變電站軌道式巡檢機器人驅動系統(tǒng)設計

趙金洋,張洪麗,張鵬程

山東交通學院工程機械學院,山東 濟南 250357

0 引言

變電站軌道式巡檢機器人可按預定時間間隔和路徑,借助傳感器和攝像頭自動巡檢,發(fā)現(xiàn)異常及時報警,減少人員風險,提高巡檢效率和頻率,也可分析處理收集的信息,預測潛在故障,提高設備的可靠性和可用性。

大部分變電站軌道式巡檢機器人的運行軌道為室內懸掛式軌道,對變電站開關柜進行直線往復巡檢工作時,需通過自身搭載的攝像頭拍攝現(xiàn)場儀表與開關圖像,上傳至監(jiān)控平臺完成巡檢任務[1-3]。為確保所拍攝的圖片質量,要求機器人整體運行平穩(wěn),響應快、運行精確、可靠性高。

機器人的驅動系統(tǒng)主要分為直流有刷電機驅動系統(tǒng)、步進電機驅動系統(tǒng)和直流無刷電機驅動系統(tǒng)3類。直流有刷電機驅動系統(tǒng)可實現(xiàn)閉環(huán)精確控制,但因機械電刷的換向特性,輸出效率低、摩擦發(fā)熱快、使用壽命短等,不適于在變電站長時間工作[4-5]。步進電機驅動系統(tǒng)可滿足變電站長時間工作需求,避免了機械電刷換向帶來的問題,但此系統(tǒng)采用開環(huán)控制,實際應用中因機器人掛載設備較重易產(chǎn)生丟步現(xiàn)象,影響運行的精確性[6-7]。采用無刷電機和矢量控制技術的直流無刷電機驅動系統(tǒng)開發(fā)成本較低,避免了機械電刷換向特性帶來的問題,采用閉環(huán)控制策略保證機器人運行時的精確度要求,成為此類機器人驅動系統(tǒng)的首選方案,但因電機本身的磁場換向特性,電機轉速的穩(wěn)定性及機器人的可靠性較低[8-9]。

為提高機器人整體的可靠性,改善電機轉速穩(wěn)定性差的問題,綜合考慮同類軌道式巡檢機器人的設計要求及變電站巡檢任務要求,本文采用可靠性高、功率密度大、效率高、換相平滑的永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor,PMSM)[10]為驅動電機,設計機器人的機械結構、驅動電機、驅動控制系統(tǒng),完成機器人PMSM驅動系統(tǒng)的設計任務,進行仿真模擬與實物平臺試驗驗證,實現(xiàn)機器人的穩(wěn)定運行。

1 機器人PMSM驅動系統(tǒng)設計

變電站軌道式巡檢機器人的PMSM驅動系統(tǒng)控制PMSM輸出恒定轉速,通過齒輪傳動使機器人主動輪恒速轉動,實現(xiàn)機器人勻速穩(wěn)定運行。機器人執(zhí)行巡檢任務時要求運行平穩(wěn),變速快速精確,結合同類變電站軌道式巡檢機器人的設計參數(shù),確定機器人驅動系統(tǒng)的技術指標要求為:勻速運行時最大行走速度為2 m/s,總質量m≈20 kg,1 s內加速至最大行走速度2 m/s。按此技術要求進行機械結構設計、電機選型,設計電機的驅動控制系統(tǒng)。

1.1 電機選型

軌道式巡檢機器人的機械結構如圖1所示。PMSM水平放置,機器人的傳動系統(tǒng)為多級齒輪傳動。機器人掛載軌道與運行方式如圖2所示,機器人沿軌道直線運動時受摩擦力f和重力G=mg作用,摩擦力f的方向與機器人運動方向相反。

