一种柔性机械臂的多路直流电机控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种柔性机械臂的多路直流电机控制系统，该系统包括柔性机械臂控制模块以及与柔性机械臂控制模块通信连接的至少一个电机驱动器，每个电机驱动器同时连接多个直流电机；其中柔性机械臂控制模块用于根据接收的柔性机械臂控制任务，生成控制指令；电机驱动器用于接收控制指令及采集电机运行状态信息，产生用于驱动电机运转的PWM脉冲信号并对直流电机进行伺服控制，同时将包含位置和速度信息的的电机运行数据反馈至柔性机械臂控制模块。本发明专利技术能够实时的对多个直流电机进行精准控制，保证所控制的电机达到期望的速度位置，最多可以驱动8路直流电机，具有尺寸小、功耗低、发热小、效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性机械臂的多路直流电机控制系统
本专利技术属于电力行业作业机器人设备的电机驱动系统领域，尤其是机器人的柔性机械臂驱动领域，具体涉及一种GIS(GasInsulatedSwitchgear，气体绝缘开关设备)设备上柔性机械臂的多路直流电机控制系统。
技术介绍
在电力行业作业机器人设备中，尤其是在高压绝缘设备中的智能检修机器人(以下简称机器人)领域，在一些机器人中需要实现行进功能、机械臂功能、吸尘功能等。这些功能中都需要使用到电机驱动系统，并且对驱动系统的体积、功耗、发热有着较高的要求。在机器人的柔性机械臂这一方面，尤其是线驱动的柔性机械臂这一方面，一般由3到4根驱动线驱动一个关节，多个关节的驱动需要多个电机同时对柔性机械臂进行驱动。现有的柔性机械臂控制系统(参见“线驱动柔性机械臂运动控制系统，李亚锋，合肥工业大学，2017”)，如图1所示，可分为PC机、微控制器、电机驱动装置、执行电机等部分。微控制器系统用于存储PC机传送的控制程序和运动学运算过程中的动态数据；驱动器是微控制器和电机之间的中间载体，一方面用来接收微控制器发送过来的控制信号，另一方面它为电机提供驱动电源和向电机发送驱动命令；而电机是最终的被控制元件，也是最终的执行元件。上位机通过人机交互界面，完成人机对话，主要包括参数输入、运动学解算、数据通信等单元模块。通过上位机编写运动学程序，根据提供的已知参数和参数输入模块，对运动学过程进行解算，得出具体的参数信息(包括关节角度变化、柔性机械臂末端位姿和绳索变化量)，上位机通过数据通信模块，将得到的参数信息发送给微控制器，微控制器根据具体的参数信息向下级驱动器发送控制命令，进而控制电机完成特定的运动，达到柔性机械臂的运动控制。现有的多电机驱动系统，可以通过电机驱动板(参见公告号为CN208174588U的专利申请文件)来实现，其包括：驱动电路板，集成有第一驱动控制电路和第二驱动控制电路；衔接电路板，与第一驱动控制电路和第二驱动控制电路配套使用，衔接电路板焊接于电机的定子上；第一驱动控制电路通过线路与其配套使用的衔接电路板连接驱动一电机，第二驱动控制电路通过线路与其配套使用的衔接电路板连接驱动另一电机。由于设计集成有两个驱动控制电路的驱动电路板和设计与电机定子焊接的衔接电路板，使得两个驱动控制电路分别通过衔接电路板控制相应的电机工作，与现有的一个驱动电路板仅能控制一个电机工作相比，该技术方案能使一个驱动电路板控制两个电机工作，从而节省了生产成本。现有的柔性机械臂控制系统和多电机驱动系统主要存在以下问题，从而难以实现对柔性机械臂稳定、精确的控制：(1)目前电机驱动器多为大功率、单电机驱动器，多采用体积较大的单电机驱动器控制电机，这也增加控制系统的体积，并降低了机械臂控制系统的效率，有控制参数单一、尺寸大等缺点；由于只能控制两路电机，需要更多的控制器来控制柔性机械臂，从而增加了驱动系统体积；(2)现有的驱动器多为控制器、驱动器、通信模块分开设计，从而导致电机驱动器的集成度不高的缺点；此外，由于没有集成CAN收发器，从而不利于多路电机的同步实时操控；(3)现有的微型驱动器不仅售价高，控制精度也不够高，要控制多个电机就要多个电机驱动板，从而导致驱动器体积大、功耗高、控制效率低等缺点。
技术实现思路
