一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器制造技术

本发明专利技术属于特种机器人领域，本发明专利技术提供了一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器。伺服驱控器包括MCU控制板、伺服驱动板、传感感知板和低压电源板，并通过铜柱和连接器实现板与板之间的物理和电气连接，形成冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器。该伺服驱控器采用分层双层控制器架构，下层控制器可以通过合理分配阈值，采用先主机模块工作、实时主机故障检测、后备模块预备冷启动、后备模块切入工作的复合冗余模式。该复合冗余工作模式不仅可以解决冷冗余切换数据丢失问题，也可以提高模块在辐射环境下的累计剂量，提高机器人关节伺服驱控器在辐射环境下的服役寿命问题。驱控器在辐射环境下的服役寿命问题。驱控器在辐射环境下的服役寿命问题。

【技术实现步骤摘要】
一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器


[0001]本专利技术属于特种机器人领域，具体来说涉及一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器。

技术介绍

[0002]机电作动器(Electro
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Mechanical Actuator，EMA)是通过控制电动机进而控制负载运动的一类执行器，广泛应用在民用工业、军工和航空航天领域。机器人关节模组将无框力矩电机、传感器以及伺服驱控器一起高度集成，组成一个小而精的集成式机电复合体，机器人关节模组是一种典型的功率电传作动器。机器人关节模组作动器的精确变频调速和精确位置控制都必须依靠集成内部的伺服驱控器完成。而伺服驱控器是一个复杂的综合电子电路系统，主要核心电路由MCU控制器、低压DC电源、电压型逆变器、栅极驱动电路、三相电流采样电路、位置反馈电路和过载保护电路以及其它必要的传感器电路等组成。伺服驱控器中的栅极驱动电路将控制器发出的高频方波脉冲信号进行电平移位，在保持不失真情况下提高脉冲电平，通过推挽输出，提高输出点功率，进而直接作用并驱动电压型逆变器的MOS管或IGBT，电压型逆变器直接为无框力矩电机提供交流电流和电压，然后交流电经过机器人关节模组内部的无框力矩电机将交流电能转换成大小和方向可调、可控的空间矢量旋转磁场，交流电形成的空间矢量旋转磁场与关节模组内部无框力矩电机转子永磁体发生磁场相互作用，在无框力矩电机内部完成电能
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机械能的能量转换，进而带动机器人关节末端负载运行。伺服控制器通过改变方波脉冲的频率调整栅极驱动电路电平移位的频率，进而改变电压型逆变器中MOS管或IGBT的开关频率，从而完成精确变频调速。机器人关节模组作动器精确位置控制是同样利用采样电路反馈的电流信号和位置传感器反馈的位置信息，参与伺服驱控器位置环的闭环运算，并将位置环的计算结果反馈至伺服驱动的速度环，速度环进而重复上述动作，完成机器人关节的精确定位和变频调速。因此，伺服驱控器的栅极驱动电路是控制器和电压型逆变器脉冲调制的桥梁，也是机器人关节模组作动器带负载运行时能量转换的桥梁，栅极驱动电路的性能直接决定了伺服驱控器的工作性能，而伺服驱控器直接决定了机器人关节模组作动器的工作性能。
[0003]由于电平移位芯片的高频、高电磁辐射、高应力、大驱动、低功耗的特殊工作性质，使得电平移位栅极驱动电路在商业民用货架上通常为全集成化芯片或者半集成化芯片，商业货架(COTS)上的全集成化电平移位栅极驱动芯片由于集成电路工艺限制，通常耐辐射性能差，并不能直接应用在航空航天和核工业等特种机器人领域。
[0004]因此，栅极驱动电路的耐辐射水平直接决定了整个伺服驱控器的耐辐射水平，同时，也直接决定了机器人等机电作动器在航空航天以及核工业等安全性要求较高的特种机器人领域的应用范围。在电压型逆变器可以达到较高的耐辐射水平技术背景下，如何提高栅极驱动电路在辐射环境下的抗耐辐射性能，对开发冗余型、高可靠特种伺服驱控器具有重要意义，同时也是该领域内的一大短板，亟待补齐。
