水下機器人關節電機驅動系統研究

賀 磊，徐國華，劉亞平

（華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢，430074）

0 引 言

近些年隨著漏油等水下事故的頻繁發生，人們對水下作業需求的關注程度日益提高。由于水下事故環境比較惡劣，人類常常無法直接作業，往往需要借助水下機器人。為了使機器人具有靈巧水下作業的能力，研究人員常在其上搭載操作臂。因此，操作臂的關節驅動就成了相關研究中的關鍵。

和液壓、氣動等驅動方式相比，電氣驅動具有體積小、功耗小、精確度高等優點，故本研究選用直流電機進行關節驅動。另外，由于水下電機內部常常充油以提高耐壓能力，有刷直流電機電刷的摩擦會帶來粉末，導致油絕緣性能的降低與密封問題，因此該機器人采用無刷直流電機。

近年來，在水下無刷直流電機驅動系統領域的研究主要有：Wael Salah等[1]研制了用于水下應用的永磁無刷直流電機驅動系統；徐國華等[2]研制了用于水下絞車的驅動系統；楊申申等[3]研制了水下無傳感器無刷直流電機驅動系統。由于水下環境的嚴酷性，對驅動系統的體積、功耗等都有較高要求。上述成果都采用驅動電路與電機分離的形式，且整板體積和功耗較大，沒有充分滿足水下作業需求。

本研究提出一種用于深海無刷直流電機的小型化、低功耗驅動系統，經過特殊處理后可以被直接裝入關節電機中。

1 關節驅動原理

1.1 操作臂系統結構

這里研究的系統是一臺用于水下剪纜作業的兩功能水下機器人操作臂。該系統采用主機、運動控制器、驅動器、傳感器與負載5個部分構成的數字運動控制體系結構。

驅動系統的主機為一臺微型個人計算機，它通過和驅動板通信完成操作臂的監視與控制。驅動板由運動控制器和電機驅動器兩部分構成，用于進行電機的速度調節與功率驅動。無刷直流電機和操作臂構成驅動系統的負載，其中電機用于將驅動器輸出的電能轉換為驅動操作臂的機械能，而操作臂用于完成剪纜作業。操作臂本體由做回轉運動的大臂、做伸縮運動的小臂以及手爪3部分構成。為了提高位置、速度精度和工作力矩，電機輸出連接有減速裝置，其中回轉關節采用諧波傳動減速器，伸縮關節采用螺旋結構。另外，電機內部裝有呈120°環形均勻分布的數字霍爾傳感器，用以檢測轉子轉角。整個操作臂設計工作在水下70 m以上的空間，采用O型橡膠圈和四氟乙烯環組合密封[4-5]。

1.2 操作臂系統運行原理

操作員通過電機控制界面監控電機運行狀態并輸入控制命令以操作機械臂?？刂泼钔ㄟ^串口通信被發送給驅動板中的微控制器。微控制器根據命令輸入、反饋輸入和當前狀態做出決策，向驅動器發送電機控制信號。驅動器利用霍爾傳感器輸入、微控制器輸入產生柵極驅動信號，這些信號經過內置三相逆變器進行功率轉換從而驅動電機運轉。電機將三相輸入電氣功率轉換為轉子機械功率帶動齒輪、螺桿旋轉，最終帶動末端執行器作業。

2 驅動系統硬件設計

驅動系統硬件可以分為兩個部分：①運動控制器，它是信號存儲與處理電路，主要完成位置和速度調節；②電機驅動器，它是功率放大和變換電路，主要完成電機驅動。

由于操作臂在深海作業，承受水壓較高，操作臂需要嚴格密封且驅動系統體積應當盡可能小。另外，由于實際工作中系統采用電池供電，要求驅動系統低功耗。

2.1 小型化與低功耗策略

實現小型化的主要方法是在驅動板中采用高集成度器件、小面積封裝與多層PCB布局。驅動電路可以采用靈活性高的分立器件實現，但是它具有體積過大、可靠性和效率不高等缺點。國際上很多半導體公司推出了具有高集成度的微控制器和驅動器，這些器件為驅動板的小型化提供了保證[6]。這里，運動控制部分核心芯片采用美國德州儀器TI公司的MSP430F149微控制器，驅動部分核心芯片采用日本三洋（Sanyo）公司的LB1975集成電機驅動器。MSP430F149在片上集成了特別適合用于電機控制的定時器、模數轉換器、數字I/O等外設，而LB1975驅動器在一個尺寸僅有26.75mm×12.7mm的芯片上集成了用于電機驅動的柵極驅動器、三相逆變器、位置解碼器、PWM發生器、電流檢測單元以及欠壓、過流保護單元等。對于器件封裝，盡量選用薄而小的SMT器件。另外，本研究還采用了雙面PCB布局。這些措施使得驅動板的面積很小，僅為53 mm的圓環，經過特殊處理后可以直接裝入無刷直流電機中，如圖1所示（其中：左側為初期驅動板，右側為最終經特殊處理后可放入關節電機的驅動板）。

圖1 水下機器人關節電機驅動板

實現低功耗的主要方法是采用低功耗器件和有效管理電能。前者是從硬件上而后者是從軟件上降低功耗。低功耗器件的選用應當考慮如下幾點：

（1）選用數字CMOS器件。這里選用的MSP430F149和LB1975都是數字CMOS器件。通過數字技術使晶體管偏置在截止區和飽和區，極大地降低了器件功耗[7]。從制造工藝上來說，由于CMOS具有互補的MOS晶體管，這使得器件具有高輸入阻抗和單MOS管導通特性，進一步降低了系統功耗。

