11|【嵌入式--伺服电机】足式机器人外转子无刷电机研究四足机器人MIT|Cheetah|mini|自动驾

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前言
一、足式机器人电机背景预研
- 1.工业传统的电机预研
- 2.力控电机预研
- 3.足式机器人的驱动方式（液压、电驱）对比
二、电机性能对足式机器人的重要性
- （1）电机驱动元件过流耐压性能决定了四足机器人的负载能力
- （2）电机通讯带宽及稳定性**决定了四足机器人的动态响应灵敏程度
- （3）电机传感器性能**决定了传感器的选型和控制算法的效果
- （4）电机驱动系统的性能考虑
三、足式机器人电机的设计需求
- （1）从机械看
- （2）从输入看
- （3）从输出看
- （4）从经济成本看
四、机器人电机执行器设计矛盾点
五、足式机器人电机设计细节
- 1.机械上
- - （1）电机壳体固定件设计
  - （2）柔性减速箱设计
- 2.硬件上
- - （1）线圈磁铁、线圈设计
  - （2）驱动硬件驱动电路板设计
  - （3）磁编码器选型设计设计
  - - （1）编码器的作用
    - （2）编码器型号及厂家
    - （3）单编码器方案
    - （4）双编码器方案
六、足式机器人电机执行器硬件设计原理【重点】
- 1.PCB电路板模块集成
- 2.电机输入的电流、电压、功率分析
- 3.电机磁场定向控制硬件及算法
- 4.位置传感
- 5.链路通讯带宽
- 6.电机散热问题
七、力控电机内部处理位控、速控、力控的闭环方式控制框图
八、足式机器人的力控电机控制器设计（拓展）
- （1）目的
- （2）力控电机指令控制器原理

前言认知有限，望大家多多包涵，有什么问题也希望能够与大家多交流，共同成长！本文先对外转子无刷电机研究做个简单的介绍，具体内容后续再更，其他模块可以参考去我其他文章
提示：以下是本篇文章正文内容
一、足式机器人电机背景预研 1.工业传统的电机预研 1、控制模式上
（1）位置控制类电机，如现实中实际用的机电系统，【防盗标记–盒子君hzj】大多直接工作在位置环，比如步进电机、舵机、机床、工业机械臂
（2）速度控制电机
2、控制算法上
使用双编码器、三编码器方案；使用阻抗控制算法
3、机械结构上
减速箱高减速比
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2.力控电机预研 1、控制模式上：
加速度力控电机
2、控制算法上
用位置环作为外环，电流环作为内环，既追求的是位置精度，又追求的是力矩精度；控制流程为：PWM脉宽调制->控制电流闭环->实现力控内环
3、机械结构上
电机里面的弹性弹簧能增加电机的峰值功率输出，【防盗标记–盒子君hzj】同时由动量定理可以知道冲击力和冲击的速度成正比，因此具有高冲击缓冲性能；减速箱6：1的低减速比；轴承，齿轮都要用质量好的，寿命才比较长
4、力控电机定转子特征
其物理形状特征——扁平状与较大的中空镂空。为了保证力矩电机呈现较好的【扭矩/质量】的输出密度性能，需要选取较大的永磁体转子半径，较小的截面厚度与较小的轴向长度。(1)较大的径长比（diameter-to-length ratio）、(2)较多数目的磁极（magnet poles）
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3.足式机器人的驱动方式（液压、电驱）对比关节驱动器和执行部件是使机器人得以运动的关键部分，是机器人的肌肉。为了使机器人的运动关节输出足够的扭矩，在执行器与关节之间要增加减速齿轮箱，将高速低扭矩的执行器【防盗标记–盒子君hzj】（如电机）输出转化为低速大扭矩的关节输出。减速齿轮箱应尽量保证低减速比，以减少能量损耗和输出精度，执行器和减速箱整体的设计体积应尽量小.一般来说，四足机器人的驱动方式主要分为三类：【防盗标记–盒子君hzj】液压执行机构、气动执行机构和电动执行机构。气动执行机构由于其非线性特性而难以控制；电动执行器控制精度高，但可承担的负载较小；液压执行器由于其动力强劲得到了广泛的应用
1、液压驱动的冲击荷载分布在比较大的表面积上，电驱的行星齿轮仅仅分布在几个小齿轮上，电驱的齿轮寿命没有液压的久；但是液压机构比较复杂，会存在伺服阀等泄露
2、液压的输出力矩比较大，电驱的输出力矩比较小，不能满足多自由度串行大型机构的峰值性能。所以弹性机械臂多采用高齿轮电机（这样就很难做到力控，【防盗标记–盒子君hzj】这种机械臂会在输出端添加编码器和弹簧位移传感器用来测量输出端的关节力矩，就是机械上实现阻抗控制）