针对目前柔性机械臂多电机控制中存在的稳定性差以及难以实现精准控的技术现状，本专利技术目的旨在提供一种柔性机械臂的多路直流电机控制系统，能够稳定地、精确地控制多路直流电机达到期望的位置和速度。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案来实现。本专利技术提供的柔性机械臂的多路直流电机控制系统，包括柔性机械臂控制模块以及与柔性机械臂控制模块通信连接的至少一个电机驱动器，每个电机驱动器同时连接多个直流电机；所述柔性机械臂控制模块，用于根据接收的柔性机械臂控制任务，生成包含对应电机期望位置和速度信息的控制指令；所述电机驱动器，用于接收所述柔性机械臂控制模块生成的控制指令及采集包含位置和速度信息的电机运行状态信息，产生用于驱动电机运转的PWM脉冲信号并对直流电机进行伺服控制，同时将包含位置和速度信息的电机运行状态信息反馈至所述柔性机械臂控制模块。上述柔性机械臂的多路直流电机控制系统，所述柔性机械臂控制模块通过CAN总线与至少一个电机驱动器通信连接。上述柔性机械臂的多路直流电机控制系统，所述电机驱动器具体包括：主控单元、分别与所述主控单元连接的存储器、电源单元、收发器和多个直流电机驱动电路，所述直流电机驱动电路与对应驱动电机连接。进一步地，所述电源单元包括降压控制器U1及外围保护电路，所述降压控制器U1的输入端与外部电压输入端连接，其供电端分别向主控单元、存储器、收发器、直流电机驱动电路供电。本专利技术中，所述降压控制器U1的2脚作为输入端，连接外部电源输入端PWRIN，同时外部电源输入端PWRIN经过瞬态抑制二极管D1连接MOS管U2、再经电容C17接降压控制器的7脚，降压控制器U1的2脚还经过电阻R3连接MOS管U2的栅极，所述MOS管U2的源极和漏极接地，所述降压控制器U1的7脚经过电阻R9连接降压控制器U1的1脚，所述降压控制器U1的3脚经串联电感L1和电阻R2后分为两路，一路作为DC供电端，另一路经过电阻R7和LEDD2接地。所述外围保护电路包括电容C6和电阻R6形成的第一RC电路，电容C16和电阻R10形成的第二RC电路，电容C15和电阻R8形成的第三RC电路，电容C7-C10并联形成的第一电容组以及电容C11-C14并联形成的第二电容组；第一RC电路一端经电阻R5接降压控制器U1的8脚，另一端接电感L1与电阻R2之间连接电路；第二RC电路一端接降压控制器U1的6脚、同时经电阻R4接降压控制器U1的2脚，另一端接地；第三RC电路一端接MOS管U2的栅极，另一端接地；第一电容组一端接降压控制器U1的2脚，另一端接地；第二电容组一端接电感L1与电阻R2之间连接电路，另一端接地。进一步地，本专利技术中，所述主控单元用于控制四个直流电机，其包括单片机U3；所述单片机U3的14脚、15脚分别接电阻R12和电阻R20后作为第一电机编码器信号采集接口M1_A和M1_B，所述单片机U3的58脚、59脚分别接电阻R33和电阻R34后作为第二电机编码器信号采集接口M2_A和M2_B，所述单片机U3的21脚、55脚分别接电阻R22和电阻R30后作为第三电机编码器信号采集接口M3_A和M3_B，所述单片机U3的22脚、23脚分别接电阻R14和电阻R16后作为第四电机编码器信号采集接口M4_A和M4_B，所述电机编码器信号采集接口M1_A、M1_B、M2_A、M2_B、M3_A、M3_B、M4_A和M4_B，用于采集相应直流电机编码器反馈的直流电机位置、速度信息；所述单片机U3的41脚、42脚分别作为第一直流电机驱动电路的PWM脉冲信号输入TIM1_CH1和TIM1_CH2，所述单片机U3的43脚、44脚分别作为第二直流电机驱动电路的PWM脉冲信号输入TIM1_CH3和T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性机械臂的多路直流电机控制系统，其特征在于，包括柔性机械臂控制模块以及与柔性机械臂控制模块通信连接的至少一个电机驱动器，每个电机驱动器同时连接多个直流电机；/n所述柔性机械臂控制模块，用于根据接收的柔性机械臂控制任务，生成包含对应电机期望位置和速度信息的控制指令；/n所述电机驱动器，用于接收所述柔性机械臂控制模块生成的控制指令及采集包含位置和速度信息的电机运行状态信息，产生用于驱动电机运转的PWM脉冲信号并对直流电机进行伺服控制，同时将包含位置和速度信息的电机运行状态信息反馈至所述柔性机械臂控制模块。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性机械臂的多路直流电机控制系统，其特征在于，包括柔性机械臂控制模块以及与柔性机械臂控制模块通信连接的至少一个电机驱动器，每个电机驱动器同时连接多个直流电机；
所述柔性机械臂控制模块，用于根据接收的柔性机械臂控制任务，生成包含对应电机期望位置和速度信息的控制指令；
所述电机驱动器，用于接收所述柔性机械臂控制模块生成的控制指令及采集包含位置和速度信息的电机运行状态信息，产生用于驱动电机运转的PWM脉冲信号并对直流电机进行伺服控制，同时将包含位置和速度信息的电机运行状态信息反馈至所述柔性机械臂控制模块。


