趙傳放 蔣偉 楊恒

摘要：提出了將外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)用作機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的方案，分析了機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的性能需求及開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用的可行性。通過仿真實(shí)驗(yàn)，得出了一種能夠獲得較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)本體設(shè)計(jì)參數(shù)，并提出了一種共享開關(guān)管的開關(guān)磁阻電機(jī)不對(duì)稱半橋結(jié)構(gòu)的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人關(guān)節(jié);外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī);功率變換器

0 引言

機(jī)器人關(guān)節(jié)作為機(jī)器人的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能優(yōu)劣對(duì)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能和對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性有著重要影響。一般來說，機(jī)器人關(guān)節(jié)需要滿足以下性能要求：結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可靠性高，動(dòng)態(tài)性能好，對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，能夠長時(shí)間在惡劣環(huán)境下連續(xù)工作，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，調(diào)速范圍寬等。

本文提出了將外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)（OSRM）用作機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的方法，并提供了電機(jī)設(shè)計(jì)方案。通過仿真，優(yōu)化了電機(jī)性能，使其能夠獲得設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩。針對(duì)提出的電機(jī)設(shè)計(jì)方案，提出了一種共享開關(guān)管的開關(guān)磁阻電機(jī)不對(duì)稱半橋功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和一種勵(lì)磁模式流程控制方法，用于進(jìn)一步優(yōu)化開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能，減少電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

1 外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)理論基礎(chǔ)

外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)就是將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的位置對(duì)調(diào)，定子在內(nèi)，轉(zhuǎn)子在外。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是在電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，電機(jī)力臂大于SRM（開關(guān)磁阻電機(jī)），從而能產(chǎn)生更大的力矩。但同時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲也會(huì)比SRM大，需要通過勵(lì)磁方案和算法優(yōu)化解決這一問題。與SRM工作原理一樣，OSRM的工作也遵循磁阻最小原理，即磁力線總是通過磁阻最小的路徑閉合。如果控制策略得當(dāng)，能夠有效減少系統(tǒng)運(yùn)行的損耗，降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲，使之更加符合機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)行平穩(wěn)、功耗低的要求。

2 機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)設(shè)計(jì)

相比于傳統(tǒng)的開關(guān)磁阻電機(jī)，在進(jìn)行外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)需要解決的一個(gè)重要問題就是，由于電機(jī)定子部分處于內(nèi)部，其繞組空間呈平方關(guān)系的減少，由此產(chǎn)生的磁通勢也急劇下降。針對(duì)此問題，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合，選擇方形導(dǎo)線或具有更好導(dǎo)電材質(zhì)的繞組。

電機(jī)本體需要設(shè)計(jì)的參數(shù)主要有電機(jī)的相數(shù)、定轉(zhuǎn)子的齒長、軛高、軸徑、氣隙寬度、第二氣隙寬度等。一些固定的參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、電源電壓、外徑，一般根據(jù)適用環(huán)境確定。電機(jī)的相數(shù)通常可以設(shè)計(jì)成兩相、三相、四相等。相數(shù)的增加會(huì)使步距角變小，從而有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，控制成本和難度也會(huì)相應(yīng)增加，因此，綜合考慮采用四相電機(jī)。在進(jìn)行OSRM尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，可以參照以下經(jīng)驗(yàn)公式：

除以上參數(shù)外，對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)性能影響較大的兩個(gè)參數(shù)是氣隙和第二氣隙。氣隙指的是定子和轉(zhuǎn)子的齒在處于對(duì)齊位置時(shí)中間的空隙，第二氣隙指的是定子凸極到轉(zhuǎn)子槽底部的距離。兩個(gè)氣隙的值分別影響著最大電感Lmax和最小電感Lmin。根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)的線性模型，Lmax/Lmin的值越高，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就越大。

完成初步設(shè)計(jì)后，通過SPEED軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化仿真，以獲得更優(yōu)的性能。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式與給定條件，確定了電機(jī)的外徑為60 mm，四相10/8極。考慮到制作工藝等問題，氣隙不宜取太小，取0.2 mm。定轉(zhuǎn)子的齒長主要影響最小電感Lmin，理論上轉(zhuǎn)子槽越深，最小電感的值就會(huì)越小，但轉(zhuǎn)子齒過長又會(huì)影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。另外，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子軛高應(yīng)考慮到磁場過飽和問題，設(shè)計(jì)定子齒長時(shí)，要充分考慮到為繞組留下足夠的空間。定轉(zhuǎn)子的極弧應(yīng)滿足βs<βr，因?yàn)橐粋€(gè)小的βs可以為繞組提供更大的空間，同時(shí)能避免出現(xiàn)零扭矩區(qū)域。電機(jī)的細(xì)長比λ與電機(jī)的運(yùn)行性能也有著密切關(guān)系，考慮到機(jī)器人關(guān)節(jié)的體積要求，取λ=1，即電機(jī)的長度為60 mm。最終設(shè)計(jì)得到的電機(jī)外部尺寸參數(shù)如表1所示，輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖1所示。

