巡检机器人无刷直流电机伺服系统的设计.pdf

电气传 动 2 0 1 1年 第 4 l卷 第 1期 ELE CTRI C DRI VE 2 0 1 1 Vo 1 4 1 No 1 巡检机器人无刷直流 电机伺服系统 的设计 王晓峰 阮毅 李 正 上 海 大学 机 电工程与 自动 化 学院 上海 2 0 0 0 7 2 摘 要 根据 高 压 输 电 线巡 检 机 器 人 的运 行 特 点 以英 飞 凌 公 司 的 XE1 6 7 F M 实 时 信 号处 理 器 为 控 制 核 心 设计了一套采用转速 电流 位置三闭环控制结构的全数字化无刷直流 电机 B L D c M 伺服系统 详细介绍 了 该伺服 系统各主要模块的硬件设计 给 出了系统 的软件设计思 想及 流程图 实验结果表 明该伺服 系统 响应 快 精度高 运行稳定可靠 能够很好地满足巡检机器人 的实际运行需要 关键词 巡检机器人 伺 服系统 无刷直流电机 中 图分 类 号 TM3 3 文 献 标 识 码 A De s i g n o f BLDCM S e r v o S y s t e m f o r I n s pe c t i o n Ro b o t W ANG Xi a o f e ng RUAN Yi LI Zh e ng S c h o o l o f Me c h a t r o n i c s a n d Au t o ma t i o n S h a n g h a i Un i v e r s i t y S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 C h i n a Ab s t r a c t Ac c or d i n g t o t he o pe r a t i ng c h a r a c t e r i s t i c s o f hi gh v o l t a g e t r a ns mi s s i on l i ne i ns pe c t i o n r ob ot a d i gi t a l c on t r o l BLDCM s e r v o s y s t e m c omp os e d o f s p e e d l o op c ur r e n t l o op a n d po s i t i on l oo p wa s d e s i gn e d t he c on t r o l l e r o f whi c h i s XE1 6 7FM p r o d uc e d b y I nf i ne on Co mpa n y The h a r d wa r e de s i g n o f t h e ma i n mod ul e s of t h e s e r v o s y s t e m wa s de s c r i b e d i n d e t a i l The s y s t e m s of t wa r e d e s i g n i de a a n d f l o w c ha r t we r e gi v e n Te s t r e s u hs s ho w t h a t t he s e r vo s ys t e m h a s f a s t r e s p o ns e hi gh pr e c i s i o n s t ab l e a n d r e l i a bl e r un ni ng a nd c a n s a t i s f y t h e n e e ds o f t he a c t u a l op e r at i o n of i ns pe c t i on r o b ot Ke y wo r ds i n s pe c t i on r ob ot s e r v o s ys t e m b r us h l e s s DC mot o r BLDCM 由于输 电线 路 具有 架设 距 离 长 所 经 地形 复 杂等特点 许多安全隐患人工检测往往难以发现 因此利用机器 人实现 高压输 电线路 的 自动巡检 具 备极 高 的实用 价值与 发展前景 机器人在 巡检 过程 中需要 翻 越 防震 锤 绝 缘 子 耐 张塔等 各种 障 碍物 越 障动 作 的多 样 性 与 复杂性 对巡检机 器人 的运动控制 系统提 出了较高 的要求 2 本 文 基 于巡 检 机 器人 的工 作 特 点 设 计 了一套 采用 转速 电流 和位 置 三 闭环控 制 结 构的无刷直 流 电机伺 服 系统 并 详 细介 绍 了该 伺 服 系统 的硬 件组成 以及软件设 计 1 系统 的 总 体 结 构 高压线巡检机器 人控制 系统 主要 由两部 分构 成 以工 控 机 P C 1 0 4为 核 心 的 主 控 制 系 统 和 以 X E 1 6 7 F M 实时信 号 处 理器 为 核 心 的伺 服 控 制 系 统 主控制系统要完 成与 地面控 制 台之 间的数 