[0005]在航空航天以及核工业等安全性要求较高领域，高抗辐射和高可靠性是衡量机器
人伺服驱控器综合性能的重要指标。机器人伺服驱控系统高抗辐射和高可靠性指标的提高主要技术措施是采用各种硬件冗余和相应硬件支撑的软件算法容错来实现，理论上使用多模冗余技术，通过给系统增加一些重复资源来屏蔽系统故障，可以保证机器人伺服系统的故障率无限接近于零。但考虑实际工程应用，特别是机器人关节模组内部的高集成化，集成式受空间限制，多模冗余实际上通常为2
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3模冗余。多模冗余技术通常根据硬件工作切换方式不同分为热备冗余和冷备冗余。基于相似冗余不能抑制共模故障原理，如果在工程上采用同样的热备冗余电路模块，在辐射环境下伺服驱控器的栅极驱动电路主模块和冗余备用电路同时接受辐照，势必导致两套栅极驱动电路模块吸收辐射累计剂量相同，在辐照环境下几乎同时失效，并不能起到提高服役寿命的效果。根据栅极驱动电路模块在带电(热机)和停机不带电(冷机)在相同辐射环境下电路模块产生的辐射效应有较大差异的原理，单单为了提高机器人伺服驱控器在辐射环境下的服役寿命问题，后备冷备冗余是目前最优的解决方案。冗余设计的初衷是保证设备能正常可靠工作，但后备冷备冗余工作方式最大弊端为：存在启动冒险行为和数据丢失问题，特别是在进行顺序控制时，在切换时存在输出扰动，冷冗余启动电路需要一个过程，需要多个时钟周期节拍，才能启动成功，这期间必然引起核心数据丢失。特别是出现控制器冷插拔等边界条件时，会出现不及时切换现象，或者冷冗余备用模块无法顺利启动，导致MCU主控制器内部锁定电路短时间失效而出现双主或者双从失效现象。后备冷冗余工作方式虽然可以显著提高设备和栅极驱动电路的服役寿命，同时也显著降低系统的可靠性。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决核辐射环境下机器人关节伺服驱控器因射线辐射电离产生各种辐射效应无法正常服役问题，基于抗辐射设计的独立性、多元化、冗余性原则；本专利技术专利设计了功能相同，但不同非相似余度的主备两套栅极驱动硬件电路，并以主备两套栅极驱动硬件电路为基础，设计一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器。
[0007]具体的，本专利技术提供一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器，所述机器人关节伺服驱控器包括MCU上层控制器、MCU下层控制器、电压型逆变器、伺服无框力矩电机、位置反馈电路、电流采样调理电路、FLT过载保护电路、电源板供电电路和冗余型栅极驱动电路；
[0008]所述MCU上层控制器用于计算冗余型栅极驱动机器人关节伺服驱控器的运动算法，并根据伺服无框力矩电机的故障模式进行模型重构计算，同时，将计算结果实时发送至MCU下层控制器；
[0009]所述MCU下层控制器用于控制位置反馈电路和传感器单元的信号采集和处理，所述MCU下层控制器根据这些信号判断机器人关节伺服驱控器的故障点位和类型，同时，负责向MCU上层控制器发送容错命令；
[0010]所述电源板供电电路用于为冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器正常工作提供电源电压；
[0011]所述冗余型栅极驱动电路包括集成芯片栅极驱动电路和分立器件栅极驱动电路共同组成；
[0012]所述集成芯片栅极驱动电路用于输出移位信号；
[0013]所述分立器件栅极驱动电路用于在所述集成芯片栅极驱动电路处于故障时替代所述集成芯片栅极驱动电路输出移位信号，所述分立器件栅极驱动电路包括分立器件上桥臂栅极驱动电路和分立器件下桥臂栅极驱动电路；
[0014]所述分立器件上桥臂栅极驱动电路由上桥臂电压型逆变器双放电回路、上桥臂OCL电路、上桥臂充电泵跳变型负压电路、上桥臂电源切换电路、上桥臂恒流源电路、上桥臂逻辑取反电路和自举倍压电路组成；
