洪 健，蔡華祥，王 晟

(1.貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550081；2.國家精密微特電機工程技術研究中心，貴州 貴陽 550081)

0 引言

移動機器人是集多種高端設備和先進技術于一體的智能化機電裝備，具有工作效率高、穩(wěn)定可靠、重復精度好、能夠在高危環(huán)境下作業(yè)等多方面優(yōu)勢，經過幾十年的發(fā)展，已經在自動化生產線、人機協(xié)作、動力外骨骼及智能輪腿式移動機器人等領域得到了廣泛應用。隨著各領域對機器人綜合性能的需求不斷提升，機器人伺服驅動軟硬件的研發(fā)與制備，作為實現(xiàn)機器人重大突破的先決條件和核心技術，已成為各國占領機器人領域行業(yè)市場的必要技術之一[1-2]。

國外機器人專用電機起步較早，各大機器人研究機構主要針對一體化關節(jié)進行了深入研究，主要以波士頓動力公司、麻省理工(MIT)、意大利機器人研究院(IIT)、蘇黎世聯(lián)邦理工(ETH)的高校以及以科爾摩根為代表的商業(yè)公司開發(fā)了一系列基數(shù)成熟的機器人電機[3]。目前，我國作為世界最大的機器人應用國，正在快速由勞動密集轉型升級為高效能科技型，對機器人的需求量逐年增加。與工業(yè)發(fā)達國家相比，我國在關節(jié)電機上的研究起步較晚，目前只有少數(shù)的幾所高校和科研院所在進行這方面的研究，其中比較有代表性的有前沿驅動(北京)技術有限公司推出的SCA智能柔性關節(jié)、杭州宇樹科技萊卡狗的一體化關節(jié)電機、哈工大的HIT機械臂電機以及泰科伺服推出的多款一體化關節(jié)電機[4]，并且在關節(jié)電機上的研究，我國長期以跟隨模式發(fā)展，在一些高端制造領域或特殊應用領域，關節(jié)電機嚴重依賴國外ABB、Elmo等公司進口。

因此，本文以高性能移動機器人為應用背景，開展驅動傳動伺服控制一體化電機研究。在綜合分析當前國內外移動機器人系統(tǒng)中伺服驅動控制部件所存在的集成化程度低、功率密度和轉矩密度低以及系統(tǒng)可靠性不高等技術瓶頸，開展高功率密度、高傳動效率、輕量化、集成化通用電機關鍵技術研究。最終，突破國外在移動機器人關鍵部件以及驅動、傳動、伺服系統(tǒng)等方面的技術壁壘，填補國內技術空白。

1 一體化關節(jié)模組設計

本節(jié)提出一種高轉矩密度一體化關節(jié)解決方案，將電機-傳動-驅動進行一體化集成設計，得到一體化關節(jié)模組減速比9.92，系統(tǒng)重量636.8 g，尺寸為φ100×36.8 mm，輸出轉矩59.28 N·m，輸出端最高轉速302 rpm，防護等級IP65。

1.1 一體化總成結構設計

本文所研制一體化關節(jié)模組總成集成電機、行星減速器、驅動單元及編碼器，具有結構緊湊、裝配精度高、結構輕量化等優(yōu)點。總成結構如圖1所示，電機采用外轉子，定子中空部位布置行星減速器，由行星架輸出扭矩。其中位置傳感器選用磁編碼器，綜合考慮總成結構強度和輕量化需求，機殼、端蓋、后罩等支撐部件均采用高強鋁合金材料制成，總成輸出端采用動密封結構，引出線處采用格蘭頭引出，端蓋與機殼和后罩的配合處均采用O型密封圈密封，總成整體滿足IP65防護等級。

圖1 一體化關節(jié)模組結構示意圖

1.2 減速器方案設計

減速器設計是為了得到高強度、輕量化、低噪音的行星減速器組件。

(1)行星架組件設計

減速器結構布局采用一級2Z-X(A)行星傳動，傳動原理及結構示意圖如圖 2所示，由中心輪輸入，行星架輸出。結構主要由齒圈、中心輪、行星輪、行星架、軸承等零件構成，減速設計為9.92。為了減輕重量，行星架和蓋板均采用強鋁合金材料制成，行星輪內孔和行星架支撐柱采用間隙配合直接固定，支撐柱外圓安裝鋼套，增加其耐磨性。

圖2 行星減速器結構示意圖

(2)結構輕量化設計

行星架和機殼是減速扭矩輸出主要受力部件，同時也是系統(tǒng)重量占比較高的零件，基于有限元結構強度分析設計方法，對行星架和機殼強度進行輕量化優(yōu)化設計。如圖 3所示，通過校核，使用高強鋁合金(屈服強度大于400 MPa)能保證行星架和機殼使用強度。

