趙志國，王 真，高 欣，戴 亮，張東寧

(1.中國國防科技信息中心，北京100036;2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

隨著航天技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展以及空間機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展完善，空間機(jī)械臂在太空探索和開發(fā)中發(fā)揮著越來越大的作用?？臻g機(jī)械臂在航天員移動工作平臺系統(tǒng)、太空垃圾抓捕、輔助交會對接以及空間站建造等系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用價值，其中空間機(jī)械臂的關(guān)節(jié)控制是空間機(jī)械臂系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之。圖1 為空間機(jī)械臂外形圖。

圖1 ETS-Ⅶ機(jī)械臂外形圖

1 基本結(jié)構(gòu)和原理

根據(jù)空間機(jī)械臂的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)應(yīng)用需求，我們研制了一種永磁同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)。該伺服系統(tǒng)具有較低的轉(zhuǎn)矩脈動和較高的轉(zhuǎn)矩輸出能力，并在運(yùn)行過程中具備優(yōu)良的低速穩(wěn)定性和高精度的定位能力，與此同時根據(jù)應(yīng)用特性，伺服系統(tǒng)還應(yīng)滿足相應(yīng)的體積與重量要求，以為模塊化關(guān)節(jié)提供運(yùn)動和動力輸出。

1.1 機(jī)械臂中永磁同步伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

機(jī)械臂中電機(jī)主要結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。

圖2 永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)中電機(jī)采用分裝式結(jié)構(gòu)，磁路部分為徑向磁路結(jié)構(gòu)，電機(jī)通過過渡件與機(jī)械關(guān)節(jié)組裝為一體，確保整個機(jī)械臂系統(tǒng)體積緊湊同時降低系統(tǒng)的重量。驅(qū)動器需要實(shí)現(xiàn)對于兩個關(guān)節(jié)的永磁同步電動機(jī)的驅(qū)動任務(wù)，受限于驅(qū)動器的空間和功耗等要求，驅(qū)動器內(nèi)部兩關(guān)節(jié)控制器排布于一塊電路板上。

1.2 主要工作原理

系統(tǒng)原理框圖如圖3 所示。

本文中伺服控制器需要實(shí)現(xiàn)對于兩個關(guān)節(jié)的永磁同步電機(jī)的驅(qū)動任務(wù)，受限于伺服控制器的空間和功耗等要求，初步擬定伺服控制器內(nèi)部包含兩個DSP 處理器，其中一個實(shí)現(xiàn)對于電壓的監(jiān)測和對于單臺永磁同步電機(jī)的驅(qū)動;另一個實(shí)現(xiàn)對于兩臺永磁同步電機(jī)的驅(qū)動。兩DSP 通過RS－422 通信接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。同時電流檢測采用高共模電壓的精密運(yùn)算放大器配合分流電阻方式實(shí)現(xiàn)。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

2 設(shè)計(jì)研究

針對空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制對永磁同步伺服系統(tǒng)的要求，本文主要進(jìn)行了以下設(shè)計(jì)研究。

2.1 低功耗電機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)

采用等效磁路法進(jìn)行方案估算、初始方案設(shè)計(jì)和類似方案的比較。根據(jù)電機(jī)初始參數(shù)運(yùn)用有限元軟件建立模型，確立幾何模型，設(shè)置材料屬性和外電路。對建好的模型進(jìn)行剖分，求解不同工況下電機(jī)的運(yùn)行特性，并對結(jié)果進(jìn)行后處理，根據(jù)后處理結(jié)果對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過優(yōu)化極靴，極槽匹配，選擇永磁體尺寸，設(shè)置繞組結(jié)構(gòu)，分析材料特性等可得最終方案。

電機(jī)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖如圖4 所示。

圖4 電機(jī)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

本電機(jī)擬采用Z =18，2p =12 結(jié)構(gòu)，利用Ansoft 2D 有限元仿真軟件對該電機(jī)進(jìn)行建模后劃分網(wǎng)格，由于該模型可以看成是由6 個單元電機(jī)組成，為減少計(jì)算機(jī)的工作量，采用單元單機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，如圖5、圖6 所示。

建立模型后，首先計(jì)算空載時的各個參數(shù)，從而得出磁路仿真圖、磁勢分布圖、空載時齒槽轉(zhuǎn)矩圖、相反電勢波形圖、線反電勢波形圖。其中，磁路仿真圖如圖7 所示，可以驗(yàn)證模型的正確性，如磁鋼特性，模型邊界的設(shè)定等;磁勢分布圖如圖8 所示，可以核對該電機(jī)各個部位的磁密是否合理;反電勢波形如圖9 所示，其正弦性是電機(jī)性能的重要參數(shù)。

