一种智能移动机器人轮毂电机伺服驱动器并联控制方法与流程

1.本发明涉及智能移动机器人轮毂电机驱动领域，特别涉及一种智能移动机器人轮毂电机伺服驱动器并联控制方法。


背景技术：

2.智能移动机器人多依靠轮毂电机驱动完成行走动作。而轮毂电机本质为伺服电机，由对应的伺服驱动器驱动。
3.智能移动机器人要自主行走，一般靠体内安装的电池供电。移动机器人出厂设计有额定负载，原则上其负载应在设计的额定范围之内，超出额定负载会直接影响移动机器人的行走性能和安全。
4.在实际应用场景中，不同的移动机器人会有不同的负载能力，在设计之初对轮毂电机的承载能力及驱动能力就会有不同的要求和选择。影响移动机器人承载能力的主要因素有，轮毂尺寸，轮毂电机功率大小，轮毂的承载能力等。不同的轮毂电机需要对应选择功率水平相当的伺服驱动器进行驱动匹配。
5.传统上，一台轮毂电机由一台伺服驱动器驱动，伺服驱动器的功率水平匹配该伺服电机。
6.在移动机器人轮毂电机驱动系统的模块化驱动设计中，轮毂电机的驱动配置可以是多个小功率驱动器并联方式进行配置匹配。具体为，采取伺服驱动器并联工作的模式驱动轮毂电机。比如，一台额定功率为1kw的轮毂电机可以由2台额定功率为0.5kw的伺服驱动器并联工作，共同驱动；重载移动机器人，采用2kw的轮毂电机，则可以由4台0.5kw的伺服驱动器并联控制；这种模块化的设计结构具有结构紧凑，适应性强，快速装置灵活的特点，在实际应用中具有单台驱动器不可比拟的优势。而采用的伺服驱动器均具有超小体积和高功率密度，即使若干台并联使用，综合占据空间也不会太大，整体结构非常紧凑，同时兼具冗余化设计的优点。
7.目前，移动机器人轮毂电机伺服驱动系统常规结构形式是：一台轮毂电机搭配一台伺服驱动器驱动，伺服驱动器的驱动能力与轮毂电机相匹配。这种驱动方式技术成熟，行业标配，通行做法。
8.而驱动器并联工作的方式，采用在智能移动机器人轮毂电机驱动上，是一种创新，也是一种挑战。
9.但本发明讨论的重点不在驱动器并联用于智能移动机器人上这种创新型的拓扑方案，而是重点解决的是驱动器并联工作时，为减小环流或消除环流而提出的一种控制方法。
10.驱动器并联工作时，容易在多台驱动器之间形成环流，可能导致驱动器工作可靠性降低甚至烧毁。
11.在实践中，这是一个技术难点。
12.一般的驱动器并联硬件拓扑结构如图1所示(以2台驱动器并联为例)：
13.在硬件结构上，每台驱动器输出端串联电抗器，如驱动器1输出端串联电抗器l1，驱动器2输出端串联电抗器l2。串联电抗器的主要目的是增加驱动器的输出等效阻抗，减小环流的不利影响。
14.电机编码器信号同时输入给各并联驱动器。
15.但实际上，单靠串联电抗器的方法无法消除回路中的环流，因此，需要在控制策略和方法层面提出有效的措施来降低甚至消除环流的影响。
16.对比专利1：cn105207453a，一种驱动器并联扩容方法及结构
17.在发明所述的方法中，并联的各驱动器需要有一台作为主驱动器，其余为从驱动器；该主驱动器需要向从驱动器发出同步脉冲信号，从驱动器需要将自身的三角载波与接收到的主驱动器的三角载波进行同步，同步之后产生的pwm脉冲才可以被应用为逆变器的门极触发信号。
18.这种电机驱动器硬件设计要预留触发脉冲的同步接口电路，以接收来自其他驱动器的同步脉冲，这种方法的缺点显而易见，电机驱动逆变器的开关频率一般在几千赫兹以上甚至到几万赫兹，如此高的开关频率每一个触发脉冲要做到若干并联的驱动器开关同时动作，实现难度较大，因为驱动器与驱动器之间有安装间隙，即使安装间距较近，而这么高频率的同步脉冲需要物理连线连起来，连线间距，高频干扰，都可能影响同步脉冲的正常输出与接收，一旦某个脉冲受到干扰，导致的最坏结果可能就是某驱动器直接上下桥臂直通烧毁，这是这种物理连线造成的最可能的结果，也是其最大弊病。
19.再者，根据该发明的内容，该发明可能仅适用于进行正弦调制的变频器类驱动器，对于矢量控制方式的伺服驱动器该方法可能并不合适。
20.对比专利2：cn105553239a,一种主从并联分离控制的变频器并联控制方法。