圖3 行星架和機殼強度設計

(3)齒輪降噪設計

為減小減速器工作時噪音，行星齒輪和中心輪的齒向采用K形修行，齒形采用π形修形，提升齒輪傳動的嚙合平穩(wěn)性，降低齒輪嚙入沖擊，有效抑制齒輪傳動引起的震動和傳動噪音[5]，保證減速器工作噪音在65 dB以下，齒形設計如圖4所示。

圖4 中心輪和行星輪齒輪修形形狀

1.3 電機電磁設計

所設計的一體化關節(jié)模組電機特點為：電機額定工作點斷續(xù)工作，轉矩過載倍數(shù)大，短時工作，電機的額定轉矩為2 N·m，峰值轉矩為6 N·m，是額定轉矩的3倍?？紤]電機重量及散熱條件，在有限的空間內要盡可能的提高電機的效率及其他技術要求，電機電磁設計主要考慮以下幾方面內容。

(a)本電機設計的特點為轉矩密度大、過載倍數(shù)較大。參考以往力矩電機的設計經驗和相關研究理論，最終選擇了32極36槽集中繞組。集中繞組可減少繞組端部長度，從而減輕電機重量。另外，32極36槽的極槽配合具有很高的繞組因數(shù)，有利于降低電機繞組匝數(shù)。

(b)為了減少電機重量及轉動慣量，轉子軛部采用導磁性能良好的電工純鐵；永磁體采用高牌號耐高溫的釹鐵硼N45UH，抗去磁能力強，且通過對磁極形狀進行優(yōu)化，使得電機氣隙磁場諧波含量低。

(c)定子齒部與軛部磁密設計時要統(tǒng)籌考慮電機在2個工作點的工作性能。為保證電機各工作點的綜合性能，過載點磁密既不能過低也不能過高，過高時轉矩系數(shù)下降較快，導致過載點電流過大；磁密過低，電機銅耗較大。

(d)提高過載工作點的效率，使得電機過載運行時轉速能夠在盡可能大的轉速下短時運行，不至于轉速下降過快，影響使用，故設計時采用盡可能多的極數(shù)來調整電機轉矩-效率分布，使得過載點的效率盡可能大[6]。

根據(jù)以上設計思路，以電機性能、重量為目標，利用ANSYS有限元分析軟件進行了仿真分析，通過不斷的參數(shù)調整分析，最終選取了最優(yōu)方案，電機的電磁計算參數(shù)如表1所示。

表1 電機電磁計算參數(shù)

(1)額定負載特性

額定負載工況下，輸出功率628.27 W。圖 5是負載磁密云圖，圖中可以看出，在定子齒部磁密最大值為2 T時，齒部軛部均未達到飽和。

圖5 額定負載磁密云圖

圖6是額定負載工況下的轉矩仿真波形圖，轉矩仿真值為2 N·m，轉矩波動為0.4%。

圖6 額定負載輸出轉矩仿真波形

圖7是額定負載工況下的電流仿真波形圖，額定電流有效值為15 A。

圖7 額定電流仿真波形

(2)過載特性

圖8為三倍過載工況下的磁密云圖，圖8中可以看出在定子齒部磁密最大值為2.38 T，齒部軛部均未達到飽和。

圖8 過載磁密云圖

圖9是三倍負載工況下的轉矩仿真波形圖，轉矩仿真值為6.02 N·m。

圖9 電機輸出轉矩仿真波形

圖10為電機運行在峰值負載時電機磁場強度分布仿真結果。由圖10可知，永磁體的磁場強度H都小于5.2×105A/m。經查閱資料可知，N45UH在不可逆退磁場強大于1.99×106A/m。因此，本設計電機在輸出峰值轉矩工作點時永磁體不會發(fā)生不可逆退磁。

圖10 三倍過載工況下電機磁場強度分布

(3)電機溫升校核

按照電機連續(xù)制工作制的工況考慮，用瞬間溫度場計算電機穩(wěn)定后的工作溫度。

圖11和圖12為繞阻和定子鐵心最大溫度隨時間變化曲線，由圖知，當電機連續(xù)運行時間達到1 h，繞阻溫度達到136 ℃，定子鐵心溫度達到129 ℃，此時電機已經達到穩(wěn)態(tài)。根據(jù)對電機相關使用材料的耐溫要求分析，本設計的電機能夠承受電機額定運行的最大溫升條件，電機能夠正常工作。

