一种机器人多电机驱动系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种机器人多电机驱动系统及其控制方法 (Robot multi-motor driving system and control method thereof ) 是由 华强 周伟刚 姚运昌 程超 孔令雨 谢安桓 张丹 于 2021-11-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种机器人多电机驱动系统及其控制方法,该系统包括同步带传动装置、减速装置、多电机驱动器和多个永磁无刷电机；多个永磁无刷电机、同步带传动装置、减速装置均集成在机器人肢体结构内部,多个永磁无刷电机和减速装置分别固定在机器人肢体结构的不同位置上,并通过同步带传动装置连接；减速装置的输出用于驱动机器人关节；多电机驱动器与多个电机电连接,用于控制各个电机。多电机驱动器包括检测模块、功率驱动模块和控制器模块。本发明的驱动系统可以布置在机器人肢体结构内,充分利用机器人结构空间,且驱动可靠性高,方便安装,在保证系统紧凑性和美观性基础上,能够提高机器人驱动关节的性能。(The invention discloses a robot multi-motor driving system and a control method thereof, wherein the system comprises a synchronous belt transmission device, a speed reducing device, a multi-motor driver and a plurality of permanent magnet brushless motors; the permanent magnet brushless motors, the synchronous belt transmission devices and the speed reducing devices are all integrated in the robot limb structure, and the permanent magnet brushless motors and the speed reducing devices are respectively fixed at different positions of the robot limb structure and are connected through the synchronous belt transmission devices; the output of the speed reducer is used for driving the robot joint; the multi-motor driver is electrically connected with the plurality of motors and is used for controlling each motor. The multi-motor driver includes a detection module, a power driving module, and a controller module. The driving system can be arranged in a robot limb structure, the structural space of the robot is fully utilized, the driving reliability is high, the installation is convenient, and the performance of the driving joint of the robot can be improved on the basis of ensuring the compactness and the attractiveness of the system.)
技术领域
本发明属于电机控制领域，具体涉及一种机器人多电机驱动系统及其控制方法。
背景技术
电机驱动系统作为电驱动机器人的执行部件，对机器人本体的性能表现具有重要的作用。例如大型仿人双足机器人对电机驱动系统的转矩有较高要求，尤其是膝关节。为提高驱动系统的转矩输出能力，通常采用高减速比的减速器来实现，但高减速比减速器会导致驱动系统输出转速变低，动态响应变慢，会影响了机器人的动态性能。
为提高机器人的动态性能，目前有研究者采用大功率大转矩电机配合低减速比的减速器来实现，如Cassie双足机器人。这种方案可以提高了机器人的动态性能，但会导致电机尺寸较大；考虑到双足机器人一般通过连杆连接，内部空间有限，这种方案会影响结构安装和外观；另外这种大功率大转矩电机一般电流也很大，对驱动器性能和系统散热也提出了更高的要求。
