一种机器人用无刷电机驱动的抗辐射加固方法与流程

1.本发明属于机器人抗辐射技术领域，具体涉及一种机器人用无刷电机驱动的抗辐射加固方法。


背景技术：

2.目前在核电站、核设施、辐射装置等辐射场所的核应急、辐射监测、辐射去污等工作主要是由工作人员进入辐射场所完成，这会对人员造成额外的辐射剂量。随着机器人技术的发展，机器人在这些应用场景中能发挥越来越大的作用，从而降低人员受照剂量、提高工作效率。但目前的在机器人在强辐射场中应用的还比较有限，主要原因是受其抗辐射性能的限制，其中关键部分为机器人上的电机驱动，一般来说，电机驱动在强辐射场下长期工作，会造成损坏，电机驱动的损坏意味着运动机构异常，可能会出现控制精度下降，甚至工作异常，如结构不能运动、失控等，严重时造成进一步损失。因此需要对机器人的电机驱动进行抗辐射加固，提高其抗辐射性能，延长机器人在辐射场中的生存时间。


技术实现要素：

3.目前的机器人绝大多数都是普通的工业应用，应用在低辐射环境中，无需考虑其抗辐射性能问题。当机器人在辐射环境中进行应用时，抗辐射性能就显得特别重要。本发明的目的就是提供一种抗辐射加固方法，针对机器人电机驱动的抗辐射问题，采用多种技术途径对机器人的电机驱动进行抗辐射加固，提高其抗辐射性能，延长机器人在辐射场中的生存时间，使机器人技术在核应急、辐射监测、辐射去污等应用场景中的应用越来越广泛，从而降低人员受照剂量、提高工作效率。
4.为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种机器人用无刷电机驱动的抗辐射加固方法，包括如下步骤：
5.步骤s1，将无刷电机驱动关键部件替换为抗辐射部件；
6.步骤s2，对无刷电机驱动的电路的抗辐射设计；
7.步骤s3，进行软件层面的嵌入式开发，利用控制手段进行电路保护。
8.进一步，在所述步骤s1中，需要替换的关键部件包括功率晶体管，替换为氮化镓工艺的功率晶体管。
9.进一步，在所述步骤s1中，需要替换的关键部件还包括将40纳米以上工艺的芯片，替换为40纳米及以下工艺的芯片。
10.进一步，在所述步骤s2中，包括对前驱电路的抗辐射设计；在无刷电机驱动中包括主控电路和与所述主控电路相连的全桥驱动电路和反馈电路，还包括与所述全桥驱动电路和所述反馈电路相连的无刷电机，所述前驱电路与所述主控电路和所述全桥驱动电路相连；所述前驱电路用于控制所述全桥驱动电路，所述前驱电路由金属材质的高频隔离变压器和模拟电子前驱电路构成，在所述主控电路中设有判断算法，所述主控电路根据控制指令和所述反馈电路的输入信号利用所述判断算法对所述无刷电机的转速和pwm占空比进行
判断，当所述转速和所述pwm占空比经过计算后大于预设值，所述判断算法选择使用所述高频隔离变压器控制所述全桥驱动电路，当所述转速和所述pwm占空比经过计算后小于预设值，所述判断算法选择使用所述模拟电子前驱电路控制所述全桥驱动电路。
11.进一步，在所述步骤s2中还包括对所述无刷电机的监控算法，所述监控算法中设有关于所述pwm占空比和所述转速的预设函数，所述监控算法还能够通过对所述pwm占空比和所述转速进行函数拟合；在使用所述模拟电子前驱电路控制所述全桥驱动电路时，当所述函数拟合的数值与所述预设函数的数值产生超过限定的偏差，则认为所述无刷电机工作异常，此时即停止使用所述模拟电子前驱电路，改用所述高频隔离变压器控制所述全桥驱动电路，同时所述主控电路将最低的所述pwm占空比锁定在所述高频隔离变压器能够使用的范围内。
12.进一步，在所述步骤s3中，通过系统级软件对无刷电机驱动的指令和反馈信息进行监控校验，当有异常信号时进行指令和信息再确认，或启动预设的应急程序指令。
13.本发明的有益效果在于：
14.该机器人用无刷电机驱动的抗辐射加固方法可使机器人电机驱动的累计抗辐射剂量从50gy左右提高到2000gy以上，从而使机器人能在大多数情况下替代工作人员在强辐射场所进行作业，降低工作人员辐射剂量、提高工作效率。
附图说明
15.图1是采用本发明所提供的机器人用无刷电机驱动的抗辐射加固方法进行加固后的无刷电机驱动(图中的加固内容包括高频隔离变压器、模拟电子前驱电路)；
16.图2是对图1中选择“高频隔离变压器”、“模拟电子前驱电路”的前驱电路软件表决切换方法的流程图；
17.图3是无刷电机的监控算法的软件控制的流程图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