21.该发明的基本思想和对比专利1其实是一样的，只不过在该发明中，同步机制换成了同步通讯，也就是说，同步信号由通讯信号传送，通讯信号具有同步机制，然后各并联的驱动器内部根据该同步信号计算各自的触发时刻。
22.相比对比专利1，对比专利2显然克服了对比专利1的最大弊病，改同步信号的直接物理连线传输为在通讯信号中传输，各驱动器之间仅有通讯线路连接，这是一个进步。
23.但是，对比专利2的缺点在于，面对几千甚至几万赫兹的开关频率，要实时完全依靠通讯的方式解决同步的问题，实际布置时不是说不能实现，而是这种高度实时性的要求会占据大量的通讯带宽，而且必须是实时高速通讯才可以实现如此高频率的同步。
24.而且，一般工业通讯其实时性并非是“真”的实时的，是根据离散化的时间段传输数据，也就是说，即使驱动器接收到了同步信号，那么也可能是上一个时间段的同步信号，而非当前时刻的同步信号，再加上通讯固有的误码率，干扰等影响，虽然该发明设计了相应的应对措施，但基本是“补救”动作。
25.也即是说，现有技术基本没有跳出“同步脉冲”的思维圈子，都在脉冲的“同步”上做文章，只是实现的方式不同而已。
26.而本发明，为了切实能够实现实际可操作性，从控制的本质出发从电流控制层面解决了驱动器并联结构中存在的环流问题，无需特别的外部连线，无需额外设计的硬件接口，无需考虑并联驱动器如何“同步”的问题。


技术实现要素：

27.为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种智能移动机器人轮毂电机伺服驱动器并联控制方法，本发明的技术方案是这样实施的：
28.一种智能移动机器人轮毂电机伺服驱动器并联控制方法，使用机器人控制器运行速度环，n个并联伺服驱动器执行电流环控制，机器人控制器速度环输出电流指令，通过数据通讯实时发送至n个并联伺服驱动器，同一时刻n个并联伺服驱动器接收到的电流指令是相同的值，n个并联伺服驱动器同时接收来自电机编码器的角度信息，所述电流控制环包括零序电流控制环。
29.具体步骤如下，
30.s1、机器人控制器输入指令速度并接受电机编码器反馈的电机实际速度；
31.s2、指令速度和实际速度叠加形成速度误差；
32.s3、机器人控制器根据速度误差进行速度环闭环控制；
33.s4、伺服驱动器基于机器人控制器的速度闭环输出作为给定电流进行电流闭环控制；
34.s5、电流监测单元监测实际电流值，并经过坐标变换分解出零序电流，在驱动器内部形成包括零序电流环控制的电流闭环控制；
35.s6、给定电流和实际电流结合零序电流叠加形成电流误差；
36.s7、伺服驱动器根据电流误差进行电流环闭环控制和零序电流环闭环控制。
37.优选地，所述电流环闭环控制包括电流传感器增益。
38.优选地，所述零序电流环增益系数满足如下公式，
[0039][0040]
式中，k
current
为电流传感器增益系数，λ
ref
为系统电流环在频域中的所选取的特征值，k0为零序电流分量的控制增益系数，k
inv
为驱动器内部增益系数，(l1 l2 ......ln)为所有驱动器输出端串接的电抗器的电感值之和。
[0041]
优选地，当所有并联的驱动器相同且输出端串联的电感值也相同，则设l1＝l2＝l3＝......＝ln＝l0；此时零序电流环控制增益系数满足如下公式，
[0042][0043]
优选地，所述电机为永磁同步伺服电机。
[0044]
实施本发明的技术方案可解决现有技术中实际实现时造成系统过于复杂，实现难度较大，对驱动器硬件要求高的技术问题；实施本发明的技术方案，通过控制策略的改变，增加了零序电流控制环路，对实际系统中存在的零序电流进行实时控制，从而达到减小甚至消除零序电流的的技术效果。
附图说明
[0045]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
[0046]
图1为驱动器并联结构图；
[0047]
图2为2台驱动器并联电路拓扑图；
[0048]
图3为2台驱动器a相并联电路等效系统；
[0049]
图4为传统伺服驱动器内部典型的速度和电流控制环原理框图；
[0050]
图5为本发明永磁同步伺服电机电流控制环结构图；
[0051]
