【技术实现步骤摘要】
重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统、方法及应用
本专利技术属于电力电子学及伺服控制
，尤其涉及一种重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统、方法及应用。
技术介绍
目前，最接近的现有技术：协作机器人是为了实现同外界环境和人的安全交互功能，具备高性能柔顺运动是核心要求，具备柔顺运动性能的基础是高载荷/自重比的机械本体结构方面和高性能的驱动控制系统两方面。在机械本体结构方面，协作机器人关节普遍采用了高转矩永磁力矩电机与谐波减速器相结合的传动策略。在驱动控制方面，近年来，出现了新型模式，即运动控制保持不变，把伺服驱动器和伺服电机做一体化集成，称之为ALLinONE，这样电机与驱动器的线缆就得到了极大的节约；与之对应的是，伺服电机保持不变，运动控制和伺服驱动做成一体化的集成。驱控一体化是把控制器和驱动器集成在一起，其优势包括：体积小、重量轻、部署灵活、成本低以及可靠性高，能够完成复杂的控制算法，但其不足之处在于受协作机械臂关节空间所限，高集成度开发难度较大，要实现多功能的驱动控制以保证一体化驱控系统的高性能与安全性是驱控一体化的重难点，高集成度系统扩展性欠缺，应用不同的数据采集方式需要不同的接口，一旦完成一体化驱控系统的设计再去扩展就比较麻烦。目前，在一体化驱控系统中，主芯片内部的控制算法多以软件代码的形式实现，执行方式为串行处理，优势是易于实现，目前已经相对成熟。其与并行处理的硬件电路实现控制算法相比，并行处理的硬件电路可以达到更快的数据处理与响应。随着芯片技术的发展，分布式CPU方式将朝着整体SoC芯片方...
【技术保护点】
1.一种重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，其特征在于，所述重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统包括：/n驱动板，是用于伺服电机的驱动，在实现控制信号的隔离后，控制主逆变电路进行伺服电机的驱动，并实现相电流检测和过流保护功能；/n控制板，用于在重组化机器人关节内实现电机的驱动以及内传感器的信息采集，采用矢量控制进行关节内永磁同步电机的控制，达到电机驱动电流、电机转速及输出端位置的三闭环控制。/n
【技术特征摘要】
1.一种重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，其特征在于，所述重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统包括：
驱动板，是用于伺服电机的驱动，在实现控制信号的隔离后，控制主逆变电路进行伺服电机的驱动，并实现相电流检测和过流保护功能；
控制板，用于在重组化机器人关节内实现电机的驱动以及内传感器的信息采集，采用矢量控制进行关节内永磁同步电机的控制，达到电机驱动电流、电机转速及输出端位置的三闭环控制。
2.如权利要求1所述的重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，其特征在于，所述驱动板包括：
前驱隔离电路，由高电压1A峰值半桥栅极驱动器LM5109BSD设计，输入兼容独立的TTL和CMOS电平，提供从控制输入逻辑到高侧栅极驱动器的干净电平转换，输出与功率MOSFET组成半桥的高低侧对应相接；
三路逆变桥电路，由N沟道MOSFET管BSC030N08NS5ATMA1与反联齐纳二极管半桥设计，采用矢量控制的方式进行电机的控制，设计三路半桥组成三相逆变电路进行DC-AC的变换与控制，供电电压与陶瓷电容并联提供稳定直流输入电压，每个半桥的高侧和低侧输入对应前端驱动电路的输出，输出为对应相电流，通过控制三相桥的高低侧的开通、关断时间，等效生成所需的三相电压值，控制永磁同步电机；
相电流检测电路，由高性能二阶Σ-Δ调制器AD7402-8进行设计，将模拟输入信号转换为高速的单比特数据流，此芯片的冷侧和热侧分别接数字电压和模拟电压；利用逆变器的输出端串联1个低阻值精密电阻VMS-R005-1.0，测量电阻上面的电压变化，将伪差分信号通过热敏电阻和下拉电容后输送到隔离放大器芯片；
差分到单端转换电路，由单电源CMOS运算放大器进行设计，采用OPA2335AID芯片，内含两个运算放大器，设计差分信号经过热敏电阻后，一个运放进行差分到单端转换所需的偏置电压稳压设计，偏置电压通过一个运放进行设计，其值设计为1/2引脚电压，偏置电压上拉于差分信号正极引脚，依据负载电阻值和电路电阻确定放大倍数，进行差分信号的放大，得到与电流信号成倍数关系的电压值，每个运放进行一相共模差分信号的输入，单端信号的输出，以此两个OPA2335AID芯片可进行到偏置电压的转换以及三相电流的检测，输出给过载保护电路进行比较；
过载保护电路，由四运放LM339D模拟比较器进行设计，用作模拟电路和数字电路的接口，设置电流阈值，利用其中三个运放进行模拟信号的比较，输入负极与差分转换得到的单端电流信号相连接，正极上拉电阻到3.3V电源进行比较，将3个输出引脚相接经过一个芯片电阻后输出兼容的TTL电平，直接通过驱动板与控制板的连接器输送到主芯片引脚，实现过载信号的传输功能；
PWM制动电路，由栅极驱动器LM5109BSD与N沟道MOSFET管BSC030N08NS5ATMA1进行设计，栅极驱动器接收来自控制板的脉冲制动信号，低侧栅极驱动器输出连接到低侧N-MOS器件的栅极；MOSFET的源极接地，漏极输出端接快恢复二极管上拉到供电电压，输出信号与逆变桥母线电压通过2引脚的连接器相连接，实现制动；