圖5 電機(jī)結(jié)構(gòu)建模圖

圖6 電機(jī)2D 模型圖及網(wǎng)絡(luò)剖分圖

圖7 電機(jī)磁路仿真圖

圖8 磁密分布圖

圖9 線反電勢波形圖

圖10 加載后得到轉(zhuǎn)矩波形圖

仿真結(jié)果數(shù)據(jù)初定如下:

電壓:24 V DC;

額定轉(zhuǎn)矩:0.2 N·m;

額定轉(zhuǎn)速:5 r/min;

電機(jī)功耗:3.6 W;

電機(jī)重量:0.28 kg。

2.2 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼補(bǔ)償技術(shù)

由于項(xiàng)目對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的體積與重量的要求，采用單通道旋轉(zhuǎn)變壓器精度不能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，因而需對解碼信號進(jìn)行補(bǔ)償，再采用相應(yīng)手段對解碼信號進(jìn)行補(bǔ)償處理，使系統(tǒng)定位精度最終滿足的整體要求。

通過將單通道旋轉(zhuǎn)變壓器與高精度角度檢測裝置同軸連接。調(diào)節(jié)單通道旋轉(zhuǎn)變壓器零位與檢測裝置零位相對應(yīng)，此時可以采取手動調(diào)節(jié)的方式設(shè)置角度檢測裝置的位置至任意一個角度，同時采樣驅(qū)動電路解碼部分輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器的位置檢測值，這兩個數(shù)值之間的差值即為本次測量角度的解碼誤差值。

通過上述方法對系統(tǒng)檢測進(jìn)行多次對比分析，其誤差的重復(fù)性很好，在此基礎(chǔ)之上以此解碼誤差值作為補(bǔ)償值，根據(jù)補(bǔ)償值的正負(fù)性將旋轉(zhuǎn)變壓器的檢測值加上或減去補(bǔ)償值，所得結(jié)果作為最終的測試數(shù)值，這個方法可以有效提高檢測精度。

3 測試結(jié)果

對機(jī)械臂關(guān)節(jié)中永磁同步伺服系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)測試。電機(jī)額定電壓為24 V(DC)，轉(zhuǎn)矩0.2 N·m條件下，電機(jī)輸入功率為3.7 W，電機(jī)質(zhì)量為0.29 kg。

在將伺服驅(qū)動系統(tǒng)安裝于機(jī)械臂上之后，采用Leica 公司絕對式激光跟蹤儀AT901－LR 對機(jī)械臂位置檢測精度進(jìn)行了測試，給定指令的周期為10°，在0°至90°之間進(jìn)行往復(fù)測試，共計(jì)測量19 個點(diǎn)。如圖11 所示，以關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)，以機(jī)械臂所在平面為坐標(biāo)平面，得出的運(yùn)動軌跡實(shí)際定位誤差檢測圖。

圖11 機(jī)械臂定位誤差檢測圖

測量結(jié)果整個機(jī)械臂關(guān)節(jié)位置伺服定位誤差最大值為10.26'，而且系統(tǒng)重復(fù)定位誤差最大值僅為2.48'，基本滿足了研究目標(biāo)。

4 結(jié) 語

本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將分裝式電機(jī)與位置傳感器進(jìn)行一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效降低永磁同步伺服系統(tǒng)的整體重量;在電機(jī)電磁設(shè)計(jì)中使用合理的極槽配合配合計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行優(yōu)化，確保電機(jī)在有限重量下減小功耗以滿足空間能耗的要求;采用特殊的單通道旋轉(zhuǎn)變壓器解碼補(bǔ)償技術(shù)提高系統(tǒng)的位置伺服精度。

［1］ 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［2］ 許實(shí)章.電機(jī)學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［3］ 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電動機(jī)［M］.北京:科學(xué)出版社，1997.

［4］ 王成元，周美文，郭慶鼎.矢量控制交流伺服驅(qū)動電動機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［5］ 譚春林，劉新建.大型撓性空間機(jī)械臂動力學(xué)與減速比對振動抑制影響［J］.國防科技大學(xué)學(xué)報，2009，31(4):102－106.

［6］ 孫偉，高欣，王真，等.應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)變壓器檢測誤差查表補(bǔ)償［J］.微特電機(jī)，2014，42(1):66－68.

［7］ ATTAIANESE C，TOMASSP G，DEBONIS D. A low cost resolver－to－digital converter［C］//IEEE International Electric Mathines and Drives Conference，2001:917－921.

［8］ HANSELMAN C. Resolver signal requirements for high accuracy resolver－to－digital conversion［J］. IEEE Trans. on Ind. Electron.，1990，37(6):556－561.

［9］ BOYES G E. Synchro and Resolver Conversion［M］. Analog Devices Inc.，1980.

［10］ ILC Data Device Corporation.Synchro Conversion Handbook［M］.ILC Data Device Corporation，1982.