外骨骼電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計.pdf

1、醫(yī)療外骨骼機器人是一款用于輔助下肢截癱患者恢復(fù)行走能力的康復(fù)機器人，多采用無刷伺服電機為其動力源。由于外購電機驅(qū)動存在擴展性不強、通信復(fù)雜、
　　價格昂貴、可控程度低等問題，本文圍繞驅(qū)動在外骨骼控制中所需求的控制模式，開發(fā)了一套外骨骼專用的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。主要的研究內(nèi)容如下：
　　實現(xiàn)了基于矢量控制方法的外骨骼無刷電機伺服控制方案。分析了矢量控制基本原理，簡化了無刷電機的數(shù)學模型，研究了數(shù)字化空間電壓矢量調(diào)制的實現(xiàn)方法。綜合伺

2、服驅(qū)動的位置三環(huán)閉環(huán)控制原理，在 Simulink中搭建了伺服控制仿真模型，為關(guān)鍵問題的研究以及實際物理平臺的搭建提供理論基礎(chǔ)。
　　針對外骨骼系統(tǒng)中采用電機驅(qū)動的關(guān)鍵技術(shù)提出了解決方案。在電流控制中，通過減小空間矢量調(diào)制（SVPWM）周期，解決了由于電機繞組電感過小產(chǎn)生的相電流波動問題；在速度控制中，引入了基于M法的鎖相環(huán)速度估算方法，提高了低速下的穩(wěn)定性；在位置跟隨中，對點到點（PTP）梯形位置插值的問題，實現(xiàn)了一種簡易的 P

3、TP決策方法使得每個點到點的位置插值可被重新規(guī)劃，對多點插值問題，實現(xiàn)了基于Hermite三次多段的位置、速度、時間（PVT）插值方法，解決了多點插值的軌跡跟隨問題；在外骨骼的啟動定位中，提出了一種霍爾傳感器輔助定位的方法，解決了預(yù)定位啟動控制失步問題。
　　搭建了電機驅(qū)動的實際物理平臺和軟件平臺。在硬件上，對功率驅(qū)動電路、電流采樣電路、多級串聯(lián)BUCK降壓電路、過流過壓檢測電路進行了分析與設(shè)計，設(shè)計了驅(qū)動器斷電三相線短接電路，使

4、得斷電以后的電機進入高阻尼狀態(tài)，提高了外骨骼使用的安全等級。在軟件上，對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的軟件框架進行了解耦，實現(xiàn)了基于 SVPWM的矢量控制程序達到了勵磁電流和力矩電流的解耦控制。在通信上，設(shè)計了基于CAN通信的對象字典通信協(xié)議，使得外骨骼與節(jié)點的通信更加靈活。在重量、體積、定位精度、響應(yīng)速度上與外購驅(qū)動器構(gòu)成的節(jié)點控制器進行了測試比較，并在外骨骼的實際系統(tǒng)上進行帶載測試，表明了本文設(shè)計的驅(qū)動器方案完全可以替代外購點擊驅(qū)動。并且由于驅(qū)動針