机器人用无框力矩电机设计

本文属于类型a，即报告了一项单篇原创研究的学术论文。以下是对该研究的详细报告：

一、作者与发表信息

本文由敖潘和潘松峰撰写，两人均来自青岛大学自动化学院。该研究发表于《电子设计工程》2020年第23期，文章编号为1674-6236（2020）23-0168-05，DOI为10.14022/j.issn1674-6236.2020.23.036。

二、学术背景

本研究聚焦于轻量型工业机器人领域，特别是无框力矩电机的驱动器硬件设计。当前中国机器人市场主要由瑞典ABB、日本FUNAC、德国KUKA和日本安川等企业主导，尤其是在负重机器人领域。然而，轻量型工业机器人作为一个新兴领域，具有巨大的发展潜力。无框电机因其体积小、重量轻、结构紧凑等特点，特别适合高效、灵活的工作场景。本文基于FDM6021-4803型号无框直流无刷力矩电机，设计了一种基于DSP（数字信号处理器）的驱动器硬件电路，旨在为轻量型机器人关节模组提供一种可行的解决方案。

三、研究流程

1. 总体设计

研究首先明确了驱动器的功能需求，包括输入电压范围、输出功率、故障保护功能、电磁抱闸控制、CAN通信功能以及动态响应和调速精度等要求。驱动器板卡结构包括电源接口、电机接口、JTAG仿真器接口、编码器接口、CAN接口和电磁抱闸接口。

2. 硬件电路设计

驱动器硬件电路设计包括以下几个主要模块： - 电源适配电路：采用LM5007和UAOZ1073AIL等稳压芯片，将输入电压转换为系统所需的+12V、+5V、+3.3V和+1.9V电压。 - 功率逆变电路：采用N沟道MOSFET（IRF3077/PBF）搭建三相逆变桥，将直流母线电压逆变为电机三相交流电压。 - 电流检测电路：使用Allegro公司的ACS711ELCTR-25AB-T霍尔电流传感器，将大电流信号转换为小电压信号，供DSP的ADC模块处理。 - 位置检测电路：利用电机自带的增量式光电编码器，通过差分信号驱动器AM26LS32ACDRG4将差分信号转换为单极信号，供DSP的QEP模块处理。 - DSP最小系统及其外围电路：以TMS320F28335为核心，搭建了包括电源电路、复位电路、晶振电路和JTAG仿真电路的最小系统，并设计了CAN通信接口电路。

3. 实验验证

研究通过EEEP1000N电力电子实验装置进行实验调试，使用CspaceWatch上位机软件观测电机运行状态。实验结果表明，该驱动器控制电机运行可靠，具有较高的性能指标和抗干扰能力。

四、主要结果

研究成功设计并实现了一种基于DSP的无框力矩电机驱动器硬件电路。实验验证表明，该驱动器能够有效控制电机运行，具有较高的动态响应和调速精度，且具备良好的抗干扰能力。

五、结论与意义

本研究为轻量型机器人关节模组的电机驱动器提供了一种可行的设计方案，具有重要的科学和应用价值。该设计不仅提高了驱动器的性能和可靠性，还为未来轻量型工业机器人的发展提供了技术支持。

六、研究亮点

• 创新性：本研究首次基于TMS320F28335芯片设计了一种适用于无框力矩电机的驱动器硬件电路，具有较高的创新性。
• 实用性：该驱动器设计结构简单、可靠性高，已在相关机器人关节模组中获得了良好的控制效果。
• 技术先进性：研究中采用了多种先进的电路设计技术，如SVPWM调制技术、霍尔电流传感器和增量式光电编码器等，显著提高了驱动器的性能。

七、其他有价值的内容

本文详细介绍了各个电路模块的元器件参数和选型，为相关领域的研究人员提供了宝贵的参考。此外，研究还通过实验验证了驱动器的性能，进一步增强了其应用价值。

综上所述，本研究在轻量型工业机器人领域具有重要的科学和应用价值，为未来相关技术的发展提供了有力的支持。