[發明專利]一種機器人關節模組驅動器及其控制方法

有效

• 申請號: 202011394524.5
• 申請日: 2020-12-03
• 公開（公告）號: CN112454364B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 華強;姚運昌;錢坤;謝安桓;孔令雨;張丹
• 申請（專利權）人: 之江實驗室
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J17/02;B25J13/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 賈玉霞

1.一種機器人關節模組驅動器的關節模組控制方法，其特征在于，所述機器人關節模組驅動器包括驅動器電路板、光柵碼盤和磁性塊，所述的光柵碼盤安裝在關節模組的電機端轉動軸上，所述的磁性塊固定在關節模組的減速器輸出中空旋轉軸上；所述驅動器電路板固定在關節模組上，其包括由光電感應單元和磁感應單元組成的位置檢測模塊，以及處理器模塊、通訊模塊，所述光電感應單元正對所述光柵碼盤的檢測區域，用于實現光源產生、光感應及處理功能，并配合所述光柵碼盤來實現電機端位置檢測；所述磁感應單元正對所述磁性塊，用于實現磁信號感應和處理，并配合所述磁性塊實現關節模組輸出端的位置檢測；

控制方法具體包括如下步驟：

S1：所述通訊模塊接收到外部控制信號，并將其發送給處理器模塊；

S2：所述處理器模塊對控制信號指令進行處理，并根據位置檢測模塊反饋信息，計算得到當前關節給定轉矩；

S3：所述處理器模塊根據位置檢測模塊反饋的信息，估計當前關節模組實際輸出轉矩，計算公式如下：

其中，為當前第k周期關節模組估計的輸出轉矩，為轉矩電流系數，為當前關節電機的交軸電流，M為關節模組減速器剛度值，為當前電機端位置；為輸出轉矩與電流關系接近線性關系的最大電流值，根據電機轉矩與電流曲線得到，D表示關節模組減速器的減速比；表示當前第k周期關節輸出的當前輸出位置；

S4：所述處理器模塊執行轉矩閉環控制算法，計算得到電機三相輸出PWM的占空比，并傳輸給驅動模塊來驅動關節模組進行運動。

2.根據權利要求1所述的機器人關節模組驅動器的關節模組控制方法，其特征在于，所述驅動器電路板還包括處理器模塊、通訊模塊、驅動模塊、電源模塊以及電流檢測模塊、母線電壓檢測模塊、溫度檢測模塊；

所述處理器模塊用于接收各個檢測模塊檢測的信號，并運行關節模組控制算法，然后將控制指令發送給驅動模塊，驅動關節電機的運動；

所述通訊模塊用于發送外部的控制信號給所述處理器模塊，并向外部反饋關節電機及驅動器狀態數據；

所述驅動模塊用于對所述處理器模塊輸出的控制信號進行放大，從而驅動關節電機的運動；

所述電源模塊用于給所有模塊供電；

所述電流檢測模塊用于檢測電機三相電流，并發送給處理器模塊；

所述母線電壓檢測模塊用于檢測驅動器的母線電壓，并發送給處理器模塊；

所述溫度檢測模塊用于檢測關節電機和驅動模塊的溫度，并發送給處理器模塊。

3.根據權利要求2所述的機器人關節模組驅動器的關節模組控制方法，其特征在于，所述電流檢測模塊采用電流傳感器來采集關節電機的相電流信息，所述母線電壓檢測模塊采用電阻分壓電路對母線電壓進行分壓，并連接到所述處理器模塊的模擬采樣接口。

4.根據權利要求2所述的機器人關節模組驅動器的關節模組控制方法，其特征在于，所述驅動模塊由多個門功率驅動器件和功率開關管組成，所述功率開關管采用MOS或IGBT器件；所述處理器模塊采用接口豐富、帶浮點數運算的微控制器。

5.根據權利要求1所述的機器人關節模組驅動器的關節模組控制方法，其特征在于，所述S1中的外部控制信號包括關節輸出的給定位置、給定速度、給定轉矩、位置控制參數和速度控制參數。

6.根據權利要求5所述的機器人關節模組驅動器的關節模組控制方法，其特征在于，所述S2中的給定轉矩的計算公式如下：

其中，和分別表示當前第k周期關節輸出的給定轉矩和當前速度。

7.根據權利要求5所述的機器人關節模組驅動器的關節模組控制方法，其特征在于，所述S4中的處理器模塊的轉矩閉環控制內包含轉矩控制和電流控制兩個控制環；

（1）對于轉矩控制，采用PI控制方法，計算得到交軸電壓公式如下：

其中，表示當前第k周期電機的交軸電壓，表示PI的P參數，表示第k周期的轉矩誤差，，表示PI的I參數，表示第i周期的轉矩誤差；

對于電流控制，采用的控制模式，并采用PI控制方法，通過如下公式計算得到：

其中，表示當前第k周期電機的直軸電壓，為當前第k周期電機的直軸電流，表示PI的P參數，表示PI的I參數，表示第i周期時電機的直軸電流；

（2）結合上述計算得到的、，并采用SVPWM方法，計算得到電機三相輸出PWM占空比，發送給驅動模塊，實現對關節模組的控制。