一种无物理刹车爬壁机器人用驱动系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种无物理刹车爬壁机器人用驱动系统及方法，驱动系统组成包括第一减法器、速度外环积分器、开/闭环控制切换模块、第二减法器、电流内环积分器、九轴IMU传感器、前馈补偿量估算模块、第一加法器、第三减法器、脉宽矢量调制模块、三相电压逆变器、无物理刹车BLDC模块、减速机及车轮模块、三相电流采集模块、模数转换与计算模块、光电编码器模块和转速估算模块。本发明专利技术采用设计的算法估计前馈重力补偿量，对给定开关频率PWM以及电机转向进行适时修正，进而解决了现有无物理刹车驱动系统自稳定难的问题，通过引入的改进抗饱和算法改善了系统鲁棒性差的问题。改善了系统鲁棒性差的问题。改善了系统鲁棒性差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种无物理刹车爬壁机器人用驱动系统及方法


[0001]专利技术涉及机器人控制领域，具体涉及一种无物理刹车爬壁机器人用驱动系统及方法。

技术介绍

[0002]负压吸附式爬壁机器人的动力系统大多采用电机直驱方案，其电机和配套驱动系统的性能直接决定了机器人的机动性能。车载的电池为整机供能，若采用交流电机提供动力，需要经过逆变器和DC
‑
DC变换，中间损耗大，不利于机器人续航。
[0003]为此，应用直流无刷电机降低爬壁机器人制造成本并提高整体续航能力，是市场大势所趋。绝大多数的设计者通过加装物理刹车的方式防止静止时机器人滑移，不仅大大增加了机器人的重量，也对所需的驱动力和电池为代表的关键部件提出了更为苛刻的考验。现有的爬壁机器人用无物理刹车驱动系统又存在稳定性差，在自稳定、换向过程中容易发生失滑的现象。
[0004]因此，亟需对现有技术进行改进。