图6为2台伺服驱动器并联及机器人控制器控制结构。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
实施例
[0054]
在一种具体的实施例中，如图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明提出了一种控制方法，在该控制方法下，多伺服驱动器并联工作时，能够减小或者消除环流，从而使得多伺服驱动器并联工作成为可能，可靠性提高，多伺服驱动器并联数量不受限制，可灵活并联。
[0055]
本实施例以两台伺服驱动器并联为例说明本发明的主要内容。
[0056]
如图2所示，wye接法电机被等效为三相rl负载；2台伺服驱动器具有相同的输入电压v
dc
，输出端分别串接相同大小的电抗器l1和l2。
[0057]
以下直接给出本发明的主要结论：
[0058]
对2台并联的伺服驱动器从负载端向前看，2台伺服驱动器可以看作为2个电压源并联给负载供电，从而进行整体分析以及等效简化，通过数学推导，得到了如下关系式：
[0059][0060]
式(1)中：
[0061]
k0为零序电流分量的控制增益；
[0062]
l1和l2分别为驱动器输出端串接的电抗器；l1＝l2；
[0063]kinv
为驱动器内部增益系数；
[0064]kcurrent
为电流传感器增益；
[0065]
λ
ref
为系统电流环在频域中的所选取的特征值；
[0066]
式(1)给出了零序电流环控制增益的取值规则：在其他条件一定的情况下，零序电流控制器的增益与系统环路在频域中的特征值的设计位置具有相关性；而且，λ
ref
的取值必须远低于驱动器开关频率至少一个数量级以上，在频域复平面上表现为λ
ref
越向左半平面越有利于降低低频的零序电流值，从而降低驱动器并联系统中的零序电流分量。
[0067]
以下详细描述本发明内容及最终关系式推导过程。
[0068]
本实施例以2台伺服驱动器为例说明。
[0069]
如图2所示为2台伺服驱动器并联电路拓扑。为简化分析，以每台伺服驱动器的a相为例说明。
[0070]
在稳态下，简化的等效系统可以表示为如图3所示：
[0071]
a相并联电路可以等效为2个电压源给同一负载供电。图中，i
01
,i
02
分别表示从驱动器1和2中某相流过的零序电流。该电流符合以下特征：
[0072]i01
＝-i
02
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0073]
动态情况下，有如下关系式：
[0074][0075]
式中，
[0076]va1
，v
a2
分别表示动态情况下零序电压分量，为简化分析，假设零序电流环仅进行增益(p)控制，设增益为k0，则有如下表达式：
[0077][0078][0079]
在零序电流环控制中，零序参考值均为0。则结合式(2)，由式(4),(5)得到：
[0080]v01-v
02
＝-2k
inv
k0i
01
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)；
[0081]
式(6)代入式(3)中，得到：
[0082][0083]
进一步，式(7)可写为：
[0084][0085]
式中，
[0086][0087]
λ为式(8)的特征值；假设已选定一个特征值的参考值λ
ref
,该特征值的选取须使所在控制系统是稳定的。
[0088]
则k0可以写为：
[0089][0090]
假设并联的驱动器相同且输出端串联的电感值也相同，设：
[0091]
l1＝l2＝l0；
[0092]
则上式(10)变为：
[0093][0094]
由前述知，λ
ref
为选定的特征值参考值，根据电流环设计理论，λ
ref
可被看作是位于复数平面左半平面的值，该值的取值需远小于驱动器的开关频率才可达到减小零序电流幅值的目的。
[0095]
所以，原则上，根据电流控制环路的设计，确定了λ
ref
的取值之后，根据式(11)，零
序环控制增益也就确定了。
[0096]
另外，在确定零序电流机器人控制器增益时，需要引入电流传感器增益的影响，因此，式(11)进一步可以写为如下形式：