19.本发明提供的一种机器人用无刷电机驱动的抗辐射加固方法，包括如下步骤：
20.步骤s1，将无刷电机驱动关键部件替换为抗辐射部件；
21.步骤s2，对无刷电机驱动的电路的抗辐射设计；
22.步骤s3，进行软件层面的嵌入式开发，利用控制手段进行电路保护。
23.在步骤s1中，需要替换的关键部件包括功率晶体管，替换为氮化镓工艺的功率晶体管。
24.无刷电机包含很多部分，一是功率部分。目前常用的机器人电机驱动中的功率晶体管大都为硅mos工艺，其抗辐照性能比较弱，累计辐照剂量在50-60gy，但根据新研究结果表明氮化镓晶体管的抗辐照性能比较好。
25.在步骤s1中，需要替换的关键部件还包括纳米工艺较低的芯片(40纳米以上工艺的芯片)，替换为纳米工艺较高的芯片。根据实验和文献调研结果来看，纳米工艺较高的芯片具有良好的总剂量表现，因此主要选用40纳米及以下工艺的芯片。
26.在步骤s2中，包括对前驱电路的抗辐射设计；在无刷电机驱动中包括主控电路和
与主控电路相连的全桥驱动电路和反馈电路，还包括与全桥驱动电路和反馈电路相连的无刷电机，前驱电路与主控电路和全桥驱动电路相连；前驱电路用于控制无刷电机驱动的全桥驱动电路，前驱电路由金属材质的高频隔离变压器和模拟电子前驱电路构成；在主控电路中设有判断算法，主控电路根据控制指令和反馈电路的输入信号利用判断算法对无刷电机的转速和pwm占空比进行判断(即“软件表决切换”，具体方法见图2)，当转速和pwm占空比经过计算后大于预设值，判断算法选择使用高频隔离变压器控制全桥驱动电路，当转速和pwm占空比经过计算后小于预设值，判断算法选择使用模拟电子前驱电路控制全桥驱动电路；现如今大部分全桥驱动的使用高度集成的数字电路做前驱，大多包含如电荷泵电路等结构，经调研和实验测试显示，此种类型的数字集成电路总剂量水平极低，会引发上桥臂晶体管施加的导通电压失准。本发明中使用高频隔离变压器加模拟电子前驱电路的方法，高频隔离变压器同样是金属结构，基本不存在辐射损伤。但是由于高频隔离变压器在低占空比下难以运行，直接导致调速范围受到制约，因此在低速运行情况下，加入了基于模拟电子技术搭建的电路，根据已有的研究结果可知，电子元器件在不带偏置、不提供工作电压时的抗辐射性能要比带偏置、提供工作电压时的抗辐射性能强，因此大部分情况使用高频隔离变压器，少数情况使用模拟电子前驱电路(内部包含三极管电路)，能够极大程度提高实用性和总剂量水平。
27.在步骤s2中还包括对无刷电机的监控算法，监控算法中设有关于pwm占空比和转速的预设函数，监控算法还能够通过对pwm占空比和转速进行函数拟合；在使用模拟电子前驱电路控制全桥驱动电路时，当函数拟合的数值与预设函数的数值产生超过限定的偏差(即阈值)，则认为无刷电机工作异常，此时即停止使用模拟电子前驱电路，改用高频隔离变压器控制全桥驱动电路，同时主控电路将最低的pwm占空比锁定在高频隔离变压器能够使用的范围内(监控算法的软件控制流程如图3所示)；由于前驱电路中的模拟电子电路部分使用了较多半导体器件，虽然根据调研和实验测试的结果，能够确定如三极管在饱和区工作时，其总剂量水平较高。如果三极管发生损坏，会导致控制上桥臂功率管的控制信号不精准，导致电机旋转异常。为防止意外情况发生，在驱动的加固方法中，加入了监控的算法。在电机维持在较低转速的状态下，使用的是模拟电子前驱电路，其具有三极管等半导体器件，在该状态下，pwm占空比和反馈回的转速值满足一定的函数关系，因此将占空比和转速做函数拟合，如果两者值产生了一定程度的偏差，即可表征为工作异常，此时即停止使用模拟电子前驱电路，主控电路将最低的pwm占空比锁定在高频变压器能够使用的范围内，主控电路将对上位机发送状态提示指令，示意使用者注意。
28.在步骤s3中，机器人的无刷电机驱动的工作需要机器人系统的指令输入和信息反馈，通过嵌入式开发或系统级软件对无刷电机驱动的指令和反馈信息进行监控校验，当有异常信号时进行指令和信息再确认，或启动预设的应急程序指令等，从而提高机器人的无刷电机驱动的可靠性。
29.本发明所提供的机器人用无刷电机驱动的抗辐射加固方法可根据应用场景的辐射剂量水平以及作业时长需求等条件，选用其中一个或多个步骤的技术方案进行抗辐射加固，以满足现场作业需求。
30.本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。