圖1 軌道式巡檢機器人的機械結構示意圖 圖2 機器人掛載軌道與運行方式示意圖

與電機相連的主動齒輪齒數(shù)為17,分度圓半徑R1=30 mm,質量m1=0.06 kg。與主動齒輪嚙合的從動齒輪齒數(shù)為34,分度圓半徑R2=100 mm,質量m2=0.20 kg。驅動齒輪組起傳動作用,由2個相同齒輪組成,單個齒輪齒數(shù)為34,分度圓半徑R3=100 mm,質量m3=0.20 kg。機器人行走主動輪半徑R4=15 mm,質量m4=0.50 kg,從動輪隨主動輪轉動,輔助機器人移動,從動輪的半徑、質量與主動輪相同。主動齒輪與機器人行走主動輪的傳動比i=2,齒輪間的傳動效率η=95%。

計算機器人勻速運行的電機功率

P=μmgv,

式中:μ為巡檢機器人驅動輪與軌道間的動摩擦因數(shù),g為重力加速度,v為機器人運行時的最大速度。

機器人勻速運行時,電機轉速n=60i/(2πR4),電機軸轉矩M=μmgR4/(iη)。電機轉子的總轉動慣量J=(m4R42+m3R32)/(2i2η)。機器人加速運行時,電機軸轉矩

Ms=M+Jα/(iη),

式中α為電機轉軸角加速度。

經(jīng)計算得:P=156.8 W,n=2 548 r/min,J=0.277 8 g·m2,M=0.619 N·m,Ms=0.638 N·m。

綜合考慮各參數(shù)匹配度與機器人電機選型原則[11-12],選取表貼式ASM200電機,參數(shù)如表1所示。

表1 表貼式ASM200電機參數(shù)

1.2 驅動控制系統(tǒng)設計

PMSM系統(tǒng)是多變量、非線性、強耦合的系統(tǒng),采用矢量控制(field oriented control,FOC),可將PMSM控制系統(tǒng)由復雜的非線性交流電機系統(tǒng)等效為易于控制的直流電機系統(tǒng)[13-15]。PMSM的電流閉環(huán)矢量控制如圖3所示。確定電機參數(shù)后,通過FOC的Clarke坐標變換與Park坐標變換,建立電機的兩相同步旋轉坐標軸線性數(shù)學模型;通過傳感器采集電機三相電流參數(shù)和電角度信息,FOC將三相PMSM矢量轉化為d軸和q軸控制器所需電流Id、Iq和電壓Vd、Vq,在d軸和q軸上分別控制,通過比例-積分(proportional-integral,PI)控制器生成可控制電機輸出的電壓信號Vα、Vβ;對電壓信號Vα、Vβ進行空間矢量脈寬調制(space vector pulse width modulation,SVPWM),生成3個開關作用時間信號Tcm1、Tcm2、Tcm3;將Tcm1、Tcm2、Tcm3與定時器中心計數(shù)模式產(chǎn)生的三角波信號相比,生成脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)波形信號,輸入全橋逆變器,生成控制電機旋轉的交流電壓信號Va、Vb、Vc。為方便實際工程調試,引入比例-積分-微分(proportional-integral-derivative,PID)控制器調節(jié)控制系統(tǒng)。電流閉環(huán)控制的目標是使電機轉矩與調節(jié)電流的PID控制器輸出產(chǎn)生對應關系,電機輸出轉速受轉矩影響,可通過電流閉環(huán)控制穩(wěn)定輸出電機轉速,實現(xiàn)電機運行時的轉矩穩(wěn)定。實際運行時,機器人需根據(jù)巡檢任務要求改變現(xiàn)行速度并快速達到設定速度,實現(xiàn)運行速度的自動控制。在電流閉環(huán)控制的基礎上引入速度PID控制,實現(xiàn)PMSM系統(tǒng)的速度-電流雙閉環(huán)控制,如圖4所示,在電流閉環(huán)控制的基礎上通過傳感器測得實時運行角速度ω,計算實時運行速度與參考速度ωref的偏差,將偏差輸入PID控制器,通過PID控制器動態(tài)控制電流環(huán)中q軸的輸入電流Iq_in,使電機輸出轉速快速收斂至給定參考轉速。