3、液压的控制精度没有电驱精确，反馈数据比较少，控制反馈回路简单
4、液压的驱动噪声比较大，平稳性没有电驱好，效率比较低
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二、电机性能对足式机器人的重要性（1）电机驱动元件过流耐压性能决定了四足机器人的负载能力（2）电机通讯带宽及稳定性**决定了四足机器人的动态响应灵敏程度（3）电机传感器性能**决定了传感器的选型和控制算法的效果（4）电机驱动系统的性能考虑 1）电机驱动器自主设计
机器人关节的电机驱动器在较大程度上依赖于国外，【防盗标记–盒子君hzj】而绝大多数国内研发的四足机器人仍处于实验室研发阶段，达不到波士顿动力公司的系列机器人可以在野外长时间工作的水准，不过现在也开始起步了
2）高带宽执行器设计
机器人的动态性能依赖于执行器的带宽，即执行器对信号的响应速度。【防盗标记–盒子君hzj】尤其是奔跑和跳跃的时候，需要执行器高速运动，对控制信号高速响应，若带宽不足则很难保持动态稳定
3）高能量密度执行器
高能量密度的执行器可以在满足功率时大大减小执行器的质量，【防盗标记–盒子君hzj】从而减轻机器人自重，提升机器人负载能力，降低对机构强度的需求，并提高机器人的续航能力
4）高效能的电机
腿足机器人由于每次落地与地面存在较大的碰撞，【防盗标记–盒子君hzj】容易造成能量的损失，在有限能源的情况下，如何实现更加高能效的运动
不带减速箱的直驱电机，尺寸小，重量轻，力矩控制简单可靠，同时极大地降低了驱动器的价格
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三、足式机器人电机的设计需求高带宽的本体感受电机，管理与环境的物理交互作用，具有高度的冲击缓解、力量控制和位置控制能力
（1）从机械看（1）结构紧凑【符合躯干机械设计要求】
（2）具有良好的搞冲击减震性能【防盗标记–盒子君hzj】【内置机械弹簧，阻抗控制算法】
（3）高频动态响应能力；【低阻抗传导、低减速比、低转动惯量、高速通讯】
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（2）从输入看（1）电机位置检测【能得到电机关节角度反馈】
（2）电机速度检测【防盗标记–盒子君hzj】【能得到电机关节速度反馈】
（3）电机电流检测【能得到电机关节加速度（地面反作用力）】
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（3）从输出看（1）能实现加速度力控制、位置控制、速度控制三种快速切换耦合控制
（2）正反控制驱动
（3）一定的负载能力【高力矩密度、能量效率高】
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（4）从经济成本看（1）低成本实现能力；【模块化设计类电机执行器】
（2）驱动器采用的电机【防盗标记–盒子君hzj】是类似于公版电机T-Motor U8,不需要额外的机械结构和昂贵的传感器就能做到力控
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四、机器人电机执行器设计矛盾点（1）低减速比在传动上阻抗传导低，低减速比通过电流反应动作的力矩，实时性也高，若是阻抗高，使用电流反映力矩的误差就大，两者不是正比例而是近似于正相关
（2）高力矩密度间接反映了电机漏磁小、【防盗标记–盒子君hzj】能量效率高，通过电流控制的精度也会提高，但是低减速比的电机天生的效率不高，因为电机低速甚至堵转的效率时非常低
（3）提高能量效率如不能提高减速比只能提高电机转子半径，增大电机体积；散热性和密封性是电机耐用性的考量
（4）力的精度(准确性)和峰值扭矩、速度、带宽的矛盾：【防盗标记–盒子君hzj】执行机构的静态扭矩误差约为±10%，主要由齿轮摩擦引起。在ANYmal中使用的系列弹性致动器(用于测量用于控制输出扭矩的系列弹簧的挠度)的扭矩精度要高得多，但峰值扭矩、速度和扭矩带宽要低得多
（5）使用连杆传动和链条传动的矛盾，使用链条传动机器不耐用，皮带永久了容易松弛，但是皮带链条传动机械上惯量低，更符合模型。其次皮带链条在碰撞的时候具有一定的缓冲性。【防盗标记–盒子君hzj】相比而言，连杆结构耐用性比较好，但是制作成本比较高、惯量比较大、缓冲性能比较差。
