CN111030559A - 一种双足机器人电机驱动系统和智能温度保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双足机器人电机驱动系统和智能温度保护方法。该电机驱动系统通过对电机、功率开关管、母线电解电容等关键器件的温度进行检测，在温度达到第一温度阈值后，对电机最大输出功率进行控制，来抑制关键器件温度的进一步增加；并在温度达到第二温度阈值后，发出温度故障信息给双足机器人中央控制器，让双足机器人停止当前任务，从而来保证电机和电机驱动器的可靠性。本发明的电机驱动系统及智能温度保护方法，能提高轻量化电机驱动系统的可靠性，有望进一步提高双足机器人的灵活性和续航能力。

Description

一种双足机器人电机驱动系统和智能温度保护方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种双足机器人电机驱动系统和智能温度保护方法。

背景技术

双足机器人能够实现直立行走和相关动作，具有动作灵活、自如、稳定等优点，可以很好地适应人类的生活环境，有望帮助人类解决很多问题。目前电池是双足机器人主流的能源形式，存在续航时间短的问题。电机驱动系统是电驱动双足机器人重要组成部分，一个双足机器人上可存在30多个电机及驱动器，因此电机驱动系统的轻量化设计可以降低双足机器人的重量，进一步可提高了双足机器人的灵活性和续航能力。

为实现电机驱动系统轻量化设计，双足机器人电机设计时需要尽可能高的功率密度，电机驱动器也需要轻量化设计。随着电机功率密度的提高，会给电机带来很大的发热，从而导致电机温度升高，会影响电机正常运行。散热装置作为电机驱动器不可或缺的部分，为了实现轻量化设计，电机驱动器的散热装置可能会被设计的尽可能小，从而降低了散热效果，会影响驱动器内部器件寿命及可靠性。因此，电机驱动系统的轻量化设计和系统可靠性存在矛盾，在降低电机驱动系统的重量的同时，很容易导致系统过温，从而影响系统可靠性。

因此，在设计双足机器人的高功率密度的轻量化电机驱动系统时，有必要对系统关键器件进行温度检测，以保证系统的可靠性。中国专利号CN205882676U通过检测电机驱动电路中的电子开关管温度，并在超过温度阈值后停止电机驱动。这种方法虽然一定程度上能提高电机驱动系统的可靠性，但会影响双足机器人正常行走，甚至使得双足机器人摔倒损坏。中国专利号CN105517902A通过检测无人机电机温度，并对功率进行动态调节，来提高无人机电机的可靠性。这种方法能提高电机的可靠性，但无法保证电机驱动器的可靠性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种带有智能温度保护的双足机器人电机驱动系统和控制方法，具体技术方案如下：

一种双足机器人电机驱动系统，包括电连接的电机和电机驱动器，所述电机内嵌有位置传感器和温度传感器，分别用于感应电机转子位置和温度；所述电机驱动器包括设置在其内部的功率驱动模块、检测模块、温度指示模块、温度采集模块、处理器模块；

所述的检测模块包括位置检测模块、电流检测模块和母线电压检测模块，分别用于检测电机转子位置、电机三相电流和母线电压，并发送给处理器模块；

所述的温度采集模块用于采集安装在电机内部、功率开关管表面以及母线电解电容表面的各个温度传感器信号，并进行信号处理后发送给所述的处理器模块；

所述的温度指示模块用于指示电机驱动系统是否存在器件温度超过设定的温度阈值；

所述处理器模块接收双足机器人中央控制器发送的控制信号以及所述的检测模块、温度采集模块的信号，对接收到的信号进行处理后输出PWM信号给功率驱动模块；根据电机驱动系统是否存在器件温度超过设定的温度阈值，所述处理器模块打开或关闭所述的温度指示模块；当系统存在器件温度超过第一温度阈值时，所述处理器模块对输出功率进行限制；当系统存在器件温度超过第二温度阈值时，所述处理器模块输出温度故障信号给双足机器人的中央控制器；

