技术特征：
1.一种无物理刹车爬壁机器人用驱动系统，其特征在于：包括第一减法器(1)、速度外环积分器(2)、开/闭环控制切换模块(3)、第二减法器(4)、电流内环积分器(5)、九轴imu传感器(6)、前馈补偿量估算模块(7)、第一加法器(8)、第三减法器(9)、脉宽矢量调制模块(10)、三相电压逆变器(11)、无物理刹车bldc模块(12)、减速机及车轮模块(13)、三相电流采集模块(14)、模数转换与计算模块(15)、光电编码器模块(16)和转速估算模块(17)；主控系统将设定的目标转速输入第一减法器(1)中；第一减法器(1)计算得到目标转速和实际转速的差值δω输入到速度外环积分器(2)中；速度外环积分器(2)根据差值δω进行比例积分计算得到闭环q轴电流输入到开/闭环控制切换模块(3)中；开/闭环控制切换模块(3)通过计算当前无物理刹车bldc模块(12)的最大扭矩t
max
得到阈值电流i
max
，根据设定的开环q轴电流闭环q轴电流无物理刹车bldc模块(12)实时功率和相电流以及实际转角计算得到q轴电流设定值并输入到第二减法器(4)中；第二减法器(4)计算设定q轴电流值与实际电流值i
q
的差值δi
q
输入到电流内环积分器(5)中；电流内环积分器(5)根据差值δi
q
进行比例积分计算得到控制目标的给定空间电压矢量幅值u0输入到第一加法器(8)中；九轴imu传感器(6)用于测算机器人行驶夹角θ并输入到前馈补偿量估算模块(7)中；前馈补偿量估算模块(7)根据输入的行驶夹角θ和机器人尺寸、重量信息计算需要补偿的前置量u
p+
输入到第一加法器(8)中，计算当前无物理刹车bldc模块(12)的最大负载功率p
max
和最大扭矩t
max
输入到开/闭环控制切换模块(3)中；第一加法器(8)对需要补偿的前置量u
p+
和电压矢量幅值u0作和得到输出的空间电压矢量的幅值u
ref
输入到第三减法器(9)中；第三减法器(9)根据输入的空间电压矢量幅值u
ref
计算和最大幅值u
max
差值的占比输入到改进型抗饱和器，改进型抗饱和器用于调节和输出最终的空间电压矢量幅值u
ref
到脉宽矢量调制模块(10)中；脉宽矢量调制模块(10)根据输入的空间电压矢量幅值u
ref
和无物理刹车bldc模块(12)的实际转角计算得到六路调制pwm，并将其输入到三相电压逆变器(11)中，当电刹车无法支持机器人自稳或匀速下移时，脉宽矢量调制模块(10)会调节输出新的六路调制pwm，改变电机的转向，反转产生制动力矩；三相电压逆变器(11)产生最终的驱动电流输入到无物理刹车bldc模块(12)中；无物理刹车bldc模块(12)以对应的转速转向带动减速机及车轮模块(13)的运动，使得爬壁机器人在壁面上完成各种运动；三相电流采集模块(14)采集得到对应的三相电流i
a
、i
b
和i
c
输入到模数转换与计算模块(15)中；模数转换与计算模块(15)根据测得的三相电流i
a
、i
b
和i
c
计算得到实际q轴电流值输入
到第二减法器(4)中；光电编码器模块(16)测量无物理刹车bldc模块(12)的实际转角输入到开/闭环控制切换模块(3)、前馈补偿量估算模块(7)、脉宽矢量调制模块(10)和转速估算模块(17)中；转速估算模块(17)根据输入的无物理刹车bldc模块(12)实际转角计算得到实时转速并输入到第一减法器(1)中。2.利用权利要求1所述驱动系统的无物理刹车爬壁机器人用驱动方法其特征在于：开/闭环控制切换模块(3)的实现方法如下；第一步：根据输入的最大扭矩t
max
计算得到阈值电流i
max
；第二步：对无物理刹车bldc模块(12)的实时功率p和相电流i进行计算；第三步：根据实时功率p、相电流i和最大负载功率p
max
、阈值电流i
max
的比较，判断进一步的工作模式；状态1：机器人正常启动阶段(实时功率p≤p
max
,实时相电流i≤i
max
，电机运行圈数≤10)，进入速度开环控制模式，开/闭环控制切换模块(3)输出设定的q轴开环小电流运行稳定后(实时功率p≤p
