[doc] “袋鼠”跳跃机器人用无刷直流电动机研究
“袋鼠”跳跃机器人用无刷直流电动机研究
“袋鼠”跳跃机器人用无刷直流电动机研究江曼,等
中图分类号:TM361文献标志码:A文章编号:1001-6848(2008)06—0023-03
“袋鼠”跳跃机器人用无刷直流电动机研究
江曼,刘卫国,张文涛
(西北工业大学,西安710072)
摘要:设计了无刷直流电动机液压驱动系统;
控制器的设计;详细分析了在突加负载情况下,
并进行试验验证.
介绍了适合跳跃机器人系统的无刷直流电动机
电机转速和电流的动态变化过程.研制了样机
关键词:无刷直流电动机;液压;袋鼠跳跃机器人;试验
AnalyzeandResearchofBrushlessDCMotorforDriveSystemofKangaroo
HoppingRobot
JIANGMan,LIUWei—guo,ZHANGWen-tao
(NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)
Abstract:Hybrids~temdrivedbythebrusHe~DCmotorwasdesigned.qhede
signforcontrols~temofbrush-
lessDCmotorwfiichisfitforhoppingrobotWasintroduced.Dyna~cckmngpr
ocessofspeedandcurrentofthe
motorinsuddenloadwasdescribedindetail.Prototypermchineisdevelopeda
ndtheexperimentwasdone.
KeyWords:BrushlessDEmotor;Hybrid;Kangaroohoppingrobot;Experim
ent
U5l昌
跳跃机器人不但可以越过数倍于自身尺寸的障
碍物,而且能在复杂的地面运动,具有很高的应用
价值.其动力系统的特点是爆发性.对电机采用突
加负载的方式可以达到这一目的.传统的变频液压
调速系统一般采用异步电机,通过对电机转速的调
节改变液压泵的转速,从而实现对液压执行机构的
控制.但异步电机体积大,不适合本系统体积小,
响应快的要求.本系统选用无刷直流电动机.它结
构简单,易于控制,调速性能好,是一种自控式调
速系统,在负载突变时,不会产生振荡和失步.本
文根据方波无刷直流电动机的数学模型及机械特性,
对电动机在突加”袋鼠”跳跃机器人这种反抗性负载
的工况进行分析,并通过实际设计开发的”袋鼠”机
器人试验结果的对比来说明分析的有效l生.
1”袋鼠”跳跃机器人动力系统与电
机数学模型
1.1”袋鼠”跳跃机器人动力系统
“袋鼠”机器人是仿照袋鼠踝关节开发的一种
收稿日期:2007—09-30
基金项目:国家自然科学基金项目(50375120)
西北工业大学研究生创新基金项目(06053)
直接依靠电机液压系统传送动力的跳跃机器人系
统,可实现连续及变速跳跃.其动力源为无刷直
流电动机,动力传递与输出为液压系统.由于电
机的直接输出端为液压泵,因此将其负载归类于
泵式负载.电机首先在小负载工况下运行直至达
到需要转速,然后突加机器人负载,使之腾空.
1.2电机数学模型
对于稀土永磁无刷直流电机,通常利用电动
机本身的相变量来建立数学模型.假设磁路不饱
和,不计涡流和磁滞损耗,三相绕组完全对称,
则电压平衡方程式为:
di
=
2Raia+2La+Ce枷(1)
由于转子磁阻不随转子位置的变化而变化,因此,
定子绕组的自感和互感为常数,电感为常数.
式中,c为电势常数;n为电机转速;P为极对
数,为主磁通.
电磁转矩方程为:
Te=C咖,(2)
机械运动方程为:
=一n=.,警(3)
式中,为负载转矩;B为粘滞摩擦系数;J为转
动惯量.
联立式(1)和式(2),可得机械特性方程:
.
23.
徽电机
一卢-2警(4)
式中,
.
=
南为理想空载转速;卢=:,为
机械特性曲线的斜率.
2突加负载过程分析
2.1电流和转速过渡方程
由无刷直流电机的数学模型,联立式(2),式
(3)和式(4),可得电流和转速的二阶微分方程:
+
等)警+(+等
(一)(5)
+
(去B]dn+(+
f一1(6)I百一J【o
式中,=为电枢回路电磁时间常数;z-m=
为机电时间常数;,L=为负载稳态电
流;=U
一;为负载稳态转速.