開關(guān)磁阻電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)（SRD）由電機(jī)本體、電源、控制器、功率變換器以及各種傳感器構(gòu)成。調(diào)速系統(tǒng)原理如圖2所示。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電流傳感器和位置傳感器不斷地對(duì)系統(tǒng)的電流和定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置進(jìn)行檢測，以實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁方式的控制。

3 OSRM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)也有著重要的影響。合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以降低SRD成本，提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，拓寬其應(yīng)用場合。傳統(tǒng)的開關(guān)磁阻電機(jī)不對(duì)稱半橋型功率變換器存在明顯缺點(diǎn)：定子繞組的每一相都要用兩個(gè)開關(guān)管和兩個(gè)續(xù)流二極管，且每相都需安裝一個(gè)電流傳感器，隨著電機(jī)相數(shù)的增加，系統(tǒng)的體積和成本將會(huì)明顯增加，可靠性也將大幅降低。

本文提出了一種共享開關(guān)管的開關(guān)磁阻電機(jī)不對(duì)稱半橋功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。以A相為例，當(dāng)上開關(guān)管S1和下開關(guān)管S2均導(dǎo)通時(shí)，電源向A相供電，繞組兩端承受正電壓U，繞組電流上升，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁;當(dāng)S1關(guān)斷而S2導(dǎo)通時(shí)，繞組兩端電壓為零，繞組電流經(jīng)過S2和D1完成續(xù)流;S1和S2均關(guān)斷時(shí)，繞組兩端承受負(fù)電壓-U，相電流通過D1和D2進(jìn)行能量反饋，繞組電流快速下降，完成退磁。

給A、B、C、D相依次供電，從A相切換到B相時(shí)，通過A相反饋的電能存儲(chǔ)在電解電容C1中，這部分能量能夠用于迅速提升C相的電流，從而縮短勵(lì)磁時(shí)間，其他三相同理。此過程循環(huán)往復(fù)大大縮短了供電周期，減少了損耗。D4和D8分別與兩個(gè)電解電容配合，實(shí)現(xiàn)能量回收。此過程僅適用于單相勵(lì)磁。A相、C相共享開關(guān)管，B相、D相共享開關(guān)管，通過減少開關(guān)器件的個(gè)數(shù)來減小損耗，以減小體積，降低成本，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)性能。

4 勵(lì)磁方案的優(yōu)化

OSRM有3種典型的勵(lì)磁模式：單相勵(lì)磁、雙相勵(lì)磁和單雙相混合勵(lì)磁。單相勵(lì)磁即任意時(shí)刻只對(duì)一相繞組進(jìn)行勵(lì)磁，雙相勵(lì)磁即同一時(shí)刻對(duì)兩相電感處于上升區(qū)的繞組進(jìn)行勵(lì)磁。雙相勵(lì)磁模式和單雙相混合勵(lì)磁模式都存在一種相鄰相同時(shí)勵(lì)磁的情況，如果對(duì)兩個(gè)相鄰相同時(shí)勵(lì)磁，可以將其極性設(shè)置為相反的極性，磁力線此時(shí)可以形成短磁路。如當(dāng)B相和C相同時(shí)勵(lì)磁且極性相反的時(shí)候，B相和C相之間可以形成短磁路，產(chǎn)生一個(gè)反向的磁力線，雖然磁力線是反向的，但是其生成的力的大小僅與電流的有效值有關(guān)，并不影響轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。其中，短磁路的意思是磁力線并非由上至下穿過半個(gè)轉(zhuǎn)子軛，而是當(dāng)存在兩個(gè)磁動(dòng)勢的磁力線圓的時(shí)候，兩者互相吸引，能夠在鄰近的極上形成一個(gè)很小的磁力線回路，這樣可以減少轉(zhuǎn)子軛上的電磁損耗，提高效率，增加輸出，使產(chǎn)生力的效果更好，提高了帶載能力。

本文還提供了一種勵(lì)磁模式流程控制方法，如圖4所示，該方法可以在單相勵(lì)磁和雙相勵(lì)磁之間來回切換，其判斷的唯一準(zhǔn)則是系統(tǒng)的電流：在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不斷循環(huán)檢測系統(tǒng)電流，當(dāng)電流大于某一個(gè)值的時(shí)候，啟動(dòng)雙相勵(lì)磁;當(dāng)電流下降到某一個(gè)值的時(shí)候，切回單相勵(lì)磁。由于其判斷區(qū)間是滯環(huán)式的，故不存在反復(fù)切換的問題。這種控制方案既保證了電機(jī)能產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩，又能有效地減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

5 結(jié)語

本文就外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)用作機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的方案進(jìn)行了研究，提出了一種電機(jī)本體設(shè)計(jì)方案和與之對(duì)應(yīng)的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并根據(jù)理論分析與軟件仿真，優(yōu)化了設(shè)計(jì)結(jié)果。

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收稿日期：2020-04-25

作者簡介：趙傳放（1999—），男，江蘇新沂人，研究方向：電機(jī)與電器。