圖3 PMSM電流閉環(huán)矢量控制示意圖 圖4 PMSM速度-電流雙閉環(huán)控制示意圖

1.3 驅動控制系統(tǒng)硬件方案設計

STM32單片機運算性能高,功耗低。選用STM32F446為主控芯片,DRV8301為電機驅動芯片,開發(fā)的控制系統(tǒng)如圖5所示。STM32F446主控芯片輸出PWM信號到DRV8301,DRV8301與STM32F446主控芯片間通過串行外設 (seriel peripheral interface, SPI) 接口通信,由SPI接口通信配置DRV8301的工作模式和電流控制方式等相關參數(shù),DRV8301接收PWM信號,放大一定比例,生成可驅動三相逆變器金屬氧化物半導體型場效應管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)的PWM信號,三相逆變器生成等效的交流電壓控制PMSM旋轉。DRV8301也可通過SPI接口向主控芯片發(fā)送電機電壓、電流和溫度等狀態(tài)信息,在三相逆變器的下橋臂采集電機運行時的電流信號,通過DRV8301內置運算放大模塊計算,輸出到STM32單片機模擬數(shù)字轉換(analog-to-digital converter,ADC)模塊,霍爾傳感器采集PMSM運行時的電角度信號后輸出到ADC模塊,可實現(xiàn)運行時電流信號與電角度信號的實時采集反饋,采集到的信號在STM32單片機運算模塊進行FOC、SVPWM調制、PID算法等相關運算,構成完整的電流-速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。主控芯片通過通用同異步串行接收發(fā)送器(universal synchronous asynchronous receiver transmitter,USART)與上位機通信,檢測電機運行狀態(tài),調試控制系統(tǒng)。

1.4 驅動控制系統(tǒng)軟件方案設計

以軟件IAR Embedded Workbench為開發(fā)平臺,采用C語言編寫PMSM控制程序,如圖6所示。PMSM控制程序分為硬件初始化、主程序循環(huán)、中斷服務程序3部分,各部分程序的流程如圖7所示。

圖6 PMSM控制程序流程圖 a) 硬件初始化 b)主程序循環(huán) c)中斷服務程序 圖7 各部分程序流程圖

硬件初始化時包括系統(tǒng)初始化、DRV8301初始化、SVPWM控制初始化3部分:系統(tǒng)初始化包括設置時鐘、初始化通用輸入輸出(general purpose input output,GPIO)端口、初始化定時器、配置ADC和設置SPI參數(shù);DRV8301初始化包括配置SPI參數(shù)和參數(shù)寫入寄存器;SVPWM控制初始化包括復位PWM、初始化PID控制器和初始化變換矩陣。

運行主程序時,通過主控芯片ADC讀取電機電流和電角度的模擬量信號,計算讀取的電機電流和電角度模擬信號,轉化為數(shù)字信號,將數(shù)字電機電流與電角度信號進行FOC坐標變換計算和PID、SVPWM相關運算,根據(jù)計算結果生成PWM輸出。后續(xù)等待控制命令或中斷信號,若未檢測到控制命令或中斷信號,則不斷重復上述步驟。若檢測到控制命令或中斷信號,則跳出主程序,執(zhí)行中斷服務程序。

中斷服務程序中的核心是PWM中斷子程序。由控制器讀取ADC中電機兩相電流Ia、Ib及霍爾傳感器電角度θ,計算第三相電流Ic,并對Ic進行Clarke變換與Park變換,得到d軸電流Id與q軸電流Iq,對Id、Iq執(zhí)行PID計算,得到d軸電壓Vd與q軸電壓Vq,對Vd、Vq進行Park變換后執(zhí)行SVPWM運算,生成控制PWM信號,運行中斷服務程序后將PWM信號更新到主程序,繼續(xù)運行主程序。

2 仿真與試驗分析

采用軟件MATLAB Simulink搭建仿真模型與實物試驗時,需設定系統(tǒng)參考電流。采用控制形式為Id=0,d軸不產(chǎn)生電樞反應,即不產(chǎn)生轉矩。此時表貼式PMSM中軸電流用作產(chǎn)生電磁轉矩,d-q軸電壓實現(xiàn)變量解耦,改變Iq可控制PMSM的轉矩和轉速[16-17]。