技术实现思路

[0005]针对搭载直流无刷电机提供动能的爬壁机器人驱动系统，本专利技术提供了一种无物理刹车爬壁机器人用驱动系统，通过设计的算法估计前馈重力补偿量，对给定开关频率PWM以及电机转向进行适时修正，通过引入的改进抗饱和算法改善了系统鲁棒性差的问题。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一种无物理刹车爬壁机器人用驱动系统：包括第一减法器、速度外环积分器、开/闭环控制切换模块、第二减法器、电流内环积分器、九轴IMU传感器、前馈补偿量估算模块、第一加法器、第三减法器、脉宽矢量调制模块、三相电压逆变器、无物理刹车BLDC模块、减速机及车轮模块、三相电流采集模块、模数转换与计算模块、光电编码器模块和转速估算模块；
[0008]主控系统将设定的目标转速输入第一减法器中；
[0009]第一减法器计算得到目标转速和实际转速的差值Δω输入到速度外环积分器中；
[0010]速度外环积分器根据差值Δω进行比例积分计算得到闭环q轴电流输入到开/闭环控制切换模块中；
[0011]速度外环积分器计算得到闭环q轴电流输入到开/闭环控制切换模块中；
[0012]开/闭环控制切换模块通过计算当前无物理刹车BLDC模块的最大扭矩T
max
得到阈值电流I
max
，根据设定的开环q轴电流闭环q轴电流无物理刹车BLDC模块实时功率和相电流以及实际转角计算得到q轴电流设定值并输入到第二减法器中；
[0013]第二减法器计算设定q轴电流值与实际电流值i
q
的差值Δi
q
输入到电流内环积分器中；
[0014]电流内环积分器根据差值Δi
q
进行比例积分计算得到控制目标的给定空间电压矢量幅值u0输入到第一加法器中；
[0015]九轴IMU传感器用于测算机器人行驶夹角θ并输入到前馈补偿量估算模块中；
[0016]前馈补偿量估算模块根据输入的行驶夹角θ和机器人尺寸、重量信息计算需要补偿的前置量u
p+
输入到第一加法器中，计算当前无物理刹车BLDC模块的最大负载功率P
max
和最大扭矩T
max
输入到开/闭环控制切换模块中；
[0017]第一加法器对需要补偿的前置量u
p+
和电压矢量幅值u0作和得到输出的空间电压矢量的幅值U
ref
输入到第三减法器中；
[0018]第三减法器根据输入的空间电压矢量幅值U
ref
计算和最大幅值u
max
差值的占比输入到改进型抗饱和器，改进型抗饱和器用于调节和输出最终的空间电压矢量幅值U
ref
到脉宽矢量调制模块中；
[0019]脉宽矢量调制模块根据输入的空间电压矢量幅值U
ref
和无物理刹车BLDC模块的实际转角计算得到六路调制PWM，并将其输入到三相电压逆变器中，当电刹车无法支持机器人自稳或匀速下移时，脉宽矢量调制模块会调节输出新的六路调制PWM，改变电机的转向，反转产生制动力矩；
[0020]三相电压逆变器产生最终的驱动电流输入到无物理刹车BLDC模块中；
[0021]无物理刹车BLDC模块以对应的转速转向带动减速机及车轮模块的运动，使得爬壁机器人在壁面上完成各种运动；
[0022]三相电流采集模块采集得到对应的三相电流i
A
、i
B
和i
C
输入到模数转换与计算模块中；
[0023]模数转换与计算模块根据测得的三相电流i
A
、i
B
和i
C
计算得到实际q轴电流值输入到第二减法器中；
[0024]光电编码器模块测量无物理刹车BLDC模块的实际转角输入到开/闭环控制切换模块、前馈补偿量估算模块、脉宽矢量调制模块和转速估算模块中；
[0025]转速估算模块根据输入的无物理刹车BLDC模块实际转角计算得到实时转速并输入到第一减法器中。
[0026]本专利技术还提供了一种无物理刹车爬壁机器人用驱动方法，其中开/闭环控制切换模块的实现方法，包括如下步骤：
[0027]第一步：根据输入的最大扭矩T
max
计算得到阈值电流I
max
；
[0028]第二步：对无物理刹车BLDC模块的实时功率P和相电流I进行计算；
[0029]第三步：根据实时功率P、相电流I和最大负载功率P
max
、阈值电流I
max
的比较，判断进一步的工作模式；
[0030]状态1：机器人正常启动阶段(实时功率P≤P
max
,实时相电流I≤I
max
，电机运行圈数≤10)，进入速度开环控制模式，开/闭环控制切换模块输出设定的q轴开环小电流运行稳定后(实时功率P≤P
max
,实时相电流I≤I
max
，电机运行圈数＞10)，进入速度闭环控制模
式，开/闭环控制切换模块输出计算得到的q轴闭环电流
[0031]状态2：不正常启动阶段(不满足实时功率P≤P
max
且实时相电流I≤I
max
时)，进一步判断情况，当实时功率P≤P