[0015]所述上桥臂电压型逆变器双放电回路由第十六二极管D16和第三电阻R3并联组成，在电压型逆变器中的第十七N型MOS管N17开通时只有一个充电回路，电压型逆变器中的第十七N型MOS管N17关断时有两个放电回路，能够从硬件设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器，其特征在于，所述机器人关节伺服驱控器包括MCU上层控制器、MCU下层控制器、电压型逆变器、伺服无框力矩电机、位置反馈电路、电流采样调理电路、FLT过载保护电路、电源板供电电路和冗余型栅极驱动电路；所述MCU上层控制器用于计算冗余型栅极驱动机器人关节伺服驱控器的运动算法，并根据伺服无框力矩电机的故障模式进行模型重构计算，同时，将计算结果实时发送至MCU下层控制器；所述MCU下层控制器用于控制位置反馈电路和传感器单元的信号采集和处理，所述MCU下层控制器根据这些信号判断机器人关节伺服驱控器的故障点位和类型，同时，负责向MCU上层控制器发送容错命令；所述电源板供电电路用于为冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器正常工作提供电源电压；所述冗余型栅极驱动电路包括集成芯片栅极驱动电路和分立器件栅极驱动电路共同组成；所述集成芯片栅极驱动电路用于输出移位信号；所述分立器件栅极驱动电路用于在所述集成芯片栅极驱动电路处于故障时替代所述集成芯片栅极驱动电路输出移位信号，所述分立器件栅极驱动电路包括分立器件上桥臂栅极驱动电路和分立器件下桥臂栅极驱动电路；所述分立器件上桥臂栅极驱动电路由上桥臂电压型逆变器双放电回路、上桥臂OCL电路、上桥臂充电泵跳变型负压电路、上桥臂电源切换电路、上桥臂恒流源电路、上桥臂逻辑取反电路和自举倍压电路组成；所述上桥臂电压型逆变器双放电回路由第十六二极管D16和第三电阻R3并联组成，在电压型逆变器中的第十七N型MOS管N17开通时只有一个充电回路，电压型逆变器中的第十七N型MOS管N17关断时有两个放电回路，能够从硬件设计上留有一定的死区时间避免发生串宏；所述上桥臂OCL电路由第十二极管D10和第十一二极管D11以及第十N型MOS管N10和第四P型MOS管P4组成，所述上桥臂OCL电路特点可避免斩波在电平移位时发生交越失真，同时也为电压型逆变器第十七N型MOS管N17导通时提供足够的灌电流；所述上桥臂充电泵跳变型负压电路由第二飞跨电容C2、第十二二极管D12、第十三二极管D13、第十四二极管D14和第十五二极管D15以及第十一N型MOS管N11和第十二N型MOS管N12组成，所述下桥臂充电泵跳变型负压电路用于在电压型逆变器关闭时形成负压放电，减少放电拖尾现象，加速电压型逆变器关断过程；所述上桥臂电源切换电路由第九N型MOS管N9和第十分压电阻R10和第十一分压电阻R11组成；所述上桥臂恒流源电路则是由第三P型MOS管P3和第八N型MOS管N8以及第十二反馈电阻R12组成；所述上桥臂逻辑取反电路则是由第七N型MOS管N7组成，所述逻辑取反电路用于集成芯片和分立栅极驱动电路在冗余切换时的逻辑一致性，避免停机修改算法；所述自举倍压电路是由第十三N型MOS管N13、第五P型MOS管P5、第十四N型MOS管N14、第六P型MOS管P6、第七P型MOS管P7、第十五N型MOS管N15、第八P型MOS管P8、第十六N型MOS管
N16组成；所述自举倍压电路中的第三飞跨电容C3一端分别与第五P型MOS管P5、第十四N型MOS管N14的漏端连接，另外一端分别与第六P型MOS管P6、第七P型MOS管P7的漏源端连接；所述分立器件下桥臂栅极驱动电路由下桥臂电压型逆变器双放电回路、下桥臂OCL电路、下桥臂充电泵跳变型负压电路、下桥臂电源切换电路、下桥臂恒流源电路、下桥臂逻辑取反电路组成；所述分立器件上桥臂栅极驱动电路比分立器件下桥臂栅极驱动电路，仅多了一个自举倍压电路，其它的电路组成和基本连线方式都相同。2.如权利要求1所述机器人关节伺服驱控器，其特征在于，所述冗余型栅极驱动电路还包括冷冗余独立供电电路；所述冷冗余独立供电电路包括第十九N型MOS管N19、第...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜潮，丁凯，王中华，胡德安，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
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