2.1 仿真模型及結果分析

按設計驅動控制系統(tǒng),采用MATLAB Simulink仿真模塊搭建PMSM電流閉環(huán)仿真模型,采用MATLAB的FCN模塊導入編寫的程序進行矢量控制,根據(jù)PMSM額定電壓設置參考Id=0,Iq=2 A,對電機選用Permanent Magnet Synchronous Machine模塊。

對三相逆變器選用Universal Bridge模塊,根據(jù)表1的電機參數(shù)設置電樞電感、定子相電阻,磁鏈值/轉動慣量、黏滯摩擦系數(shù)、極對數(shù)、靜摩擦力,反電動勢為類正弦波,整定控制系統(tǒng)中PI控制器(proportional integral controller,比例調節(jié)和積分調節(jié)控制器)的P增益與I增益時,引入電流環(huán)帶寬

ωc=2π{R0}Ω/{L}H,

式中:R0為定子電阻,L為定子電感。

電流環(huán)控制系統(tǒng)的P增益KP=Lωc,I增益KI=R0ωc。為便于觀測,設置仿真時間為1 s。經(jīng)計算得到ωc=6 283 Hz,KP=2.827 35,KI=2 827.35。

搭建的仿真模型如圖8所示,仿真模型中PMSM相關參數(shù)配置如表2所示,在電流環(huán)控制的基礎上搭建速度-電流雙閉環(huán)仿真模型,如圖9所示。

圖8 PMSM電流環(huán)Simulink仿真模型

表2 PMSM仿真參數(shù)

速度環(huán)PI控制器中的P增益

KPV={β}J/(1.5p{Φf}),

式中:{β}為速度環(huán)帶寬β的數(shù)值,β=100 Hz;p為電機極對數(shù);{Φf}為以T為單位的電機磁通Φf的數(shù)值。

圖9 PMSM速度-電流雙閉環(huán)仿真模型

I增益KIV=βKPV。代入電機相關參數(shù),計算得到KPV=0.109,KIV=10.9。

將電流環(huán)及速度環(huán)的P增益與I增益分別代入仿真模型,設定參考速度環(huán)轉速為80 rad/s,PMSM電流環(huán)仿真結果如圖10所示,PMSM速度-電流雙閉環(huán)轉速仿真如圖11所示。

圖10 PMSM電流環(huán)轉速仿真結果 圖11 PMSM速度-電流雙閉環(huán)轉速仿真結果

由圖10可知:在電流環(huán)控制系統(tǒng)的作用下,運行約0.1 s后PMSM達到參考轉速并保持穩(wěn)定。說明所設計的電流環(huán)控制系統(tǒng)可確保PMSM穩(wěn)定輸出轉速,保證機器人長時間穩(wěn)定執(zhí)行巡檢任務。轉速受轉矩影響,說明輸出轉矩穩(wěn)定,不會對系統(tǒng)產(chǎn)生頻繁沖擊,保證系統(tǒng)可靠。

由圖11可知:在速度-電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)作用下,運行約0.01 s后PMSM達到參考轉速80 rad/s,精確穩(wěn)定,控制過程中PMSM轉速無劇烈波動。速度-電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)使PMSM快速穩(wěn)定在參考速度的時間比電流環(huán)控制系統(tǒng)更短,保證機器人快速精準運行。

2.2 實物試驗平臺及結果分析

根據(jù)驅動系統(tǒng)設計方案搭建的驅動系統(tǒng)試驗平臺,如圖12所示。驅動系統(tǒng)由24 V穩(wěn)壓電源供電,上位機軟件為MATLAB,采用表貼式ASM200永磁同步電機,由霍爾傳感器采集電機運行時的電角度信號,由USB連接驅動控制板和計算機,實現(xiàn)與上位機的通信,調試器STlink將IAR Embedded Workbench中的控制代碼下載至控制驅動板進行系統(tǒng)調試。根據(jù)速度-電流雙閉環(huán)仿真模型設置控制程序中的PI參數(shù)后,在平臺進行電機空載與帶載轉速試驗,通過電機空載轉速試驗與帶載轉速試驗驗證所設計驅動系統(tǒng)的實際可行性。