所述功率驱动模块用于接收处理器模块输出的电机控制信号，并将其转化为功率信号，来驱动电机。

进一步地，所述的功率驱动模块包括功率开关管驱动电路以及由MOS或IGBT功率开关管组成的三相全桥电路。

进一步地，所述电机转子位置检测通过采集电机内嵌的位置传感器信号来实现；所述母线电压检测利用电阻对母线分压来实现。

进一步地，所述的处理器模块采用STM32或DSP。

进一步地，所述温度传感器采用热电阻。

进一步地，所述温度指示模块采用蓝红双色LED指示灯来实现，当系统存在器件的温度值超过第一温度阈值时，蓝红双色LED指示灯显示蓝色，当超过第二温度阈值时，蓝红双色LED指示灯显示红色。

一种双足机器人电机驱动系统智能温度保护方法，该方法基于电机驱动系统实现，所述方法包括如下步骤：

S1：在电机运行过程中，读取电机、各个功率开关管、各个母线电解电容的温度，得到测量温度T₁、T₂、T₃，其中T₁表示电机当前温度，T₂表示各个功率管的温度的最大值，T₃表示各个母线电解电容的温度的最大值；

S2：分别比较T₁与电机第一温度阈值T_1m-1、电机第二温度阈值T_1m-2，T₂与功率管第一温度阈值T_2m-1、功率管第二温度阈值T_2m-2，T₃与电解电容第一温度阈值T_3m-1、电解电容第二温度阈值T_3m-2，判断系统各器件温度是否超过第一、第二温度阈值；当出现T_1m-1<T₁<T_1m-2或T_2m-1<T₂<T_2m-2或T_3m-1<T₃<T_3m-2，判断为系统存在器件温度超过第一温度阈值，并使蓝红双色LED指示灯显示蓝色；当出现T₁>T_1m-2或T₂>T_2m-2或T₃>T_3m-2，判断为系统存在器件温度超过第二温度阈值，并使蓝红双色LED指示灯显示红色；否则判断为系统处于正常工作状态，关闭蓝红双色LED指示灯；

其中T_1m-1<T_1m-2<T_1-max，T_2m-1<T_2m-2<T_2-max，T_3m-1<T_3m-2<T_3-max，式中，T_1-max、T_2-max、T_3-max分别为电机最大工作温度、功率管最大工作温度、电解电容最大工作温度；

S3：当系统存在器件温度超过第一温度阈值时，对电机最大输出功率P_max-new进行限制如下：

其中P₁=P_max-K₁×(T₁-T_1m-1)，P₂=P_max-K₂×(T₂-T_2m-1)，P₃=P_max-K₃×(T₃-T_3m-1)，K₁、K₂、K₃为常数系数，P_max为电机驱动系统原本的最大输出功率，T_e-min为维持当前双足机器人关节运动的最小转矩，n为当前转速；

当系统存在器件温度超过第二温度阈值时，输出温度故障信号给双足机器人的中央控制器，停止当前任务。

进一步地，当所述的电机为表贴式永磁同步电机时，所述的S3中对电机最大输出功率进行限制，通过对给定i_q ^*进行限制来实现：

其中，

为进行功率限制后的设定交轴电流，i_q ^*为原本速度调节器输出的交轴电流，n_p为电机极对数，n为电机当前转速，Ψ _f 为永磁体磁链。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的电机驱动系统和控制方法能对关键器件（电机、功率开关管、母线电解电容等）进行温度检测，在温度达到一定温度阈值后，对电机最大输出功率进行控制，来抑制关键器件温度的进一步增加，并在温度超过第二温度阈值后发出温度故障信息给双足机器人的中央控制器，让双足机器人及时停止当前任务，从而保证了电机驱动系统不因过热问题而损坏。利用该发明的方法，有利于提高双足机器人轻量化电机驱动系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明中双足机器人电机驱动系统的结构框图；

图2是本发明中双足机器人电机驱动系统智能温度保护方法流程图；

图3是本发明中一实施例中永磁同步电机最大功率限制的控制框图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施示例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种双足机器人电机驱动系统的结构框图如图1所示，包括电机和电机驱动器，并可外接一定减速比的减速器。所述电机内嵌有位置传感器和温度传感器，来检测电机转子位置和电机温度。所述电机驱动器与所述电机通过线缆连接，用于控制所述电机以及接收电机内位置传感器和温度传感器数据。所述减速器可采用常用的谐波减速器装置。