为减少复杂程度,可以忽略粘滞摩擦系数,
求解式(5)和式(6),得到电流和转速的过渡方程:
i.=(c+ce’)e一+,L(7)
:
(c.+c4e-sit)e—+(8)
式中,s.=?1一;系数c,c:,c,,c4
由初始条件决定.
2.2带恒转矩负载起动过程
电机带恒转矩负载,稳态电流,L不变,电枢
电流先由0上升到稳态值;这一段时间,t.=z-aIn
U
;然后,电枢电流继续上升,使电磁转矩
大于负载转矩,转速上升;当电流达到最大值,
转子加速度最大,此后电枢电流减小,转速仍然
上升,直到电流稳定,转速稳定.这时,稳态电
IL=态转=U一.初始条
件t=0,电枢电流i=IL,转速=0,初始电枢电
流的变化率警=,转速变化率_0,整
理后得:
)0))e+,L(9)
:
1(esl(….)~”
1”e-sl(.)e一t-to+n
L(10)
由以上分析可以看到,带恒转矩负载时,电
机存在一个上升时间to,这段时问转速一直为0,
并且负载转矩越大,这段时间越长.
3控制系统设计
3.1结构设计
对于”袋鼠”跳跃机器人动力系统来说,快速
性是追求的主要目标,目的是使液压缸在很短的
时间内达到最大冲程.动力系统包括无刷直流电
动机,液压泵和液压缸.无刷直流电动机带动液
压泵,通过调节电动机转速,实现对液压泵转速
的控制,使液压缸在设定的速度下实现快速直线
运动,利用液压强大的冲击力使机器人跳起.机
器人关节上装有角度传感器,达到一定角度,传
感器会给单片机回馈一个信号,再由单片机和DSP
实现串口通讯,使电机停转.
3.2控制电路设计
整个系统的核心是无刷直流电动机的控制.
控制系统结构如图1.驱动芯片选用IR公司的
IR2130.2130可以驱动母线电压到600V的功率
管,它的自举功能使一5V到+600V的悬浮电源
的实现很方便.在系统的运行过程中,2130内部
的驱动保护电路会检测当前系统的运行状态,如
果系统中出现过流或者欠压情况,IR2130会启动内
部保护电路,锁住后继PWM信号的输出,同时通
过FAULT引脚拉低PDPINTA,实现对控制系统的
保护.功率管选用IRFP460的MOSFET,耐压
500V,最大工作电流20A.霍尔传感器的三个换
向信号接到2407的CAP引脚,除了换向还可以进
行转速计算.DSP的六路PWM信号经过高速光耦
隔离芯片6N137,输出到IR2130上作为功率管六
路触发信号的对应输入端.
一
引韶
卜霪嚣
L霪感囊垂
图1控制系统结构
“袋鼠”跳跃机器人用无刷直流电动机研究江曼.等
3.3软件设计流程
主程序实现的主要功能包括无刷直流电动机
的调速和与单片机实现的串El通讯.主程序流程
图如图2.
变量初始化I
读控制面板I
西邋
霍尔
传感器
信号
角度传II电机停
感器信号II机信号
.
塑堡堡壁IXX
IPw卜<蠡蕞?訾
调用电机停机制动程序
图2主程序流程
4系统实现与结果分析
电机先在小负载工况下运行,在0.6s突加机
器人负载,完成一次跳跃.电机参数:电源电压
U=310V,转速=1500r/min,负载转矩=
4.77N?m,定子相绕组电阻R:9.75Q,电感
=
4.92mH,转子惯性矩J=42.35x10,kg?m,
极对数P=4.
电机实测转速曲线和泵压力曲线如图3所示.
无刷直流电动机驱动的液压泵能使液压缸在设计
时间内实现快速运动,使机器人系统跳起.
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T
暑l
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3盘
窒
0.32
0.20.40.60.81.01.2
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图3电机实测转速曲线和泵压力曲线
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作者简介:江曼(1983一),女,硕士研究生,研究方向为
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(上接第10页)
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作者简介:韦立学,男,安徽省阜阳人,硕士研究生,研究方
向为特种电机的设计与控制.
陈世元,男,辽宁省辽阳人,教授,从事特种电机及其控制,
电机的交流绕组,电磁场和CAD等方面的研究.
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