据 交 互 接 收和分析机器人运行过程 中通 过传感器得 到 的各种外界环境参数 然后根据预先 给定的控制 作者 简 介 王 晓峰 1 9 8 5 一 男 硕 士 研究 生 E ma il f f t e j 1 6 3 c o m 4 2 策略 向机器人发 出一系列 的指令 其 中与各关 节伺 服 电机运行相关 的指令通过 C A N总线传给底层 的 伺 服系统 由伺 服系统 完成对各关节 电机 的直接控 制 本 文将 主要讨论 巡检机器人伺 服系统的设计 伺服系统由主电路和控制 电路两部分组成 其结 构如 图 1 所 示 系 统 的 主 回路 由 I R 2 1 3 0驱 动 芯片 三相 逆 变桥 霍 耳位 置信 号检 测 电路 数 字测速 电路等模块组成 控制 电路使用 X E 1 6 7 F M 图 1 伺服系统结构图 Fi g 1 Th e s t r u c t u r e o f t h e s e r v 0 s y s t e m 王 晓 峰 等 巡 检 机 器人 无 刷 直 流 电机 伺 服 系统 的 设 计 电 气传 动 2 0 1 1年 第 4 1卷 第 1期 作为数字控制器 它包含 P WM 生成 霍耳信号捕 捉 增 量 接 口 A D转 换 故 障保 护 以及 C AN 通 信等模 块 2 系统 的 硬 件 设 计 2 1 驱 动 电路 系统主 回路 采用 典 型 的 三 相全 控 电路 开关 器件 为 N 沟 道 MOS F E T 驱 动 器 采 用 国 际整 流 器 公 司 的 I R2 1 3 0专 用 芯 片 功 率 驱 动 电路 结 构 如 图 2所示 I R 2 1 3 0能输 出 6路驱 动 信号 由于 它 内部 设有 自举式 悬浮 电路 因此 只用 一路 电源 便 能 同时驱 动 三相 桥 低 压 侧 与 高 压 侧 的 功 率 器 件 它具 有完 善 的保 护功 能 内部设 有过 电流 过 电压 和欠 电压保 护模 块 并 具 备 硬 件封 锁 和故 障 指示 环节 这些 功 能 大 大简 化 了用 户 故 障保 护 电 路 的设 计 本文 使用 电流 传感 器对 直流母 线 电流 进行 采样 传感 器 的输 出电压 与电 流成正 比 将 它 经 过 分 压 后 送 人 I R2 1 3 0 的 过 电 流 检 测 引 脚 I TR I P 如果 主 回路 发 生过 电流或 直 通 I T RI P引 脚 的输 入信 号 将 高 于 0 5 V 芯 片 内部 的 比较 器 迅速 翻转 使 故 障逻辑 处理 单元输 出低 电平 封 锁 3 个 输入 脉 冲处 理器 的输 入 I R 2 1 3 0输 出全 为 低 电平 工作 电源 VC C欠 电压 时 的 保 护 过 程 与 过 电流相 似 内部欠 压 保 护 电 路 同样 会 使 芯 片 输 出 全为低 电平 过 电流 或者 欠 电压 故 障发 生之 后 会 使 I R2 1 3 0的 F AUL T 引 脚 的 电平 由 高 变 低 通 过 X E 1 6 7 F M 控 制器 检测 F AUL T引脚 输 出 电 平 的高低 便能 获取 主 回路 的工作状 态 图 2无 刷 直 流 电机 驱 动 电 路 图 Fi g 2 Th e s c h e ma t i c o f t h e BI DCM d r i v e c i r c u i t 2 2电流检 测 本文使用 L E M 公 司的霍 耳电流传 感器 C AS R 对 三相电流 与直 流母线 电流进行 检 测 它 利 用 电 磁感应 原理测量 电流 具有 功耗低 精 度高 温 漂系 数小 抗 噪声 能 力 强 测量 频 带宽 电气 隔 离 可 选 择量程 等优点 本文 选择 6 A 作为 C A S R的原 边 标称 电流值 它 的输 出信号 为与采样 电流成线性 关 系 的电压值 将 该 电压信 号送入 X E 1 6 7 F M 的 A D 转换模块 经 过换 算 便 得 到相 应 的 电流值 接 在 直流母线 上的 电流传 感器 的输 出信 号 同时还 需 经 过分压后送人 I R2 1 3 0的过 电流 检测 引脚 I TRAP 以实现直流母 线的过流保护 2 3转速 与位置 检 测 电机的转速检 测信 号 由 3通道 增量 式光 电编 码器给 出 为 了提 高信 号 的抗干 扰 与长距 离 传输 能力 通过线驱 动 HE D I 一9 1 4 0 对 编码 器的 A B I 3 路输 出信 号进行 差分处 理与 放大 处 理后 的信号 变为互补 的差分信 号 传输后送入控 制 电路 中 的差 分输入 接 收 器 2 6 L S 3 2便 可还 原 成 原 来 的 脉 冲信 号 A B 2路 信 号 通 过 X E 1 6 7 F M 内置 的增 量 接 口单元 进行转 向判 断 并经过 4倍频 后送人定 时器 计数 本文采用 M T法测 速 为 了保 证高 频计 数 器与光 电编码器输 出脉冲计数器 同步 计数 需要 捕 捉转速 信号 