圖11 繞阻最大溫度隨時間變化

圖12 定子鐵心最大溫度隨時間變化

1.4 控制器方案設計

(1)硬件設計

永磁同步電機控制系統(tǒng)的總體方案設計框圖如圖13所示。控制器硬件電路主要由電源變換電路、信號采集電路、控制電路、電機驅動電路和通訊電路組成。其中電源變換電路將48 V系統(tǒng)輸入電壓變換為各個硬件電路所需電壓。信號采集電路包括角度傳感器信號采集電路和電流信號采集電路，旨在完成控制器所需信號的采集處理任務?？刂齐娐肥侵钢骺匦酒淖钚∠到y(tǒng)電路，它完成對電機驅動電路的控制、信號的處理等任務。電機驅動電路包括MOSFET驅動電路和三相全橋逆變電路，本方案采用的是集成IPM模塊，是實現(xiàn)能量轉換的核心。通訊電路模塊與上位機進行人機交互，根據(jù)上位機的指令對電機進行控制。

(2)軟件設計

伺服系統(tǒng)一般具有位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)結構，電流環(huán)為內層控制環(huán)，速度環(huán)為中間控制環(huán)，位置環(huán)為外層控制環(huán)[7]?？刂平Y構如圖 14所示。

圖13 控制器總體方案設計框圖

基于矢量控制的永磁伺服系統(tǒng)主要由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三個閉合環(huán)路構成。電流環(huán)作為最內環(huán)，其動態(tài)響應性能是整個系統(tǒng)動態(tài)響應性能的基礎。

圖14 伺服系統(tǒng)三環(huán)控制結構圖

控制系統(tǒng)結構框圖如圖15所示，控制系統(tǒng)利用STM32F4實現(xiàn)矢量控制、SVPWM調制器、電流PI調節(jié)器、速度調節(jié)器、SPI位置讀取、CAN通訊模塊等功能。電流環(huán)調節(jié)器采用常規(guī)的PI調節(jié)器，并對交直軸的電流進行解耦補償。速度環(huán)調節(jié)器和位置環(huán)調節(jié)器分別采用PI控制器，并對系統(tǒng)中的非線性摩擦力矩、脈動力矩進行補償，以此來提高電機的低速平穩(wěn)性和位置控制精度。為了降低電機的波動力矩，需要抑制控制器輸出電流諧波。

圖15 控制系統(tǒng)結構框圖

2 技術先進性

(1)一體化系統(tǒng)設計：一體化關節(jié)模組總成集成電機、行星減速器、驅動單元及磁編碼器，具有結構緊湊、裝配精度高、結構輕量化等優(yōu)點。輸出軸端、各端蓋、緊定螺釘、出線端子與機殼的配合均采用防水密封處理，保證系統(tǒng)滿足IP65防護等級。

(2)電機：優(yōu)化設計電機的極槽配合、齒槽尺寸、磁鋼形狀、匝數(shù)、線徑、材料選用等電磁參數(shù)，電機空載特性總諧波畸變率1.04%，正弦性良好。

(3)減速器：減速器結構采用兩級2Z-X(A)行星傳動，減速器行星齒輪和太陽齒輪的齒向采用K形修形、齒形采用π形修形，提升了齒輪傳動的嚙合平穩(wěn)性，降低了齒輪的嚙入沖擊，有效抑制齒輪傳動引起的振動和傳動噪音?；谟邢拊Y構強度分析及設計方法，并采用鈦合金、高強鋁合金等高強度輕質比材料。

(4)驅動器：驅動器采用“位置環(huán)-速度環(huán)-電流環(huán)”三閉環(huán)控制策略，基于實時在線參數(shù)辨識和電磁轉矩波動觀測器優(yōu)化電流控制，提高動態(tài)響應，并集成健康管理功能，具有上電自檢及運行過程中的健康管理功能。

3 總結

本文提出一種一體化關節(jié)模組總成，集成電機、行星減速器、驅動單元及磁編碼器，具有高緊湊、高轉矩密度、高可靠性、高強度、高防護等級、低噪音等優(yōu)點。系統(tǒng)重量636.8 g，輸出轉矩59.28 N·m，扭矩密度達到93.1 N·m/kg，防護等級IP65，設計噪音在65 dB以下，通過溫度校核及強度校核，系統(tǒng)溫升及強度滿足要求，具有以下創(chuàng)新點：

(1)創(chuàng)新性提出一體化高效、高可靠、輕量化、高集成度關節(jié)總成設計方法和技術；

(2)提出高集成度關節(jié)總成的“機-電-磁-熱”的耦合動態(tài)模型的構建方法，為高集成度關節(jié)總成的性能提升提供設計分析方法。