（2）采用高集成度器件。高集成度可減小互連帶來的寄生效應，降低功耗、提高器件穩定性。

（3）采用低電壓、低頻率配置。對于CMOS工藝器件，總功耗可以分為靜態功耗和動態功耗，其中動態功耗是主要部分，可以由下式估算[8]：

式中：PT—總動態功耗，CPD—功耗電容，CL—負載電容，VCC—電源電壓，f—開關頻率。

從而可以得出：在器件一定的條件下功耗和電源電壓的平方以及頻率成正比?；谙到y的性能要求，本研究將微控制器的工作電壓配置在3.3 V，時鐘頻率為32 kHz，這樣可以大大降低功耗。有效管理電能的策略有：

（1）采用低功耗模式。微處理器的功耗主要集中在高速的CPU上，MSP430中多種低功耗模式使其在空閑時可以停止工作，為省電提供了便利。

（2）模塊選擇性啟用。對于集成外設，由于具有靈活的時鐘系統，可以隨時啟用、禁用以進一步降低功耗。MSP430中的智能自主外設可以自主地運行，將CPU時間大大減小，當需要其服務時，可以瞬時喚醒它[9]。經過測試，驅動系統的靜態功耗約為0.24 W，而動態功耗約為0.5 W。

2.2 驅動系統硬件體系

本研究中，驅動板采用微控制器MSP430F149作為運動控制器的核心處理器，主要完成對電機的位置和速度控制以及與計算機、數模轉換器和驅動器的通信，核心電路如圖2所示。

圖2 運動控制器PWM調節部分電路原理圖

微控制器通過啟/停、正/反轉數字信號與占空比模擬信號來控制驅動器。由于核心微控制器內部沒有數模轉換器，且電源電壓為3.3 V，外圍添加了數模轉換器與電平轉換器件。

驅動器LB1975接收來自控制器的信號以及電機內置三相霍爾效應傳感器的反饋脈沖信號，核心電路如圖3所示。

圖3 驅動器主要部分電路原理圖

由于驅動器對霍爾輸入的引腳電壓和共模電壓有要求，霍爾信號先要經過R12～R22構成的電阻網絡進行電壓調理后才能進入驅動器。進入驅動器的霍爾信號經過施密特觸發器整形后輸入位置解碼器。位置解碼器和PWM發生器依據霍爾信號和模擬電壓共同產生柵極驅動信號。柵極驅動信號經過柵極驅動器的功率放大后給內置逆變器晶體管柵極充、放電。逆變器輸出端直接連接到電機三相繞組，它將來自直流電源的直流電壓變換為適應無刷直流電機的梯形反電動勢的相電壓以進行電機驅動。

3 驅動系統軟件設計

驅動系統軟件設計包括兩個部分，即：①微控制器軟件設計；②電機控制界面設計，兩者通過串口通信相互傳遞信息。

3.1 微控制器軟件設計

驅動系統設計為基于事件的采樣數據系統，即在每次霍爾邊沿到來時進行一次位置、速度采樣和信號處理[10]，當處理完畢后立即進入低功耗模式，這樣可以避免額外的軟件執行帶來的功耗。

整個軟件流程如圖4所示。

圖4 控制微控制器軟件流程圖

3.2 電機控制界面設計

為了能夠對操作臂驅動系統進行可視化監督與控制，這里設計了電機控制界面。界面的開發采用基于Windows XP操作系統的Microsoft Visual C++6.0。

界面實現了兩個主要功能：

（1）實時監視。每當電機換相時，霍爾脈沖邊沿會觸發微控制器中斷，微控制器將啟/停、正/反轉、換相間隔時間等狀態信息發送給計算機。計算機對這些信息進行處理，然后將電機狀態以數據和曲線的方式顯示出來，并提供了數據存儲功能，方便后期數據處理與分析。

（2）電機控制。為了使操作臂完成復雜的操作，本研究制定了一系列基本動作控制指令，并提供了命令行與GUI兩種控制方式。當操作員對電機進行操作時，界面軟件通過使用Remon Spekreijse提供的CSerialPort類向串口緩沖區寫數據，然后由操作系統完成數據的傳輸。

電機控制界面流程如圖5所示。

圖5 電機控制界面軟件流程圖

最終設計的電機控制界面如圖6所示。

圖6 電機控制界面

4 關節驅動實驗

本研究在將操作臂與驅動系統裝配完成之后進行了速度實驗。電機啟動時給定轉速輸入120 r/min，用以考察驅動系統的性能，獲得的速度曲線如圖7所示。

圖7 關節電機轉速曲線圖

從圖7中可以看出，對于開環速度實驗，帶負載時穩態速度偏離給定值50 r/min，電機在1 s時跟蹤給定速度，并在給定速度附近波動。

波動的原因主要有兩個：

（1）在電機的數字控制中，速度是以數字量表示的，因此速度是離散的。當期望速度在兩個離散速度值之間時，實際速度就會在期望速度上下跳動。這種情況下，波動是數字系統固有的，無法消除，只能通過提高D/A轉換器的精度來減小。

（2）操作臂在運動時受力狀況不斷變化帶來擾動的變化，從而使得速度偏離給定值，這種情況可以通過更加優越的算法來消除。

圖8 操作臂驅動實驗

5 結束語

本研究介紹了一套水下機器人關節電機驅動系統的組成、設計與測試，并從硬件和軟件兩個角度重點研究了系統的小型化和低功耗問題。研究結果表明：

（1）通過采用高集成度器件、小面積封裝以及多層板設計能夠有效地減小電路面積，使得器件分布在外徑僅為53 mm的圓環電路上，經過特殊處理后能夠直接放入電機中。

（2）采用低功耗器件、數字驅動器，并有效地管理電能，能夠有效地減小系統功耗，使得驅動系統的靜態功耗僅為0.24 W，而動態功耗為0.5 W，均滿足水下作業時的低功耗需求。

（References）：

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