为提升机器人关节转矩，也可以考虑采用多电机冗余驱动单个关节来提高。在多电机驱动方面，中国专利号CN204858871U提出了一种小微直流电动机多轴转单轴输出变换器，将3个小电机通过传动齿轮与输出轴相啮合；这种方法实现了机械能力倍增，不足之处为适合于微小型电机驱动，且对传动齿轮排布有一定的要求。中国专利号CN103481774B将多电机驱动用于电动汽车上，提高了驱动系统的可靠性，但其每个电机转轴固定都需要单向离合器，结构很复杂，且重量也会较大，不太适合机器人应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种机器人多电机驱动系统及其控制方法，具体的技术方案如下：
一种机器人多电机驱动系统，该系统包括同步带传动装置、减速装置、多电机驱动器和多个永磁无刷电机；
多个永磁无刷电机、同步带传动装置、减速装置均集成在机器人肢体结构内部，多个永磁无刷电机和减速装置分别固定在机器人肢体结构的不同位置上，并通过所述同步带传动装置连接；所述减速装置的输出用于驱动机器人关节；所述多电机驱动器与多个电机电连接，用于控制各个电机；
所述多电机驱动器包括检测模块、功率驱动模块和控制器模块；
所述检测模块包括电流检测模块、母线电压检测模块和多个位置检测模块，分别用于检测电机三相电流、母线电压、每个电机的转子位置和驱动系统输出位置，并发送给控制器模块；
所述控制器模块接收机器人中央控制器发送的控制信号，以及所述检测模块采集的信号，进行处理后输出PWM信号给功率驱动模块，来控制多个电机转动；
所述功率驱动模块用于接收控制器模块输出的PWM信号，并将其转化为多个功率信号，来驱动多个电机协同工作。
进一步地，所述传动装置为同步带传动；所述减速装置为行星减速器、摆线减速器或谐波减速器。
进一步地，所述功率驱动模块包括功率开关管驱动电路，以及由MOS或IGBT功率开关管组成的三相全桥电路。
一种机器人多电机驱动系统的控制方法，该方法包括如下步骤：
S1：所述控制器模块接收机器人中央控制器发送的控制模式和指令，得到驱动系统运行模式，所述运行模式为转矩模式、转速模式或位置模式；
S2：根据驱动系统运行模式，控制器模块进行多电机协同控制，得到各电机的运行模式和对应的指令，具体为：
当驱动系统为转矩模式时，各个电机均运行转矩控制模式；
当驱动系统为转速模式时，任选所有电机中的一个作为主电机，其他电机为从电机，主电机运行转速控制模式，从电机运行转矩控制模式；
当驱动系统为位置模式时，任选所有电机中的一个作为主电机，其他电机为从电机，则主电机运行位置控制模式，从电机运行转矩控制模式；
S3：控制器模块根据各电机的控制模式，执行相应的电机控制算法，控制各电机转动。
进一步地，当驱动系统为转矩模式时，具体操作步骤如下：
（1）计算各电机相应的转矩控制指令Ti，计算公式如下：
其中，1≤i≤n，n为驱动系统中的电机总数；T*为中央控制器发送过来的驱动系统输出转矩指令；D代表驱动系统的减速比，D=D1*D2，其中D1为同步带减速比，D2为减速装置减速比；
（2）计算各电机的电流指令Ii= f(T i )；其中，函数f(T)根据电机手册中电流转矩曲线或者离线测试得到；
（3）控制器模块根据检测模块测量当前各电机相电流，经过坐标变换处理后得到反馈电流；
（4）控制器模块根据各电机的电流指令和反馈电流值，执行电流闭环控制算法，并经坐标变换及SVPWM算法后，生成驱动信号；
（5）控制器模块发送所述驱动信号给驱动模块，由驱动模块控制各电机转动。
进一步地，当驱动系统为转速模式时，具体操作步骤如下：
（1）计算主电机的转速控制指令wp=D*w*，w*为中央控制器发送过来的驱动系统输出转速指令；
（2）控制器模块根据主电机的转速控制指令wp，以及根据位置检测模块检测得到的位置计算得到的主电机转速，执行转速闭环控制算法，得到主电机转矩TP，进而得到从电机转矩控制指令Ti=TP；
（3）计算各电机的电流指令Ii= f(T i )；其中，函数f(T)根据电机手册中电流转矩曲线或者离线测试得到；
（4）控制器模块根据检测模块测量当前各电机相电流，经过坐标变换处理后得到反馈电流；
（5）控制器模块根据各电机的电流指令和反馈电流值，执行电流闭环控制算法，并经坐标变换及SVPWM算法后，生成驱动信号；
（6）控制器模块发送所述驱动信号给驱动模块，由驱动模块控制各电机转动。
进一步地，当驱动系统为位置模式时，具体操作步骤如下：
（1）计算主电机位置控制指令θp=θ*，θ*为中央控制器发送过来的驱动系统输出位置指令；
（2）控制器模块根据主电机的位置控制指令θp，及位置检测模块测量得到的驱动系统输出位置，执行位置闭环控制算法，得到主电机的转速控制指令wp；
（3）控制器模块根据主电机的转速控制指令wp，以及根据位置检测模块检测得到的位置计算得到的主电机转速，执行转速闭环控制算法，得到主电机转矩TP，进而得到从电机转矩控制指令Ti=TP；
（4）计算各电机的电流指令Ii= f(T i )；其中，函数f(T)根据电机手册中电流转矩曲线或者离线测试得到；
（5）控制器模块根据检测模块测量当前各电机相电流，经过坐标变换处理后得到反馈电流；
（6）控制器模块根据各电机的电流指令和反馈电流值，执行电流闭环控制算法，并经坐标变换及SVPWM算法后，生成驱动信号；
（7）控制器模块发送所述驱动信号给驱动模块，由驱动模块控制各电机转动。