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五、足式机器人电机设计细节 1.机械上（1）电机壳体固定件设计
1）考虑密封性【避免进水、灰尘、沙石】
2）考虑散热性【散热贴进行热传导、内置散热系统】
3）考虑材料质量强度【氧化铝合金】
4）考虑电机安装孔位
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（2）柔性减速箱设计
采用如行星减速箱、谐波减速箱、弹簧阻尼减速箱考虑下面四个方向
（1）考虑阻抗摩擦及受力使用寿命
（2）考虑低减速比
减速箱采用的是减速比6：1的行星齿轮减速方案，【防盗标记–盒子君hzj】选用1：6为减速比的行星减速箱原因：第一，30的高减速比可能会是使用电流环做精确力控的上限；第二，而在很小的轴向尺寸下，一般只能采用单级的方案，且相应具体的减速比一般会小于10，否则太阳轮、行星轮和外齿圈的直径比例会很奇怪；减速比“6”的来源
（3）考虑低转动惯量
把行星齿轮箱被“嵌入“了电机中
（4）考虑高速的情况下，减速箱限制输出力矩
2.硬件上（1）线圈磁铁、线圈设计
1、考虑高力矩密度
【使用厚一点的线圈,较大半径的线圈】
2、考虑能量效率高
【使用磁性大一点的磁铁，这样能尽量减少电通过线圈产生旋转磁场时产生的热量比例】
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（2）驱动硬件驱动电路板设计
驱动板决定了电机的电气性能和电机特性
(1)正反转控制【FOC原理及其应用】
(2)位置感测【编码器的原理及其应用】
(3)硬件通讯【CAN+串口+485】
CAN总线通信
(1)下发信息：力矩、位置、速度及位置和速度的增益
(2)反馈信号：位置、速度以及基于电流环测量的扭矩
最大通信频率：4kHz/驱动器数目（可通过增加CAN总线数目扩大通信带宽）
(4)温度检测【温感线+ADC】
(5)电流电压检测【霍尔电流传感器】
(1)24V供电
(2)40A峰值相电流【防盗标记–盒子君hzj】（由于电机热力学限制，实际数值低于40A）
(6)位置控制模式【位控PID算法】
(7)力控制模式【力控PID算法】
驱动器的力控是通过电流环实现
(8)速度控制模式【速控PID算法】
（3）磁编码器选型设计设计
（1）编码器的作用 1、为FOC控制算法提供相位信息；
2、经过减速比换算提供位置信息接口
（2）编码器型号及厂家编码器芯片厂家有IC-Haus、AMS等。【防盗标记–盒子君hzj】编码器厂家有尼康、RLS等AMS AS5047P磁编码器，测量电机的位置信息，14 bit，圆形磁铁固定部分主要考虑了编码器位置检测
（3）单编码器方案优点:
（1）降低了整体驱动关节的实现成本
（2）计算换算简单
缺点:
（1）零点校正操作繁琐
（2）每次上电都要校正
（4）双编码器方案通常在机器人关节驱动器中，我们采用双编码器方案，即两个编码器安装在电机端和输出端
1)电机端提供FOC矢量控制算法的位置信号输入；
2)输出端用来在机器人运行【防盗标记–盒子君hzj】或者开机校准时提供关节的绝对位置信息
在带扭矩传感器的关节驱动器中（例如串联弹性驱动器SEA，或者工业机械臂Kuka LWR iiwa的关节驱动器），则会采用三编码器或者双编码器+应变片的多传感器方案。
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六、足式机器人电机执行器硬件设计原理【重点】 1.PCB电路板模块集成电机磁场定向控制FOC、编码器位置检测、通讯硬件三个模块的集成，集成的好处是大大减少了组装所需要的电线，电气连接更稳定。控制程序都在一块STM32F4上运行
2.电机输入的电流、电压、功率分析单个电机输入电压是24V，【防盗标记–盒子君hzj】峰值电流是40A,峰值功率960W（这个只是极限参数，瞬时的，因为再峰值功率下发热大大增加，热极限会限制连续的工作电流，过热会烧毁电机，所以提高电机功率，必须考虑散热的问题；用mosfet元件限制了输入电压不超过40V）
3.电机磁场定向控制硬件及算法无刷电机硬件三相逆变器由三个晶体管半桥构成，通过FOC在三个晶体管端子加压控制晶体管通断；FOC频率为40hz,同时运行PD位置环【foc算法参见文献12，大致简述【防盗标记–盒子君hzj】：三相定子电流通过DQ0变换形成与转子旋转的坐标系。电机的行为是大致线性的转子参考帧，因此可以使用离散时间线性控制技术来实现高带宽电流控制。然后，通过逆DQ0变换将转子框架中的电压转换回静止定子RIFE框架，并通过逆变器施加到电机端子。【防盗标记–盒子君hzj】硬件能够完成电流（并因此电磁转矩）控制。】