的上 升 沿 因此 A 相 输 出脉 冲 同 时还 需与 X E 1 6 7 F M 的捕获引脚相 连 无刷直流 电机转 子 的位 置 由安装 在 电机 内部 的 3 个霍耳 位置传感器 给出 每个位置 传感器根 据 转子永磁体所 在 的位 置而输 出高低 电平 2 种 信号 3 个传 感 器 在 空 间上 互 相 间 隔 1 2 0 转 子 每 转 过 6 0 电角度 传感 器 位 置信 号 的组 合 就会 产 生 一 次跳 变 4 将 3路 位 置 信 号 分 别 送 到 X E 1 6 7 F M 的捕获 比较 单 元 C C U6的 C C 6 P OS 0 C C 6 P O S 1和 C C 6 P O S 2引脚 控 制器 便 能捕 获 到位 置 信 号 的 每 一 次跳变 从 而得 到转子 的当前位置 3 系 统 的 软 件 设 计 伺 服系 统的 控制程 序 由主程 序 换相 子程 序 位 置控 制子程 序 测速 子 程 序 A D转 换 子程 序 C AN 通信 子程 序 和 故 障处 理子 程 序 等 组 成 控 制 软件 主程序 流 程 图如 图 3所 示 主 程 序要 完 成 对 XE 1 6 7 F M 各模块 的初 始化 I R2 1 3 0自举 电容 的充 电 无刷 直流 电机初 始位 置 的检测 以及启 动 位 置控制 子程 序通 过获得 的光 电码 盘 累计 发 出脉冲数 来判 断 电机 的 当前 位 置 将该 脉 冲数 与 实 际要求 电机 运 行 的脉 冲数 作 比较 便 能实 现对 系统位 置环 的控 制 测 速 子程 序 采用 M T 法 完 43 电 气传 动 2 0 1 1年 第 4 1卷 第 1期 王 晓峰 等 巡 检 机 器 人 无刷 直 流 电机 伺服 系统 的 设 计 成 对 电机 的速 度 检测 以 实 现 系统 的 转 速 闭环 A D转换子程 序完成对 直 流母 线 电压 和 电流 电 机相 电流的采样 检 测 到 的相 电流 值将 用 于 系统 对 电流环 的控制 图 3系统 主 程 序 流程 图 Fi g 3 Th e f l o w c h a r t o f s y s t e m ma i n p r o g r a m 故障处理 子程序通 过分析 检测 到的直流母线 电压 和电流值 I R2 1 3 O驱动 芯片 F AUL T 引脚 电 平 等参 数来判 断 电机 的运 行状 态 如 果某 一 被监 测 的参 数发生异 常 状况 则 执 行软 件 强制 中断保 护 封 闭 XE1 6 7 FM 中 C CU6模块 的 PWM 输 出 从而关 断逆变 电路 中 的所 有开 关器 件 使 电机 停 转 直到故 障被排 除 才允许 电机继续 运行 无刷直流电机 的换相 由换相 中断子程序 完成 程序流程 图如图 4所示 当电动机转 动到某个位置 时 由霍耳位置传 感器采样 到的霍耳序列 表示 当前 位置 当霍耳序列发生跳变 时 P WM 中断被触发 如 果检测到的霍耳序列 与期 望霍耳序列相 符合 根据 正反转的要 求 输 出新 的调制 序列 完成一 次换相 如果检测到错误 的霍耳序列 则产 生错误 的霍耳 事 件 在这种情况下 需要 重新对 电机 的磁 极位置进 行检测 让 电机 回到正常的运行状态 图 4 换相 中断子程序流程图 F ig 4 Th e fl o w c h a r t o f t h e c o mmu t a t i o n in t e r r u p t s u b p r o g r a m 4 实验 结 果及 结论 本 文实 验所 用 的无刷 直 流 电机 型号 为 Ma x 一 4 4 o n公 司 的 E C ma x 3 0 其 额定 电压 2 4 V 额 定功 率 6 O w 图 5是给定 转速为 3 0 0 0 r rai n时 系统 的速 度响应 曲线 突加给定后 电机 的启动 时间约 为 0 1 8 S 转速超 调小 于 5 图 6 是 位置运行模 式下 系统 的位置及速 度响应 曲线 从 图 6中可 以 看 出 当给系 统施加给 定位置后 电机转 速迅速上 升到某一 指定值 然后 以该值恒 速运行 光电码盘 发 出脉 冲数均匀 增 加 当 累计 脉 冲数 即将 到 达给 定值 时 电机开 始减 速 到 达给定 位 置 时 转 速迅 速 下降至零 由于 电机 到达 给定 位 置后 转 速不 能 立 即降为零 因此 系统存在定 位误差 根据实 验测 定 其 大小在 1 0个脉 冲 以内 誊 0 乏 蓦 丑 集 实 际 转 速 三 吝 蓦 铎 t ms 2 0 0ms n t ms 4 o oms 档 图 5速 度 响应 曲线 Fi g 5 T he s pe e d r es p onse eurve 图 6 位 置 响应 曲线 Fig 6 Th e p o s i t i o n r e s p onse eU rVe 本文设计 的巡检机器人无刷 直流电机伺服系统 结构合理 驱动 与控制 电路 简单