伺服驱动轮系统的创新设计与实现

孟雨皞　闫辉垠

轮式机器人具有运行速度快，通过能力强的优点，在服务和机器人竞赛领域得到了广泛的应用。 本文介绍了一种可用于轮式机器人的伺服驱动轮系统。 该系统由永磁同步电机，伺服驱动器和橡胶轮组成，采用了与传统结构不同的机械结构设计，可以作为一个整体轻松组装和使用。 在电机的驱动上采用基于SVPWM的控制系统，通过使用高精度的编码器，可实现电流控制，速度控制和位置控制。

1 介绍

永磁同步电机在各种应用中越来越受到关注。 由于其高功率密度，高效率和极高的调速范围，它们越来越受到机器人领域的青睐。 随着机器人技术的发展，轮式服务机器人、工业自引导小车和竞赛机器人对高性能伺服驱动系统的需求也在不断上升。 然而，电机、伺服驱动器和车轮通常由不同的公司单独设计，导致系统体积大，很难应用于小型机器人。 本文介绍了一种将轮毂电机和伺服驱动器组装在一起的机械设计。 这样整个结构体积较小，可作为一个整体进行使用， 模块化的设计也有助于维修和拆装。

为了改善电机的动态性能，我们设计了一个PID控制器来控制电机的电流，速度和位置。 为了获得更精确的电角度，以便我们可以对电机进行更精确的控制，我们选择了高分辨率磁编码器对电机转子位置进行检测。为了减少电枢绕组的谐波损耗，我们采用SVPWM算法，该算法在电枢绕组中产生较少的谐波， 我们可以有更低的功率损耗并获得更高的效率。该伺服驱动轮系统使用方便，性能高，可以很好的应用在轮式机器人上。

2 机械结构设计

为了使车轮成为一个整体模块，并且可以很容易地组装和更换，我们自行设计了系统的机械结构。整个部分包含电机和电机驱动器，可以在将其固定到想要使用它的位置后使用。不需要多余的组装工作，在安装完成后，整个系统通电便可以工作。

2.1 电机转子的设计

为了将该系统用作车轮并控制系统的整体重量以便小型化的应用，我们将转子外壳和轮毂直接组装到一起。 然后，我们在轮毂的内部放置转子的永磁体并用橡胶覆盖转子的外部。 所以电机可以直接用作驱动轮。

2.2 电机定子的设计

由于该系统主要设计用于轮式机器人，所以必须将其固定在机器人上。 所以我们直接将定子固定座与车轮安装法兰设计为一体，这样既能够方便整个系统的安装又能够简化整体机械结构的设计，能够更好的满足小型化的要求。 为了获得高转矩输出和高速度，我们选择三股铜导线并联的方式进行定子绕组的绕制，这样可以使电机的额定转速更大。

2.3 安装底座的设计

为了将电机伺服驱动器整合到整个系统中，我们设计了一个安装基座，并在其中安装了一个带槽的安装基座，我们可以在其中放置电机驱动器和电机位置检测器。 这样便组成了一个完整的伺服驱动轮系统。

3 空间电压矢量脉宽调制技术的实现

3.1 空间电压矢量脉宽调制算法的推导

SVPWM技术是对SPWM调制方法的一种改进，它基于空间电压矢量的思想，并将零矢量添加到矢量调制中来生成三相正弦波，从而逼近圆形磁通轨迹。 由于其调制方法，SVPWM具有更高的输出线电压，比SPWM算法高出约15.47%。 由于它减少了功率电子器件的开关次数，因此它具有较低的开关损耗，同时在电枢绕组上有更少的谐波损耗和纹波转矩。

根据电路中可能的开关状态，我们可以将电压矢量分解为六个基本矢量和零矢量。 然后我们可以得到期望向量与六个基本向量之间关系的矢量图，由于平面上的任何矢量都可以由平面上的两个非零非平行矢量合成，所以我们可以用两个与其相邻的基矢量合成我们所需要的电压矢量。 但是，由于功率开关同一时间只能有一个状态，所以我们必须引入时间等效原理和零向量。 然后，我们可以控制开关状态的持续时间，以便我们可以获得与我们预期的相同的效果。 利用电感电压平衡原理，我们可以得出输出电压的表示：

从上面的等式中，我们可以看到，我们需要做的是确定开关的状态以及它最后形成我们想要的电压矢量所需的持续时间。

3.2 空间电压矢量脉宽调制技术的实现

空间电压矢量脉宽调制的关键在于追踪磁通的轨迹。 所以我们必须知道电枢绕组磁动势的精确方向。 所以我们选择一个12位高分辨率磁性编码器，AS5045B，来检测转子的位置。 在知道磁动势的方向之后，我们必须决定期望电压矢量的方向。 为了获得最大的电机轴上输出扭矩，我们给出一个垂直于磁动势方向的矢量

众所周知，功率开关原件在开关的时候会产生开关损耗。为了保证高性能并降低开关损耗，我们选择使用七段式空间电压矢量脉宽调制，以便在开关损耗和输出波形质量之间保持平衡。 假设控制周期为Ts，期望矢量与α轴之间的夹角为θ，我们可以通过以下公式计算开关状态的持续时间：

零矢量的持续时间可以通过下式得到：

我们可以看到当Tx + Ty> Ts时会发生错误。 这会导致输出波形失真。 如果发生这种情况，我们可以通过以下方式缩减开关时间，使总时间不会超过控制周期：

在完成计算后我们通过单片机控制三相H桥的开关通断得到驱动电机的电压。

4 控制器的设计

4.1 电流环

为了简化计算和分析，我们选择转子坐标系作为参考坐标系。 根据转子磁场方向对电机三相电流进行Park变换后，可以得到d轴和q轴下的等效直流电流。

使用PI控制器，我们可以根据电流误差来控制输出电压。 然后计算d轴和q轴上的定子电压，并将其转换为三相电压，然后用逆变器输出。

4.2 速度环

速度环的目的是计算加速和减速过程中的输出电流。

为了消除稳态误差并提高系统的动态性能，我们使用PI控制器来控制电机速度。同时为了消除滞后，我们在控制器中加入了前馈补偿。

4.3 位置环

在位置环下，我们需要规划一个速度曲线，以在预期的速度，加速度和减速度下到達给定的位置。 通过使用磁编码器，我们可以获得电机的位置和电机的速度作为反馈，以便我们确定是否需要加速或减速。在位置控制器上我们应用了P控制器。 为了减少滞后，我们还应用了前馈补偿，最终得到位置环输出的速度命令。

5 结论

随着机器人技术的发展，机器人将进入越来越多的人们的生活。 伺服驱动轮系统可以提供高性能和高精度的速度和位置控制， 模块化设计也有助于其使用和维修的方便性，可以很好的方便小型轮式机器人的设计和控制。

（作者单位：1 东北大学信息科学与工程学院2东北大学机械工程与自动化学院）