2.如权利要求1所述的柔性机械臂的多路直流电机控制系统，其特征在于，所述柔性机械臂控制模块通过CAN总线与至少一个电机驱动器通信连接。


3.如权利要求1或2所述的柔性机械臂的多路直流电机控制系统，其特征在于，所述电机驱动器具体包括：主控单元、分别与所述主控单元连接的存储器、电源单元、收发器和多个直流电机驱动电路，所述直流电机驱动电路与对应直流电机连接。


4.如权利要求3所述的柔性机械臂的多路直流电机控制系统，其特征在于，所述电源单元包括降压控制器U1及外围保护电路，所述降压控制器U1的输入端与外部电压输入端连接，其供电端分别向主控单元、存储器、收发器、直流电机驱动电路供电。


5.如权利要求4所述的柔性机械臂的多路直流电机控制系统，其特征在于，所述降压控制器U1的2脚作为输入端，连接外部电源输入端PWRIN，同时外部电源输入端PWRIN经过瞬态抑制二极管D1连接MOS管U2、再经电容C17接降压控制器U1的7脚，降压控制器U1的2脚还经过电阻R3连接MOS管U2的栅极，所述MOS管U2的源极和漏极接地，所述降压控制器U1的7脚经过电阻R9连接降压控制器U1的1脚，所述降压控制器U1的3脚经串联电感L1和电阻R2后分为两路，一路作为DC供电端，另一路经过电阻R7和LEDD2接地。


6.如权利要求5所述的柔性机械臂的多路直流电机控制系统，其特征在于，所述外围保护电路包括电容C6和电阻R6形成的第一RC电路，电容C16和电阻R10形成的第二RC电路，电容C15和电阻R8形成的第三RC电路，电容C7-C10并联形成的第一电容组以及电容C11-C14并联形成的第二电容组；第一RC电路一端经电阻R5接降压控制器U1的8脚，另一端接电感L1与电阻R2之间连接电路；第二RC电路一端接降压控制器U1的6脚、同时经电阻R4接降压控制器U1的2脚，另一端接地；第三RC电路一端接MOS管U2的栅极，另一端接地；第一电容组一端接降压控制器U1的2脚，另一端接地；第二电容组一端接电感L1与电阻R2之间连接电路，另一端接地。


7.如权利要求5所述的柔性机械臂的多路直流电机控制系统，其特征在于，所述主控单元用于控制四个直流电机，其包括单片机U3；所述单片机U3的14脚、15脚分别接电阻R12和电阻R20后连接第一电机编码器信号采集接口M1_A和M1_B，所述单片机U3的58脚、59脚分别接电阻R33和电阻R34后作为第二电机编码器信号采集接口M2_A和M2_B，所述单片机U3的21脚、55脚分别接电...

【专利技术属性】
技术研发人员：佃松宜，杨家勇，刘一涛，鉴庆之，李勇，任江涛，李胜川，刘佳鑫，韦德福，
申请(专利权)人：四川大学，国网山东省电力公司，国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：四川;51