稳压电路，分为48V稳压5V电路、5V稳压V-GD电路、5V稳压3.3V电路；
隔离电路，分为5V隔离5VA电路、以及隔离放大器冷侧电压隔离电路。
3.如权利要求2所述的重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，其特征在于，所述PWM制动电路的电源输入接口为MKDS1/4，81接线端子引入48V逆变器输入直流电源以及驱动板输入直流电源。
4.如权利要求2所述的重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，其特征在于，所述稳压电路分为48V稳压5V电路、5V稳压V-GD电路、5V稳压3.3V电路；
48V稳压5V电路，由LM5575MH/NOPBDC-DC开关降压型稳压器进行设计，具有6V～75V超宽输入电压范围，可调输出电压低至1.225V，输入端口接3个去耦电容，开关节点与外部肖特基二极管和降压电感相连接，根据输入电压和输出电压设计降压电感、电阻的值，输入48V直流电源，输出其余电路所需的5V调节直流电源，在输出端设置一个TP点调试；
5V稳压V-GD电路，由LMR62014XMFEDC-DC开关升压稳压器进行设计，其输入电压范围0.4V～14.5V，SW引脚输出电压能够达到22V，输出电压的设置使用FB引脚中接的两个外部电阻确定，SW引脚与SW引脚之间通过电感连接，输出引脚接一个肖基特二极管，在输出端设置一个TP点测试，输入直流5V电压，输出前驱电路所需的V-GD直流电源，其值大小为12V；
5V稳压3.3V电路，由SOT-223封装的AMS1117-3.3固定电压调整器进行设计，输入输出引脚与滤波电容相接，输入5V直流电压，输出过载保护电路所需的3.3V直流电压，在输出引脚处设计串联电阻的发光二极管观察是否很好降压。
5.如权利要求2所述的重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，其特征在于，所述隔离电路分为5V隔离5VA电路、以及隔离放大器冷侧电压隔离电路；
5V隔离5VA电路，由60ohm的铁氧体磁珠电感进行，铁氧体磁珠过滤高频电源噪声并干净地分享相似电源供电轨，即混合信号IC的模拟和数字供电轨，通过氧体磁珠与供电轨串联，磁珠的两侧与电容一起接地，形成了一个低通滤波器网络，并得到隔离放大器热侧所需的5VA电源；
隔离放大器冷侧电压隔离电路，由60ohm铁氧体磁珠电感进行，通过5V与3.3V分别与铁氧体磁珠串联，两端电源设计滤波电容，形成一个低通滤波器网络，降低高频电源噪声，并得到隔离放大器冷侧所需的VDD2直流电压，其值为3.3V；
数字地与模拟地之间通过零欧姆电阻进行隔离，通过零欧姆电阻提高噪声信号在信号回流路径上的阻抗，实现数模分割。
6.如权利要求1所述的重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，其特征在于，所述驱动板上设计10×2的插针底座实现与控制板的数据、电源和地的连接。
7.如权利要求1所述的重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，其特征在于，所述控制板包括：
主芯片电路，根据协作机器人关节的逻辑资源需求；
闪存电路，通过片选以及SPI通信接口与主芯片进行数据的传输，实现程序和数据保存，电源引脚出设计滤波电容以达到滤波效果；
程序下载电路，通过SPI通讯方式进行数据的传输，以此实现控制算法模块以及数据采集模块硬件电路的烧录，电源接口处设置滤波电容以达到滤波效果；
传感器信息处理电路，包括了电机位置编码处理电路以及输出端位置编码处理电路，两类传感器支持ABZ通讯方式以及BISS-C通讯方式；
上位机通讯电路，通过MII接口实现PHY芯片与主芯片的引脚数据交互，PHY芯片的复位引脚与主芯片对于引脚连接，晶振的工作频率为25MHz，连接在PHY芯片的对应两个晶振引脚之间，并在芯片LED引脚处设计发光二极管，用于指示驱动控制器与上位机的通讯是否良好；以太网变压器NS0013LF的两端分别连接PHY芯片与4×1的接头连接器，进行两组差分数据的转换；接头连接器与上位机进行两组差分数据的传输，在3.3V和3.3V_PHY电压之间设计1个铁氧体磁珠电感器进行隔离，并得到干净的相似电压，两端电源设计滤波电容，形成一个低通滤波器网络；
CAN通讯电路，接收和发送数据引脚与主芯片对应引脚进行连接，使能引脚上拉到3.3V直流电压，复位引脚下拉到地，在电源引脚出设置滤波电容，达到滤波的效果，设计2×1的连接器母插口实现与上位机的连接；
稳压电路，输入来自于驱动板的电源输出，通过插针传输到控制板，进而实现电源稳压，稳压电路的设计由主芯片以及板上其余电路所需电压进行设计，采用有5V稳压3.3V电路、5V稳压2.5V电路以及5V稳压1.0V电路；
所述传感器信息处理电路包括电机位置编码处理电路以及输出端位置编码处理电路；
电机位置编码信号端电路，实现ABZ通讯，A、B电源引脚分别上拉3.3V以及5V直流电压，并设置滤波电容，以到达滤波效果，A侧引出三引脚与主芯片对于引脚进行连接，B侧对应A侧三引脚与一个5×1的接头连接器母头进行连接，实现传感器的数据传输，接头连接器另外两接口分别接5V直流电压和地，5V直流电压作为编码器的供电，并在三路信号线上设置芯片贴片电阻和滤波电容；
输出端位置编码信号端电路，实现BISS-C通讯，收发器具有一个差分驱动器和一个差分接收器，...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵鹏兵，胡耀，郭世超，杨傲，李婧，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。