 高壓帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成

所設(shè)計(jì)的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人以最常見的11千伏高壓線路為作業(yè)場(chǎng)景，為保證系統(tǒng)能安全穩(wěn)定的工作，高壓帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)主要包括絕緣斗臂車及升降系統(tǒng)、斗臂、機(jī)器人、專用工具、控制系統(tǒng)等，其組成示意圖如圖1所示[3]。

圖1 高壓帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成示意圖

系統(tǒng)工作時(shí)，機(jī)器人安裝在斗臂車內(nèi)，升降系統(tǒng)將斗臂升到指定的位置，機(jī)器人按照作業(yè)要求抓取專用工具在控制系統(tǒng)的作用下，完成相應(yīng)的作業(yè)。機(jī)器人作為系統(tǒng)的核心設(shè)備，采用6自由度串聯(lián)形式[4]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。在機(jī)器人的組成部件中，機(jī)器人關(guān)節(jié)作為一個(gè)關(guān)鍵核心部分，其性能在很大程度上決定了機(jī)器人的性能。機(jī)器人關(guān)節(jié)將電機(jī)、減速器、制動(dòng)器、控制與驅(qū)動(dòng)電路等有機(jī)集成于一體[5]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

機(jī)器人關(guān)節(jié)的主要功能是控制與驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速器帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)部空間十分狹小，給關(guān)節(jié)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)帶來了諸多的難題。

2 關(guān)節(jié)性能匹配計(jì)算

高壓帶電作業(yè)專用機(jī)器人性能要求定位精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，其主要性能指標(biāo)要求：機(jī)械臂自身重量小于40kg，臂展不下于1.35m，負(fù)載不小于10kg，機(jī)器人末端最大速度不下于4.0m/s，額定加速度不小于3.59rad/s2，最大加速度不小于8.74rad/s2。

取機(jī)械臂自身重量38kg，工具長(zhǎng)度為0.2，以第一關(guān)節(jié)為例，機(jī)械臂水平放置，完全展開之后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

I1=40×1.35×1.35/3+10×（1.35+0.2）2=47.1（kg·m2）

機(jī)械臂第一關(guān)節(jié)角速度為：

ω1=4.0/1.35=2.96（rad/s）=28.29（r/min）

一關(guān)節(jié)在額定加速度工況下的輸出力矩為：

T11=I1×α11=47.1×3.59=169（N.m）

則一關(guān)節(jié)在最大加速度工況下的輸出力矩為[6]：

T12=I1×α12=47.1×8.74=411（N.m）

一關(guān)節(jié)諧波減速器的減速比為100，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為：P1=T11/160×ω=169/100×28.29×100/9.549=500（W）

為盡量減少各關(guān)節(jié)的差異，增加個(gè)關(guān)節(jié)的通用性，在保證機(jī)器人各項(xiàng)性能的前提下，機(jī)器人六個(gè)關(guān)節(jié)分為3種類型，其中1、2關(guān)節(jié)為一種類型；3關(guān)節(jié)為一種類型；4、5、6為一種類型，各關(guān)節(jié)的參數(shù)如表1所示。

表1 各關(guān)節(jié)參數(shù)表

3 機(jī)器人關(guān)節(jié)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)的控制，能對(duì)電壓、電機(jī)電流、速度、轉(zhuǎn)子位置等進(jìn)行檢測(cè)，具有過流、過欠壓、過速等故障報(bào)警功能[7]，與上位機(jī)進(jìn)行CAN總線通訊，獲取上位機(jī)的控制指令，并上報(bào)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)[8]。

3.1 系統(tǒng)控制電路硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用DSP TMS320F28035為控制核心芯片，為了方便電路布局，選用56引腳的封裝，該芯片為32位DSP，3.3V供電，主頻60M，64K flash ，10K 16位SARAM，集成了13個(gè)ADC，8個(gè)PWM，1個(gè)CAN，1個(gè)SPI，多路輸入輸出I/O等，特別是內(nèi)部集成有控制律加速器（CLA），能進(jìn)行32位浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，并具有并行控制能力，能顯著減少ADC采樣到輸出的延遲，為系統(tǒng)電流和電壓檢測(cè)等提供MHz級(jí)的檢測(cè)和診斷，更好、更快地為系統(tǒng)提供保護(hù)。系統(tǒng)的硬件功能框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的硬件功能框圖