驗證驅動控制系統(tǒng)的實際可行性,進行電機空載轉速試驗,電機的期望轉速應與速度-電流雙閉環(huán)仿真模型中速度環(huán)參考轉速保持一致,設置電機期望轉速為80 rad/s,通過上位機查看電機空載轉速試驗結果,如圖13所示。由圖13可知:采用速度-電流雙閉環(huán)控制的PMSM轉速無超調快速收斂到期望轉速,轉速無明顯波動,與仿真結果一致。說明所設計的驅動控制系統(tǒng)能夠達到快速、穩(wěn)定、可靠、精確控制電機轉速的要求,所設計的驅動控制系統(tǒng)實際可行。

圖12 PMSM實物試驗平臺 圖13 PMSM空載轉速試驗結果

在驅動控制系統(tǒng)實際可行的前提下,在實物試驗平臺的基礎上設計電機等質量帶載試驗驗證驅動系統(tǒng)的實際可行性,如圖14所示。通過聯(lián)軸器連接PMSM與電機轉軸,電機轉軸與帶有軸承的軸承座相連,軸承座下掛20 kg負載鐵塊模擬機器人質量,轉軸末端連接機器人的驅動輪,機器人驅動輪放置在H型鋼軌道截面上,模擬機器人運行工況。試驗前,檢查PMSM上的電機位置傳感器是否正常工作,此傳感器提供準確的轉子位置和角度反饋信息,確保PMSM穩(wěn)定運行并滿足精確控制運行速度的要求,電機位置傳感器正常工作是PMSM驅動系統(tǒng)穩(wěn)定精確運行的前提[18-20]。電機位置傳感器可正常工作時,根據(jù)Simulink仿真模型在控制程序中設置相應的控制環(huán)PI參數(shù)。

實際工況下機器人正常勻速運行時的速度小于機器人按最大行走速度勻速運行時的速度2 m/s,說明機器人在正常勻速運行時的電機轉速小于機器人按最大行走速度勻速運行時的電機轉速2 548 r/min(42 rad/s)。為更貼合實際工況,在進行電機等質量帶載試驗時,選取的電機期望轉速應小于42 rad/s,設置電機的期望轉速為40 rad/s。通過上位機查看電機帶載運行的轉速情況,試驗結果如圖15所示。由圖15可知:電機帶載運行正常,電機轉速無超調快速收斂至期望速度,轉速無明顯波動。說明在實際工況下,本文所設計的變電站軌道式巡檢機器人PMSM驅動系統(tǒng)運行快速、穩(wěn)定、可靠、精確,符合預期設計要求,實際可行。

圖14 PMSM等質量帶載試驗平臺 圖15 PMSM帶載轉速試驗結果

3 結束語

根據(jù)變電站軌道式巡檢機器人機械參數(shù),選取表貼式ASM200的永磁同步電機作為變電站軌道式巡檢機器人的驅動電機,設計機器人的驅動系統(tǒng),進行仿真與實物試驗驗證。采取電流-速度雙閉環(huán)矢量控制方式,電機的轉速無超調穩(wěn)定收斂至參考轉速,說明變電站軌道式巡檢機器人PMSM驅動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、可靠性良好,能滿足變電站巡檢任務的相關指標要求。電機在空載與帶載試驗中均能穩(wěn)定精確運行,說明本設計方案實際可行。

PMSM矢量電流閉環(huán)控制系統(tǒng)依賴電機轉子位置傳感器的作用,若出現(xiàn)傳感器采集精度偏差、傳感器損壞等問題,驅動系統(tǒng)無法精確運作,影響巡檢任務和電力系統(tǒng)效益。可進一步研究電機無位置傳感器工況下PMSM驅動系統(tǒng)在變電站軌道巡檢機器人上的應用。