进一步地，所述电流闭环控制算法采用PI控制，转速闭环控制算法采用PI控制，位置闭环控制算法采用P控制。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的机器人多电机驱动系统采用多个永磁无刷电机来替代大功率巨型电机，便于和同步带传动装置、减速装置一起集中布置于机器人肢体结构内，充分利用机器人结构空间，且驱动可靠性高，方便安装，在保证系统紧凑性和美观性基础上，能够提高机器人驱动关节的性能。同时利用同步带的传动方式，有利于降低系统结构复杂性，方便安装；此外，本发明提供的多电机控制方法可以同步对多个电机进行协同控制，防止多电机传动时产生内力。
附图说明
图1是本发明中机器人多电机驱动系统组成框图；
图2是本发明的其中一个实施例双足机器人膝关节的多电机驱动系统结构示意图；
图3是本发明中机器人多电机控制方法步骤图；
图4是本发明中机器人多电机控制方法详细流程图。
图2中，1为双足机器人大腿，2为永磁无刷电机，3为同步带传动装置，4为减速装置，5为双足机器人膝关节。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明中机器人多电机驱动系统组成框图，如图1所示，本发明的机器人多电机驱动系统，包括同步带传动装置3、减速装置4、多电机驱动器和多个永磁无刷电机2。
多个永磁无刷电机、同步带传动装置、减速装置均集成在机器人肢体结构内部，多个永磁无刷电机和减速装置分别固定在机器人肢体结构的不同位置上，并通过同步带传动装置连接；减速装置的输出用于驱动机器人关节；多电机驱动器与多个电机电连接，用于控制各个电机。
图2为本发明的多电机驱动系统应用在双足机器人膝关节的示意图。该实施例中采用3个型号相同的永磁无刷电机2，安装在双足机器人大腿1的内部，并通过同一根同步带传送至减速装置4，减速装置4输出用于驱动双足机器人膝关节5；减速装置包含减速器、轴承、法兰相关结构件，本实施例中减速器采用谐波减速器。也可以根据实际需求，采用行星减速器或摆线减速器。
如图1所示，多电机驱动器包括设置在其内部的检测模块、功率驱动模块和控制器模块；检测模块包括电流检测模块、母线电压检测模块和多个位置检测模块，分别用于检测电机三相电流、母线电压、每个电机的转子和驱动系统输出端位置，并发送给控制器模块；
控制器模块接收机器人中央控制器发送的控制信号，以及检测模块采集的信号，进行处理后输出PWM信号给功率驱动模块，来控制多个电机转动；优先地，控制器模块可采用引脚较多、处理性能好的MCU；本实例中采用STM32控制器。
功率驱动模块用于接收控制器模块输出的PWM信号，并将其转化为多个功率信号，来驱动多个电机协同工作。所述功率驱动模块包括功率开关管驱动电路，以及由MOS或IGBT功率开关管组成的三相全桥电路。为使得多个电机驱动效果相同，驱动多个电机的功率驱动模块所采用的器件相同。
如图3所示，为本发明的机器人多电机驱动系统的控制方法，该方法包括如下步骤：
S1：所述控制器模块接收机器人中央控制器发送的控制模式和指令，得到驱动系统运行模式，所述运行模式为转矩模式、转速模式或位置模式；
S2：根据驱动系统运行模式，控制器模块进行多电机协同控制，得到各电机的运行模式和对应的指令，具体为：
当驱动系统为转矩模式时，各个电机均运行转矩控制模式；
当驱动系统为转速模式时，任选所有电机中的一个作为主电机，其他电机为从电机，主电机运行转速控制模式，从电机运行转矩控制模式；
当驱动系统为位置模式时，任选所有电机中的一个作为主电机，其他电机为从电机，则主电机运行位置控制模式，从电机运行转矩控制模式；
S3：控制器模块根据各电机的控制模式，执行相应的电机控制算法，控制各电机转动。
其中，如图4所示，当驱动系统为转矩模式时，具体操作步骤如下：
（1）计算各电机相应的转矩控制指令Ti，计算公式如下：
其中，1≤i≤n，n为驱动系统中的电机总数；T*为中央控制器发送过来的驱动系统输出转矩指令；D代表驱动系统的减速比，D=D1*D2，其中D1为同步带减速比，D2为减速装置减速比；
（2）计算各电机的电流指令Ii= f(T i )；其中，函数f(T)根据电机手册中电流转矩曲线或者离线测试得到；
（3）控制器模块根据检测模块测量当前各电机相电流，经过坐标变换处理后得到反馈电流；
（4）控制器模块根据各电机的电流指令和反馈电流值，执行电流闭环控制算法，优选采用PI控制，并经坐标变换及SVPWM算法后，生成驱动信号；
（5）控制器模块发送所述驱动信号给驱动模块，由驱动模块控制各电机转动。
当驱动系统为转速模式时，具体操作步骤如下：
（1）计算主电机的转速控制指令wp=D*w*，w*为中央控制器发送过来的驱动系统输出转速指令；
（2）控制器模块根据主电机的转速控制指令wp，以及根据位置检测模块检测得到的位置计算得到的主电机转速，执行转速闭环控制算法，优选采用PI控制，得到主电机转矩TP，进而得到从电机转矩控制指令Ti=TP；
之后按照转矩运行模式的步骤执行，控制主电机和从电机转动。即，后续步骤和转矩模式下的步骤（2）~（5）相同。
当驱动系统为位置运行模式时，具体操作步骤如下：
（1）计算主电机位置控制指令θp=θ*，θ*为中央控制器发送过来的驱动系统输出位置指令；
（2）控制器模块根据主电机的位置控制指令θp，及位置检测模块测量得到的驱动系统输出位置，执行位置闭环控制算法，优选采用P控制，得到主电机的转速控制指令wp；
之后按照转速运行模式执行，控制主电机和从电机转动。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种飞鱼电机硬件驱动电路及其驱动方法