所述电机驱动器包括外壳、散热片以及安装在所述外壳内部的控制板，该控制板包括功率驱动模块，位置、电流、母线电压检测模块，温度指示模块、温度采集模块、处理器模块等。

所述功率驱动模块用于接收处理器模块输出的电机控制信号，并将其转化为功率信号，来驱动伺服电机。

作为一种实施方式，功率驱动模块包括功率开关管驱动电路以及由MOS或IGBT功率开关管组成的三相全桥电路。

所述位置、电流、母线电压检测模块用于检测电机转子位置、电机三相电流和母线电压，并发送给处理器模块进行运算处理。

为了实现伺服电机算法，需要对电机转子位置及电机三相电流和母线电压进行检测。所述电机转子位置检测通过采集电机内嵌的位置传感器信号来实现；所述电机电流采用电流检测模块来检测；所述母线电压检测利用电阻对母线分压来实现。

所述温度指示模块采用蓝红双色LED指示灯来实现，用于指示电机驱动系统是否存在器件温度超过第一温度阈值或第二温度阈值。

所述温度采集电路用于采集电机驱动系统的各个温度传感器信号，并进行信号放大、滤波等处理。所述温度传感器安装在电机内部、功率开关管表面以及母线电解电容表面。

为提高温度采样精度，所述温度传感器采用铂热电阻，并通过惠斯通电桥、高精度仪表放大器AD620组成的放大电路来对信号进行处理，最终输入给处理器的ADC接口。

所述处理器模块接收双足机器人中央控制器发送的控制信号，采集位置、电流、母线电压、各器件温度等信号，并运行电机控制算法，输出PWM信号给驱动模块来实现电机控制。作为其中一种实施方式，处理器模块采用STM32F407VG芯片，其主频168MHz，具有丰富的接口。

本发明提供一种双足机器人电机驱动系统智能温度保护方法，其控制算法流程如图2所示，具体步骤如下：

步骤1：在电机运行过程中，读取关键器件（电机、各个功率管、各个母线电解电容）的温度。得到测量温度T₁、T₂、T₃，其中T₁表示电机当前温度，T₂表示各个功率管的温度的最大值，T₃表示各个母线电解电容的温度的最大值。

步骤2：分别比较T₁与电机第一温度阈值T_1m-1、电机第二温度阈值T_1m-2，T₂与功率管第一温度阈值T_2m-1、功率管第二温度阈值T_2m-2，T₃与电解电容第一温度阈值T_3m-1、电解电容第二温度阈值T_3m-2，判断系统各器件温度是否超过第一、第二温度阈值；当出现T_1m-1<T₁<T_1m-2或T_2m-1<T₂<T_2m-2或T_3m-1<T₃<T_3m-2，判断为系统存在器件温度超过第一温度阈值，并使蓝红双色LED指示灯显示蓝色；当出现T₁>T_1m-2或T₂>T_2m-2或T₃>T_3m-2，判断为系统存在器件温度超过第二温度阈值，并使蓝红双色LED指示灯显示红色；否则判断为系统处于正常工作状态，关闭蓝红双色LED指示灯；

其中T_1m-1<T_1m-2<T_1-max，T_2m-1<T_2m-2<T_2-max，T_3m-1<T_3m-2<T_3-max，式中，T_1-max、T_2-max、T_3-max分别为电机最大工作温度、功率管最大工作温度、电解电容最大工作温度。

步骤3：当系统存在器件温度超过第一温度阈值时，对电机最大输出功率P_max-new进行限制如下：

其中P₁=P_max-K₁×(T₁-T_1m-1)，P₂=P_max-K₂×(T₂-T_2m-1)，P₃=P_max-K₃×(T₃-T_3m-1)，K₁、K₂、K₃为常数系数，P_max为电机驱动系统原本的最大输出功率，T_e-min为维持当前双足机器人关节运动的最小转矩，n为当前转速；

