[发明专利]重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统、方法及应用

说明书

本发明属于电力电子学及伺服控制技术领域，公开了一种重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统、方法及应用。驱动板，是用于伺服电机的驱动，在实现控制信号的隔离后，控制主逆变电路进行伺服电机的驱动，并实现相电流检测和过流保护功能；控制板，用于在重组化机器人关节内实现电机的驱动以及内传感器的信息采集，采用矢量控制进行关节内永磁同步电机的控制，达到电机驱动电流、电机转速及输出端位置的三闭环控制。本发明实现协作机器人关节需求的全面覆盖，持续峰值相电流输出期望达到19.0A，最大效率期望达到99％；实现高效的矢量控制算法进行电机控制，输出六路驱动板控制信号；最终实现电机位置的精确控制。

技术领域

本发明属于电力电子学及伺服控制技术领域，尤其涉及一种重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统、方法及应用。

背景技术

目前，最接近的现有技术：协作机器人是为了实现同外界环境和人的安全交互功能，具备高性能柔顺运动是核心要求，具备柔顺运动性能的基础是高载荷/自重比的机械本体结构方面和高性能的驱动控制系统两方面。在机械本体结构方面，协作机器人关节普遍采用了高转矩永磁力矩电机与谐波减速器相结合的传动策略。在驱动控制方面，近年来，出现了新型模式，即运动控制保持不变，把伺服驱动器和伺服电机做一体化集成，称之为ALLinONE，这样电机与驱动器的线缆就得到了极大的节约；与之对应的是，伺服电机保持不变，运动控制和伺服驱动做成一体化的集成。驱控一体化是把控制器和驱动器集成在一起，其优势包括：体积小、重量轻、部署灵活、成本低以及可靠性高，能够完成复杂的控制算法，但其不足之处在于受协作机械臂关节空间所限，高集成度开发难度较大，要实现多功能的驱动控制以保证一体化驱控系统的高性能与安全性是驱控一体化的重难点，高集成度系统扩展性欠缺，应用不同的数据采集方式需要不同的接口，一旦完成一体化驱控系统的设计再去扩展就比较麻烦。

目前，在一体化驱控系统中，主芯片内部的控制算法多以软件代码的形式实现，执行方式为串行处理，优势是易于实现，目前已经相对成熟。其与并行处理的硬件电路实现控制算法相比，并行处理的硬件电路可以达到更快的数据处理与响应。随着芯片技术的发展，分布式CPU方式将朝着整体SoC芯片方案的方向发展，以FPGA为载体搭建并行处理的控制算法是协作机器人关节内一体化驱控系统的研究热点，如何解决以并行的硬件编程方式实现控制算法，并如何统筹算法内部各模块之间的接口以及数据采集各模块之间的接口是研究的难点。一体化驱控系统的研究是协作机器人的驱动控制系统的发展趋势，伺服驱动与运动控制一体化集成在底层嵌入式系统当中，可极大地降低系统集成复杂性、成本与体积。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)考虑到协作机器人关节的空间大小与高集成度，将多功能的伺服驱动与运动控制一体化集成在底层嵌入式系统当中比较困难，一体化高性能驱动控制系统开发难度较大。

(2)以硬件编程的方式实现并行的三闭环永磁同步电机控制算法比较困难，如何将各控制算法以硬件编程的方式实现并如何将各控制算法各模块和数据采集各模块之间进行端口连接是核心难题。

解决上述技术问题的难度：难度在于如何合理设计及布局功能较全的驱动板电路和控制板电路，以保证驱动控制系统的多功能和高性能，以至于完成重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器。如何将控制算法内部各模块以硬件编程的形式实现，并与所设计的数据采集模块进行接口连接也是设计的难点。

解决上述技术问题的意义：完成了一种重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器设计，提供了柔顺运动性能的基础，为协作机器人关节内永磁同步电机控制算法提供了硬件基础，达到体积小、重量轻以及高性能处理复杂的电机控制算法的重组化协作机器人的要求，将此一体化高性能驱动控制器集成在协作机器人关节内部极大地降低了系统集成复杂性、成本与体积。在主芯片内部以硬件电路的形式并行处理控制算法各模块和数据采集模块，可以达到更迅速的数据处理和响应。综合实现协作机器人关节的驱动控制所需的要求。

发明内容