系統(tǒng)的硬件電路主要包括：DSP附屬電路及電源，電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路，電流、溫度檢測(cè)采樣電路，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度檢測(cè)電路，CAN總線通訊電路和輸入輸出信號(hào)電路等。其中DSP附屬電路及電源主要包括外部晶振和供電電源變換電路；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括PWM自舉電路和三相橋式逆變電路；電流、溫度檢測(cè)采樣電路主要包括電流、溫度采樣，信號(hào)處理、濾波電路；速度及電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路主要包括電機(jī)光電編碼器信號(hào)處理電路、DSP的QEP信號(hào)前置處理電路；CAN總線通訊電路主要是CAN通訊接口電路；輸入輸出信號(hào)電路包括電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的霍爾信號(hào)輸入和關(guān)節(jié)制動(dòng)信號(hào)、信號(hào)指示燈輸出電路。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要對(duì)伺服功率的放大，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路將主控芯片的輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路采用三相橋式逆變電路，功率芯片選用BSC030N08，耐壓值為80V，電流100A，功率芯片的驅(qū)動(dòng)采用IR2181，以自舉的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)三相橋式逆變電路上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)，以U相驅(qū)動(dòng)電路為例，其原理圖如圖5所示，三相橋式逆變電路與電流采樣電路如圖6所示。

圖5 關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)U相功率驅(qū)動(dòng)原理圖

圖6 三相橋式逆變與電流采樣電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

關(guān)節(jié)電機(jī)的控制算法和策略都由軟件實(shí)現(xiàn)，采用DSP仿真和調(diào)試軟件CCS6.0來進(jìn)行軟件的仿真調(diào)試和燒寫。

為滿足機(jī)器人關(guān)節(jié)響應(yīng)速度快，定位精度高的要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM），關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用電壓空間矢量控制，控制結(jié)構(gòu)包括位置-速度-電流的三環(huán)，控制結(jié)構(gòu)原理如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理圖

系統(tǒng)位置環(huán)主要完成對(duì)電機(jī)輸出軸位置的精準(zhǔn)控制；速度環(huán)則負(fù)責(zé)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度的控制；電流環(huán)主要是對(duì)電流和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)控制流程如圖8所示。電壓空間矢量控制算法主要在電流環(huán)中完成，系統(tǒng)電流環(huán)主要是對(duì)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)[9]，包括的環(huán)節(jié)有：電流采樣及A/D轉(zhuǎn)換、Clarke變換（U、V、W→α，β），Park變換（α，β→d，q），d，q 軸電流PI調(diào)節(jié)，Park逆變換（d，q→α，β），電壓空間矢量PWM（SVPWM）的合成等[10]，其控制流程如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)控制流程圖

圖9 電流環(huán)流程圖

5 試驗(yàn)及結(jié)論

機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)加工完成以后，進(jìn)行了一系列仿真和測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

5.1 關(guān)節(jié)電機(jī)電流測(cè)試

為了驗(yàn)證關(guān)節(jié)電機(jī)算法，以1關(guān)節(jié)電機(jī)為例，負(fù)載為80Nm，轉(zhuǎn)速分別為4r/min、60r/min時(shí)的電機(jī)相電流波形如圖10、圖11所示。

圖10 轉(zhuǎn)速為4r/min U相電流波形

圖11 轉(zhuǎn)速為60r/min U相電流波形

從圖13可以看出，電機(jī)的相電流波形正弦性好，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，負(fù)載能力強(qiáng)，能滿足機(jī)械臂的各項(xiàng)性能要求。

5.2 結(jié)論

機(jī)器人關(guān)節(jié)是高壓帶電作業(yè)專用機(jī)器人的關(guān)鍵部件，所研制3種一體化關(guān)節(jié)，用于10kg負(fù)載的高壓帶電作業(yè)專用機(jī)器人，如圖12所示，機(jī)器人的主要性能指標(biāo)如表2所示。

圖12 高壓帶電作業(yè)專用機(jī)器人實(shí)物圖

表2 機(jī)器人主要性能參數(shù)

機(jī)器人各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)良，能滿足高壓帶電作業(yè)的各項(xiàng)要求。