4.位置传感在PCB上集成了一个霍尔数字编码器AS5047,通过单片机SPI读取编码器的数值，既用于FOC换向信号，又用于转子位置的测量（通过转子的位置以6：1的关系换算出输出轴位置的关系）；算法上使用了位置传感器的校准程序、位置传感器线性化。具体要了解校准程序原理和步骤，得到校准效果
（1）为了确定电机相位的顺序，定子电压矢量沿正方向缓慢旋转。如果位置传感器的输出增加，相位排序是正确的。如果位置传感器的输出减小，则在程序中交换两个电机相位。
（2）为了确定位置传感器偏移，【防盗标记–盒子君hzj】定子电压矢量被缓慢地扫过电机的全机械旋转，无论是向前还是向后，记录所得到的转子位置。在该扫描期间，转子D轴密切跟踪定子电流矢量，该定子电流矢量是最低能量位置。由于齿槽转矩和摩擦力，电流矢量的角度与转子的角度之间存在一定的跟踪误差。位置敏感磁铁的直流偏移是平均角度差。
（3）为了消除摩擦效应，通过测量转子角度和电压角系列之间的差值，【防盗标记–盒子君hzj】减去直流偏移，并对前进和向后旋转方向进行时效处理。
（4）为了补偿位置传感器的非线性，首先必须滤除齿槽转矩效应。这是通过使用移动平均来完成的。即等权重的FIR滤波器，其窗口使其在齿槽频率上具有零增益。由于电机是旋转对称的，【防盗标记–盒子君hzj】齿槽频率必须在电机的电周期内是周期性的。如果FIR滤波器的窗宽等于一个电周期，那么它在电频率和电频率的所有整数倍数上都具有零增益，因此应该完全滤除齿槽效应
5.链路通讯带宽 PC->（以太网）->upbroad->（SPI）->两块单片机MCU->（4路CAN）->电机（MCU）；注意电机的can总线在电机的排布是并联连接的，为了达到大于40采样频率的闭环带宽，使用了自动调谐PI控制器；【防盗标记–盒子君hzj】电机使用CAN总线是因为其比较稳定可靠，但是弊端就是通讯速率不高最大只有1Mbps,所以使用四路CAN平均控制12个电机。通讯内容：每个电机接收5个命令：位置设定点、速度设定点、位置增益、速度增益和扭矩，【防盗标记–盒子君hzj】并用3个测量结果来回答：角度、角速度和估计扭矩
6.电机散热问题隔热垫+铝壳，原理类似于热接触自然散热
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七、力控电机内部处理位控、速控、力控的闭环方式控制框图

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同时能实现位置控制、速度控制和力矩控制的耦合输出。关节控制器采用了串级 PID 的原理，具有电流/速度/位置闭环。在控制器的最内侧采用了 PI 控制器控制执行器的输入电流。【防盗标记–盒子君hzj】在外层则采用了带有力矩前馈的 PD 控制器。电流的PI 控制闭环通常由电机驱动器内部实现。
（2）电机PD控制器的控制律为：

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（1）Kp为比例增益
（2）Kd为微分增益
（3）tff 为电机的电流力矩常数(忽略腿部动力学通过加一个力矩常数来弥补)
（4）该控制器通过调节外环的比例增益Kp 与微分增益Kd 切换控制模式，【防盗标记–盒子君hzj】仅需将比例增益Kd与微分增益Kd 设置为 0，即可实现纯力矩控制
八、足式机器人的力控电机控制器设计（拓展）（1）目的通过WBC提供的每个关节的位置、速度、加速度（力矩）信息，根据腾空相和支撑相两个工作模式，实现执行器力控输出
（2）力控电机指令控制器原理 【11|【嵌入式--伺服电机】足式机器人外转子无刷电机研究】四足机器人的腿部运动可以分为两种状态——摆动相与支撑相。在不同的工作状态下，对四足机器人腿部有着不同的控制需求。摆动相时，进行逆运动学位置控制或逆雅可比速度控制。支撑相时【防盗标记–盒子君hzj】，MPC模型预测控制加速度控制（力控）。机器人在腾空相和支撑相两个工作模式时会分别输出关节位置p指令，关节速度v指令、关节力矩f指令，机器人腿部控制器根据工作模式向电机发送指令，【防盗标记–盒子君hzj】电机接收到位置、速度、力矩指令后通过闭环实现FOC，机器人关节电机控制器的控制框图如图所示