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[doc] “袋鼠”跳跃机器人用无刷直流电动机研究

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[doc] “袋鼠”跳跃机器人用无刷直流电动机研究[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...
[doc] “袋鼠”跳跃机器人用无刷直流电动机研究
[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: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. l T 暑l ? 3盘 窒 0.32 0.20.40.60.81.01.2 tls 图3电机实测转速曲线和泵压力曲线 参考文献 李钟明,刘卫国,稀土永磁电机[J].国防工业出版 社,1999. 尹衍辰,范瑜.基于DSP的永磁无刷直流电机控制器设计 [J].微电机,2005,38(2). 彭天好,徐兵,杨华勇.变频液压技术的发展及研究综述 [J].浙江大学,2004,(2):215-217. PaoloFiorini,JoelBurdick.TheDevelopmentofHoppingCapa— bilitiesforSmallRobots[J].AutonomousRobots,2003,14: 239-254. 徐国华,张军胜,向先波,等.直流无刷电机驱动的水下电 缆绞车系统[J].海洋工程,2006,(12):123—129. 谭弗娃,金如麟.电机与拖动与控制基础[J].上海:上海 交通大学出版社,2002. B.K.Lee,StudentMember,M.Ehsani.AdvancedBLDCMotor DriveforLowCostandHishPerformancePropulsionSysteminElec— tricandHybridVehicles[C].ElectricMachinesandDrivesConfe~ enPA~.2001:246-251. 作者简介:江曼(1983一),女,硕士研究生,研究方向为 运动控制. 刘卫国(1960一),男,教授,博导,从事电机设计,运动控 制等方面的研究. (上接第10页) [2]LiaoYuefeng,LiangFeng,LipoTA.ANovelPermanentMag— netMotorwithDoublySalientStructure[J].IEEETransonTIA, 1995,31(5):1069—1078. [3]程明.双凸极变速永磁电机的运行原理及其静态特性线性分 析[J].科技通报,1997,13(1):16-20. [4]ChengMing,ChauKT,ChanC.C.ANewDoublySalientPer- manentMagnetMotor[J].ProceedingsofIEEEPEDES98Aus— tralia,1998,2-7. [5]陈世元.交流电机磁场的有限元分析[M].哈尔滨:哈尔滨 工程大学出版社,1998. [6] [7] 王周叶,陈世元.外转子双凸极永磁电动机有限元分析[J]. 微电机,2006,39(9):16—18. 郭建龙,陈世元.外转子双凸极永磁电机电枢磁场对绕阻电 感特性的影响[J].微电机,2007,40(2):5-8. 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. ? 25? i]in
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