[0097][0098]
式中，k
current
为电流传感器增益。
[0099]
式(12)给出了并联运行的每台伺服驱动器进行零序电流环控制的控制增益大小的约束公式，在此控制作用下，伺服驱动器并联结构中，能减小驱动器之间的零序电流，即环流，从而提高驱动器并联的可靠性以及系统性能，简化任意数量的驱动器并联结构，降低硬件系统复杂度。
[0100]
对于多台驱动器并联运行，也符合式(12)的约束规则。
[0101]
伺服电机典型的速度环电流环控制原理框图如图4所示。
[0102]
一般伺服电机内部具有位置环，速度环和电流环。图4仅示出了速度环和电流环。
[0103]
图4中，外环为速度环，内环为电流环。反馈速度ω
fdb
由安装在伺服电机轴端的编码器计算而来。图4中，m1、m2、m3分别为电流监测单元，串联或者耦合连接在驱动器的三相输出回路中，监测到的电流ia、ib、ic进行坐标变换之后，分解为id、iq作为反馈电流，进行电流闭环控制。电流闭环机器人控制器的输出为等效电压分量vd、vq，进行坐标变幻之后，由驱动器输出va、vb、vc施加在电机上，完成对电机的控制。
[0104]
坐标变换单元为本领域专业人员熟知的电机矢量控制处理方法，为帮助理解，给出如下公式。
[0105]
根据电机矢量控制理论，零序电流或电压的坐标变换(三相坐标变换到d-q同步旋转坐标或者反之)如式13所示：
[0106][0107]
上式中，vd、vq分别表示在d,q轴上的电压分量；v0表示零序电压分量；θ为电机转子位置角度；va、vb、vc分别为电机三相电压。
[0108]
电流分量遵循同样的变换关系式。
[0109]
当伺服驱动器并联运行且驱动器之间存在环流时，对于每一台伺服驱动器而言，输出三相电流中等效的出现了零序分量电流；则伺服驱动器运行电流环控制时，必须对该零序分量电流也进行闭环控制且其闭环控制增益需要满足一定的约束条件才可以达成减小或者消除该零序分量电流的目的。这就是本发明的主要思想。
[0110]
由此，在上述的典型控制电流环基础之上，本发明加入了零序电流控制环并公开了一种零序电流环的控制增益值的确定公式。
[0111]
如图5所示为针对永磁同步伺服电机控制，加入了零序电流控制环的电流控制原理框图。
[0112]
图5为在同步旋转坐标系中，对pmsm电机(id＝0控制)进行矢量控制时电流环控制结构图，包括零序电流环控制。θ
enc
为来自电机编码器转换的角度值。
[0113]
图5仅示意了一台伺服驱动器的电流环控制结构，事实上，对于并联运行的各台伺服驱动器均执行相同的电流环控制。而各驱动器中的电流的参考指令来自其上位机器人控制器的速度环指令输出，通过通讯总线的方式同时发送至各伺服驱动器；各伺服驱动器接收的是来自电机编码器的同一角度信号，并联驱动器结构如图6所示(以2台伺服驱动器并联为例)。
[0114]
在本发明中，智能机器人控制器运行速度环，各并联伺服驱动器仅执行电流环控制，也就是说，当伺服驱动器运行于并联模式时，仅运行其中的电流环，而速度环改由机器人控制器运行。
[0115]
在本发明中，各自并联的伺服驱动器仅运行各自所在的电流控制环，该电流控制环均加入了零序电流控制环；而速度环统一的由智能机器人控制器完成，智能机器人控制器接收来自电机的编码器信号并实时计算出电机速度形成反馈，智能机器人控制器速度环输出电流指令，通过数据通讯实时发送至各并联伺服驱动器，以保证同一时刻各并联伺服驱动器接收到的电流指令是相同的值。
[0116]
各并联伺服驱动器同时接收来自电机编码器的角度信息。
[0117]
本发明中，推导了零序电流控制时，为达到对环流的抑制作用而采用的电流环的控制增益值的确定规则方法。该方法应在电流环整体设计时以零极点设计的方式合理设计。
[0118]
本发明采取的是各并联伺服驱动器仅运行电流控制环，智能机器人控制器运行速度环的结构模式，速度环输出的电流指令实时传送至各并联伺服驱动器。
[0119]
需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。