当系统存在器件温度超过第二温度阈值时，输出温度故障信号给双足机器人的中央控制器，以让双足机器人及时停止当前任务。

步骤3中的电机最大输出功率调节可通过限制电机电流来实现。

作为一种实施方式，双足机器人的伺服电机采用表贴式永磁同步电机，并采用位置控制方式。永磁同步电机的最大功率限制的控制框图如图3所示，其采用基于id=0的矢量控制算法，实现了位置伺服控制。整体结构由电流环、速度环以及位置环组成。

系统最外环为位置环，给定位置θ^*来自于双足机器人的中央控制器，用于控制某个关节的角度，反馈位置θ通过编码器数据计算得到；经过位置调节器后，输出给定转速n^*。系统中间环为速度环，给定转速n^*来自位置环输出，反馈转速n通过编码器数据计算得到；经过速度调节器后，输出给定交轴电流i_q ^*。为实现电机最大输出功率控制，对速度环输出的给定交轴电流i_q ^*进行最大限幅，得到

。系统最内环为电流环，包括d轴和q轴两个电流环，其中给定交轴电流i_q ^*来自于最大输出功率限幅输出，直轴电流i_d ^*=0；电流反馈通过测量得到的相电流i_A、i_B，经Clark和Park变换得到当前i_d、i_q。经电流调节器后，输出交直轴电压，并经坐标变换及SVPWM及逆变器后，输出给电机。永磁同步电机位置-转速-电流三闭环控制为本技术领域常用的结构形式，Clark和Park坐标变换，位置、转速、电流调节器、SVPWM等算法均为本技术领域人员所熟知，这里就不展开介绍。

为了实现电机最大输出功率控制，可通过对给定i_q ^*进行限制来实现，具体方法如下：

对给定i_q ^*进行限制计算公式如下：

其中，

为进行功率限制后的设定交轴电流，i_q ^*为原本速度调节器输出的交轴电流，n_p为电机极对数，n为电机当前转速，Ψ _f 为永磁体磁链。

具体推导公式如下：

电机转矩计算公式：

；

其中Ψ _d 、Ψ _q 的计算公式为：

；

因此，

。

对于表贴式永磁电机PMSM而言，L_d=L_q，则电机转矩方程化简为

；

因此，电机输出功率计算公式为

；

其中Ψ _d 、Ψ _q 分别为d、q轴磁链，i_d、i_q分别为d、q轴电流，L_d、L_q分别为d、q轴电感。

其中i_d、i_q的计算公式为：

，

、

的计算公式为

，其中 i_A、i_B分别为A、B两相电流。

综上所述，本发明对双足机器人电机驱动系统中各关键器件（电机、功率开关管、母线电解电容等）进行温度检测，在超过第一温度阈值时，说明此时电机驱动系统温度较高，通过对电机最大输出功率进行控制，可以来抑制关键器件温度的进一步增加，且不会影响双足机器人基本工作。在超过第二温度阈值时，说明此时电机驱动系统温度已经快接近器件最大工作温度了，通过发出温度故障信息给双足机器人中央控制器，来停止当前任务，从而来保证电机驱动系统不会因热故障损坏，也保证双足机器人不因电机驱动系统故障而工作异常甚至损坏。基于这种方法，双足机器人电机驱动系统设计时可以进一步进行轻量化设计，从而有望进一步提高双足机器人的灵活性和续航能力。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双足机器人电机驱动系统，包括电连接的电机和电机驱动器，其特征在于，所述电机内嵌有位置传感器和温度传感器，分别用于感应电机转子位置和温度；所述电机驱动器包括设置在其内部的功率驱动模块、检测模块、温度指示模块、温度采集模块、处理器模块；

所述的检测模块包括位置检测模块、电流检测模块和母线电压检测模块，分别用于检测电机转子位置、电机三相电流和母线电压，并发送给处理器模块；

所述的温度采集模块用于采集安装在电机内部、功率开关管表面以及母线电解电容表面的各个温度传感器信号，并进行信号处理后发送给所述的处理器模块；

所述的温度指示模块用于指示电机驱动系统是否存在器件温度超过设定的温度阈值；

所述处理器模块接收双足机器人中央控制器发送的控制信号以及所述的检测模块、温度采集模块的信号，对接收到的信号进行处理后输出PWM信号给功率驱动模块；根据电机驱动系统是否存在器件温度超过设定的温度阈值，所述处理器模块打开或关闭所述的温度指示模块；当系统存在器件温度超过第一温度阈值时，所述处理器模块对输出功率进行限制；当系统存在器件温度超过第二温度阈值时，所述处理器模块输出温度故障信号给双足机器人的中央控制器；