max
且相电流I＞I
max
时，进行系统过流模式，自动发送锁存命令停机报警，当实时功率P＞P
max
且相电流I≤I
max
时，进入堵转运行模式，如果堵转时间t＜t
max
，重新估算无物理刹车BLDC模块的实时功率P和相电流I，如果堵转时间t≥t
max
，则进行堵转停机报警。
[0032]所述前馈补偿量估算模块的实现方法，包括如下步骤：
[0033]第一步：根据公式(1)和(2)得到无物理刹车BLDC模块的最大负载功率P
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无物理刹车爬壁机器人用驱动系统，其特征在于：包括第一减法器(1)、速度外环积分器(2)、开/闭环控制切换模块(3)、第二减法器(4)、电流内环积分器(5)、九轴IMU传感器(6)、前馈补偿量估算模块(7)、第一加法器(8)、第三减法器(9)、脉宽矢量调制模块(10)、三相电压逆变器(11)、无物理刹车BLDC模块(12)、减速机及车轮模块(13)、三相电流采集模块(14)、模数转换与计算模块(15)、光电编码器模块(16)和转速估算模块(17)；主控系统将设定的目标转速输入第一减法器(1)中；第一减法器(1)计算得到目标转速和实际转速的差值Δω输入到速度外环积分器(2)中；速度外环积分器(2)根据差值Δω进行比例积分计算得到闭环q轴电流输入到开/闭环控制切换模块(3)中；开/闭环控制切换模块(3)通过计算当前无物理刹车BLDC模块(12)的最大扭矩T
max
得到阈值电流I
max
，根据设定的开环q轴电流闭环q轴电流无物理刹车BLDC模块(12)实时功率和相电流以及实际转角计算得到q轴电流设定值并输入到第二减法器(4)中；第二减法器(4)计算设定q轴电流值与实际电流值i
q
的差值Δi
q
输入到电流内环积分器(5)中；电流内环积分器(5)根据差值Δi
q
进行比例积分计算得到控制目标的给定空间电压矢量幅值u0输入到第一加法器(8)中；九轴IMU传感器(6)用于测算机器人行驶夹角θ并输入到前馈补偿量估算模块(7)中；前馈补偿量估算模块(7)根据输入的行驶夹角θ和机器人尺寸、重量信息计算需要补偿的前置量u
p+
输入到第一加法器(8)中，计算当前无物理刹车BLDC模块(12)的最大负载功率P
max
和最大扭矩T
max
输入到开/闭环控制切换模块(3)中；第一加法器(8)对需要补偿的前置量u
p+
和电压矢量幅值u0作和得到输出的空间电压矢量的幅值U
ref
输入到第三减法器(9)中；第三减法器(9)根据输入的空间电压矢量幅值U
ref
计算和最大幅值u
max
差值的占比输入到改进型抗饱和器，改进型抗饱和器用于调节和输出最终的空间电压矢量幅值U
ref
到脉宽矢量调制模块(10)中；脉宽矢量调制模块(10)根据输入的空间电压矢量幅值U
ref
和无物理刹车BLDC模块(12)的实际转角计算得到六路调制PWM，并将其输入到三相电压逆变器(11)中，当电刹车无法支持机器人自稳或匀速下移时，脉宽矢量调制模块(10)会调节输出新的六路调制PWM，改变电机的转向，反转产生制动力矩；三相电压逆变器(11)产生最终的驱动电流输入到无物理刹车BLDC模块(12)中；无物理刹车BLDC模块(12)以对应的转速转向带动减速机及车轮模块(13)的运动，使得爬壁机器人在壁面上完成各种运动；三相电流采集模块(14)采集得到对应的三相电流i
A
、i
B
和i
C
输入到模数转换与计算模块(15)中；模数转换与计算模块(15)根据测得的三相电流i
A
、i
B
和i
C
计算得到实际q轴电流值输入
到第二减法器(4)中；光电编码器模块(16)测量无物理刹车BLDC模块(12)的实际转角输入到开/闭环控制切换模块(3)、前馈补偿量估算模块(7)、脉宽矢量调制模块(10)和转速估算模块(17)中；转速估算模块(17)根据输入的无物理刹车BLDC模块(12)实际转角计算得到实时转速并输入到第一减法器(1)中。2.利用权利要求1所述驱动系统的无物理刹车爬壁机器人用驱动方法其特征在于：开/闭环控制切换模块(3)的实现方法如下；第一步：根据输入的最大扭矩T
max
计算得到阈值电流I
max
；第二步：对无物理刹车BLDC模块(12)的实时功率P和相电流I进行计算；第三步：根据实时功率P、相电流I和最大负载功率P
max
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秋，陈明松，蔺永诚，曾维栋，王冠强，吴敏杰，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：