CN110171018A - 机器人电机启动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人电机启动控制装置，它是串接在电机电枢回路上的BUCK电路，包括：由开光管、储能电感和滤波电容组成的双向半桥变换器，单片机，PWM驱动器，对电机电枢回路的电流高频采样的电流采样电路和对电机电枢回路的电压高频采样的电压采样电路；所述单片机产生PWM波，通过采得的电流和电压值调整PWM波的占空比，经由PWM驱动器放大后驱动所述开关管。所述PWM波的占空比经由增量型的PID控制算法调节，使电机输出功率恒定。本发明可以减少电机启动对供电系统的冲击，对电机也有保护的作用。同时具有低能耗的优点，符合节能减排的需求。

Description

机器人电机启动控制装置

技术领域

本发明涉及一种机器人电机启动控制装置。

背景技术

一般户外作业的机器人配有太阳能板兼蓄电池供电的直流电机，在户外工作环境下机器人不得不频繁启停电机，电机如果直接启动，由于反电动势为零，启动电流非常大，会有一个4~7倍于额定电流的冲击电流 ，导致负载功率激增，电机频繁启动时的大电流，会对供电装置造成冲击，可能会导致电池输出电流超过上限，同时使其供电电压下降影响其他设备的正常运行。电机频繁启动时功率激增也会对电池的充放电产生影响， 导致蓄电池频繁充放电，进而使得电池内部发热，容量衰减，内阻增加，减少电池的寿命。

总之，电机直接启动会导致对供电系统产生较大冲击，这会带来不利后果，这是现有技术的亟需解决的不足之处。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种机器人电机的启动控制装置，它可以减少电机启动对供电系统的冲击。

本发明的机器人电机启动控制装置，它是串接在电机电枢回路上的BUCK电路，其特征是包括：由开光管、储能电感和滤波电容组成的双向半桥变换器，单片机，PWM驱动器，电流采样电路和电压采样电路；

所述单片机产生PWM波，通过采得的电流和电压值调整PWM波的占空比，经由PWM驱动器放大后驱动所述开关管。

所述PWM波的占空比经由增量型的PID控制算法调节，使电机输出功率恒定。

所述单片机是STM32单片机。

所述PWM驱动器包括半桥驱动芯片IR2110s。

所述电流采样电路包括与采样电阻连接的差分放大器LM358。

本发明的技术效果是：一、通过BUCK电路对电机电枢回路电压进行调整，控制电机接近恒功率启动，在保证启动转矩较大，启动时间较短的同时，稳定启动功率，减少了电机启动对供电系统的冲击。二、由于本发明可以使得电机输出功率接近恒定，无须电阻消耗额外电能，具有低能耗的优点，符合节能减排的需求。三、本发明避免了直流电机运行时因电流冲击而导致的电机故障或者损坏，对电机有保护的作用。

附图说明

图1是本发明的BUCK电路构成框图。

图2是图1的电原理图。

图3是PWM驱动器。

图4 是采样电路原理图。

图5 是过程控制流程图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的实施例作详细说明。

参看图1，本发明的电机启动控制装置是一种BUCK电路，包括STM32单片机11、双向DC-DC主回路12，电流采样电路13、电压采样电路14和PWM驱动器15，发明思路是首先在STM32单片机内设置一个启动最大功率，采样网络实时采集电机两端电压及电流，计算功率，当功率大于设定功率时，减小PWM波的占空比，降低输出电压，直至功率等于输出设定功率。

参看图2，双向DC-DC主回路采用双向半桥变换器，包括互补工作的开关管Q1、Q2，当驱动为高电平时，开关管Q1导通，开关管Q2截止，储能电感L被充磁，流经电感的电流线性增加，同时给电容C充电，给负载提供能量；当驱动为低电平时，开关管Q1关断，开关管Q2导通，储能电感L续流放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C放电以及减小的电感电流维持，因此实现电压稳定。由STM32单片机产生互补且夹有死区时间的PWM经由PWM驱动器放大后驱动主电路的上下开关管Q1、Q2。

参看图3，采用半桥驱动芯片IR2109作为驱动器，芯片IR2109的HIN（PWM高端输入引脚）和LIN（PWM低端输入引脚）分别与单片机PWM高低端输出引脚相连，芯片IR2109的HO（PWM高端输出引脚）和LIN（PWM低端输出引脚）分别与系统原理图中Q1、Q2两个MOS管的栅极相连，可将单片机输出的PWM波峰值从3.3V放大到12V，从而驱动MOS管，控制电流的通断，实现降压。