所述功率驱动模块用于接收处理器模块输出的电机控制信号，并将其转化为功率信号，来驱动电机。

2.根据权利要求1所述的双足机器人电机驱动系统，其特征在于，所述的功率驱动模块包括功率开关管驱动电路，以及由MOS或IGBT功率开关管组成的三相全桥电路。

3.根据权利要求1所述的双足机器人电机驱动系统，其特征在于，所述电机转子位置检测通过采集电机内嵌的位置传感器信号来实现；所述母线电压检测利用电阻对母线分压来实现。

4.根据权利要求1所述的双足机器人电机驱动系统，其特征在于，所述的处理器模块采用STM32或DSP。

5.根据权利要求1所述的双足机器人电机驱动系统，其特征在于，所述温度传感器采用热电阻。

6.根据权利要求1所述的双足机器人电机驱动系统，其特征在于，所述温度指示模块采用蓝红双色LED指示灯来实现，当系统存在器件的温度值超过第一温度阈值时，蓝红双色LED指示灯显示蓝色，当超过第二温度阈值时，蓝红双色LED指示灯显示红色。

7.一种双足机器人电机驱动系统智能温度保护方法，该方法基于权利要求6的电机驱动系统实现，所述方法包括如下步骤：

S1：在电机运行过程中，读取电机、各个功率开关管、各个母线电解电容的温度，得到测量温度T₁、T₂、T₃，其中T₁表示电机当前温度，T₂表示各个功率管的温度的最大值，T₃表示各个母线电解电容的温度的最大值；

S2：分别比较T₁与电机第一温度阈值T_1m-1、电机第二温度阈值T_1m-2，T₂与功率管第一温度阈值T_2m-1、功率管第二温度阈值T_2m-2，T₃与电解电容第一温度阈值T_3m-1、电解电容第二温度阈值T_3m-2，判断系统各器件温度是否超过第一、第二温度阈值；当出现T_1m-1<T₁<T_1m-2或T_2m-1<T₂<T_2m-2或T_3m-1<T₃<T_3m-2，判断为系统存在器件温度超过第一温度阈值，并使蓝红双色LED指示灯显示蓝色；当出现T₁>T_1m-2或T₂>T_2m-2或T₃>T_3m-2，判断为系统存在器件温度超过第二温度阈值，并使蓝红双色LED指示灯显示红色；否则判断为系统处于正常工作状态，关闭蓝红双色LED指示灯；

其中T_1m-1<T_1m-2<T_1-max，T_2m-1<T_2m-2<T_2-max，T_3m-1<T_3m-2<T_3-max，式中，T_1-max、T_2-max、T_3-max分别为电机最大工作温度、功率管最大工作温度、电解电容最大工作温度；

S3：当系统存在器件温度超过第一温度阈值时，对电机最大输出功率P_max-new进行限制如下：

其中P₁=P_max-K₁×(T₁-T_1m-1)，P₂=P_max-K₂×(T₂-T_2m-1)，P₃=P_max-K₃×(T₃-T_3m-1)，K₁、K₂、K₃为常数系数，P_max为电机驱动系统原本的最大输出功率，T_e-min为维持当前双足机器人关节运动的最小转矩，n为当前转速；

当系统存在器件温度超过第二温度阈值时，输出温度故障信号给双足机器人的中央控制器，停止当前任务。

8.根据权利要求7所述的双足机器人电机驱动系统智能温度保护方法，其特征在于，当所述的电机为表贴式永磁同步电机时，所述的S3中对电机最大输出功率进行限制，通过对给定i_q ^*进行限制来实现：

其中，

为进行功率限制后的设定交轴电流，i_q ^*为原本速度调节器输出的交轴电流，n_p为电机极对数，n为电机当前转速，Ψ _f 为永磁体磁链。

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