max
,实时相电流i≤i
max
，电机运行圈数＞10)，进入速度闭环控制模式，开/闭环控制切换模块(3)输出计算得到的q轴闭环电流状态2：不正常启动阶段(不满足实时功率p≤p
max
且实时相电流i≤i
max
时)，进一步判断情况，当实时功率p≤p
max
且相电流i＞i
max
时，进行系统过流模式，自动发送锁存命令停机报警，当实时功率p＞p
max
且相电流i≤i
max
时，进入堵转运行模式，如果堵转时间t＜t
max
，重新估算无物理刹车bldc模块(12)的实时功率p和相电流i，如果堵转时间t≥t
max
，则进行堵转停机报警。3.根据权利要求2所述的一种无物理刹车爬壁机器人用驱动方法，其特征在于：前馈补偿量估算模块(8)的实现方法如下；第一步：根据公式(1)和(2)得到无物理刹车bldc模块(12)的最大负载功率p
max
和最大扭矩t
max
输入到开/闭环控制切换模块(3)中；输入到开/闭环控制切换模块(3)中；式中n为无物理刹车bldc模块(12)的实时转速，m0为机器人总重量，g为重力加速度，r为车轮外半径；第二步：计算前置反馈系数k
θ
，根据光电编码器模块(16)测得的无物理刹车bldc模块(12)实时转角代入公式(3)计算得到前置反馈系数k
θ
，当机器人准备下移、转向或者自稳定时进行前馈补偿，否则不进行前馈补偿；第三步：根据达朗贝尔虚功原理，建立机器人以任意姿态直线运动时的力平衡方程；
式中n1、n2、n3、n4分别为壁面对车轮1、2、3、4的反作用力，f
p1
为负压所产生的贴紧力，f
fyo
为爬壁机器人驱动摩擦力，f
f3
为墙壁对密封裙的摩擦力，g为机器人受到的重力，
‑
ma为虚构的惯性力；得到作用的负压吸附力满足公式(5)；式中μ1、μ2分别为左驱动轮系和右驱动轮系的摩擦系数，恒定不变；在公式(5)分别代入机器人几何尺寸参数h(重心离壁面高度)、l(机器人长度)和b(宽度)，得到满足条件的最小负压吸附力为：第四步：根据试验测得的负压
‑
转速的数学模型(如公式(7))，结合力学分析结果，代入公式(8)；f
p1
(x)＝p1n2+p2n+p3ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)式中p1、p2、p3分别为不同的常系数；求解得到转速n；结合前面得到的前置反馈系数k
θ
代入公式(10)，得到前置量u
p+
；式中k
f
为转速和空间矢量电压幅值间的比例系数。4.根据权利要求2所述的一种无物理刹车爬壁机器人用驱动方法，其特征在于：速度闭环控制模式中加入了改进型抗饱和器；
式中k
c
为补偿系数，δ
u
为积分饱和度，β为阀值常数，k
p
为常系数，u
max
为最大幅值，s为虚变量，t
i
为积分时间常数；第三减法器(9)求得积分饱和度δ
u
＝(u
ref
‑
u
max
)/u
max
×
100％，通过公式(11)的补偿系数k
c
的调节规则，代入公式(12)确定空间电压矢量幅值u
ref
抗积分饱和补偿后的最终输出。
技术总结
本发明提供了一种无物理刹车爬壁机器人用驱动系统及方法，驱动系统组成包括第一减法器、速度外环积分器、开/闭环控制切换模块、第二减法器、电流内环积分器、九轴IMU传感器、前馈补偿量估算模块、第一加法器、第三减法器、脉宽矢量调制模块、三相电压逆变器、无物理刹车BLDC模块、减速机及车轮模块、三相电流采集模块、模数转换与计算模块、光电编码器模块和转速估算模块。本发明采用设计的算法估计前馈重力补偿量，对给定开关频率PWM以及电机转向进行适时修正，进而解决了现有无物理刹车驱动系统自稳定难的问题，通过引入的改进抗饱和算法改善了系统鲁棒性差的问题。改善了系统鲁棒性差的问题。改善了系统鲁棒性差的问题。
技术研发人员：王秋 陈明松 蔺永诚 曾维栋 王冠强 吴敏杰
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2021.07.16
技术公布日：2021/10/15