本设计中要求实现过流保护，需要对输出电流进行采样，为了减少采样的干扰，本次设计采用上路采样，电流采样电阻取0.01欧姆，然后对采样的电压进行处理，电路图如图4所示。其中IN+和IN-两引脚接采样电阻两端。经过差分放大器LM358进行电流处理，OUT引脚输出的电压值为采样电阻两端电压值的90倍，并与单片机ADC采样通道直接相连，以供单片机检测。使用STM32内部集成的16位高精度的ADC进行采样，通过滤波算法进行数字滤波（算1000次采样的平均值），使得采样更精准。

参看图5，在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点。开关电源设计最重要的参数是稳定度和精确度，所以采用增量型的PID控制算法。单片机产生互补PWM信号，驱动主回路MOS管，则Vout(输出电压)= Vin(输入电压)*duty(PWM波占空比)。由于duty<1故Vout<Vin，以此实现降压。单片机实时采集输出电压，采用pid算法调节占空比，若Vout过小则增大duty，反之亦然，由此实现稳压输出。

具体测试过程如下，为不失一般性，选用MAXON 2260 215电机为测试电机，本电机为永磁电机，在PSIM中采用直流他励电磁进行模拟。所选负载转矩正比于速度，可表示为Cr=K1Ω，我们这里取K1=0.0005Nm/(rad/s)，首先测定电机的额定功率，结果显示该电机直接启动后稳态时的功率大约在30W左右，峰值功率210W。因此，在程序中设定电机启动功率恒定30W，在电枢回路传入0.01欧姆的高精度电阻，保证其不会对电枢电流产生较大影响，利用运放放大其两端电压进行再进行采样。采样频率为50KHZ，获取某一时刻电枢回路的电流值(Ia)，根据该电流值调整占空比(duty)，调节电枢回路电压(U)。理论上只要电流采样频率足够快，当启动电流Ia下降时同步提升U即可实现恒功率启动。由仿真结果可见，由于采样频率及电机电枢反应等因素，虽然启动功率无法一开始就恒定在30W，但启动功率峰值明显减少（约50W），相较于之前直接启动的（210W）大幅度降低，减少了对供电系统的冲击，且电机进入稳态的时间变短，仿真证明该方法对降低启动功率有显著作用。

使用BUCK电路控制电机电枢电压，stm32对电机电枢回路电流高频采样。启动时调节占空比使启动电压低于额定电压，功率与额定功率相近，启动后电机电流因转速的上升而下降的同时通过增大BUCK电路占空比使电枢电压上升，使电枢电流与电压之积接近恒定，达到启动功率恒定的目的。从而减少对供电系统的冲击。

相较于串电阻启动的方式，本发明的调压启动方式无须电阻消耗额外电能，具有低能耗的优点，符合节能减排的需求。

本发明没有串电阻启动后切除电阻时的电流冲击，避免了直流电机运行时因电流冲击而导致的电机故障或者损坏，对电机有保护的作用。同时，调压启动由于电枢电压上升可减缓电枢电流的下降，由于电机转矩在励磁电流不变的前提下与电枢电流成正比，相较于恒压启动，在维持功率接近恒定的同时又能使电机维持较大的转矩。

由于启动过程完全由单片机控制，没有手动切除电阻的繁琐步骤，因此启动速度也较快。由于单片机的采样速度很快，故电压调整几乎可以看作是实时的，因此启动时功率曲线较为平滑，调压启动在相同电源输出功率的情况下可减少电机启动时间，由于电源功率几乎完全输送给电机，故电机进入稳态的时间比相同功率下进入稳态的时间要短。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种机器人电机启动控制装置，它是串接在电机电枢回路上的BUCK电路，其特征是包括：由开光管、储能电感和滤波电容组成的双向半桥变换器，单片机，PWM驱动器，电流采样电路和电压采样电路；

所述单片机产生PWM波，通过采得的电流和电压值调整PWM波的占空比，经由PWM驱动器放大后驱动所述开关管。

2.如权利要求1所述的机器人电机启动控制装置，其特征是：所述PWM波的占空比经由增量型的PID控制算法调节，使电机输出功率恒定。

3.如权利要求1所述的机器人电机启动控制装置，其特征是：单片机是STM32单片机。

4.如权利要求3所述的机器人电机启动控制装置，其特征是：所述PWM驱动器包括半桥驱动芯片IR2110s。

5.如权利要求3所述的机器人电机启动控制装置，其特征是：所述电流采样电路包括与采样电阻连接的差分放大器LM358。