[发明专利]一种机器人关节控制器功率级半物理仿真系统

权利要求书

1.一种机器人关节控制器功率级半物理仿真系统，其特征在于：包括上位机、机器人关节实时仿真系统、CAN通信板卡、待测电机驱动器以及电机功率模拟设备；

上位机：根据机器人要执行的任务解算机器人关节的位置给定信号，将其通过CAN通信板卡输出给待测电机驱动器；

待测电机驱动器：根据机器人关节的位置给定信号解算机器人关节控制电机的控制电压，向电机功率模拟设备输出该控制电压，接收上位机发送的机器人关节的位置给定信号以及机器人关节实时仿真系统发送的机器人关节的实际位置反馈信号，根据所述位置给定信号和实际位置反馈信号进行闭环伺服系统调节，使机器人关节的实际位置反馈信号跟随机器人关节的位置给定信号，实现位置控制；

机器人关节实时仿真系统：接收电机功率模拟设备输出的驱动电压和模拟电流，在该驱动电压作用下，进行机器人关节控制电机和负载的实时仿真，得到机器人关节的实际位置反馈信号和当前负载，将机器人关节的实际位置反馈信号通过CAN通信板卡输出给待测电机驱动器；根据模拟电流得到调节电流，将调节电流和当前负载输出给电机功率模拟设备；

电机功率模拟设备：根据当前负载将调节电流转化成电压，与来自待测电机驱动器的控制电压进行叠加，对叠加后的电压进行调理后得到驱动电压和模拟电流，输出给机器人关节实时仿真系统。

2.根据权利要求1所述的一种机器人关节控制器功率级半物理仿真系统，其特征在于：所述机器人关节实时仿真系统包括编码器仿真模块、机器人关节控制电机及负载数学模型、功率设备控制模块、第一AD转换器以及第二AD转换器，所述机器人关节控制电机及负载数学模型、功率设备控制模块、第一AD转换器以及第二AD转换器运行在FPGA板卡上；

第一AD转换器：接收电机功率模拟设备输出的驱动电压，将其进行模数转换后输出给机器人关节控制电机及负载数学模型；

机器人关节控制电机及负载数学模型：在驱动电压的作用下，进行实时仿真，得到机器人关节控制电机的位置信号和参考电流，将所述机器人关节控制电机的位置信号发送给编码器仿真模块，将所述参考电流发送给功率设备控制模块；

第二AD转换器：接收电机功率模拟设备输出的模拟电流，将其进行模数转换后输出给功率设备控制模块；

功率设备控制模块：根据机器人关节控制电机及负载数学模型的参考电流得到当前负载；将第二AD转换器输出的模拟电流，与机器人关节控制电机及负载数学模型的参考电流做差后，得到调节电流；将当前负载和调节电流通过数字信号输出端口输出给电机功率模拟设备；

编码器仿真模块：将机器人关节控制电机的位置信号转化为机器人关节的实际位置反馈信号，通过CAN通信板卡输出给待测电机驱动器。

3.根据权利要求2所述的一种机器人关节控制器功率级半物理仿真系统，其特征在于：所述编码器仿真模块采用通信协议为BISS或SSI的仿真卡实现。

4.根据权利要求1所述的一种机器人关节控制器功率级半物理仿真系统，其特征在于：所述电机功率模拟设备包括桥式调节电路、采集与调理模块以及脉冲分配模块；

脉冲分配模块：接收机器人关节实时仿真系统输出的调节电流和当前负载，将调节电流调理成当前负载需要的直流调节电压，输出给桥式调节电路；

桥式调节电路：将来自脉冲分配模块的直流调节电压，与来自待测电机驱动器的控制电压叠加后输出给采集与调理模块；

采集与调理模块：接收来自桥式调节电路的电压，将该电压进行脉冲宽度调制得到驱动电压，将调制后的驱动电压通过电压电流转换器转换为模拟电流，并将该模拟电流以及调制后的驱动电压输出给机器人关节实时仿真系统。

5.根据权利要求4所述的一种机器人关节控制器功率级半物理仿真系统，其特征在于：所述脉冲分配模块包括电源、比例加法放大电路、控制单元和三个开关管；

电源用于为脉冲分配模块供电；

比例加法放大电路接收机器人关节实时仿真系统输出的调节电流，将其调理成三种电压信号，三种电压信号的输出范围分别为0-5V、0-+10V、-10V-+10V，且每种电压信号与一个开关管连接；

控制单元接收机器人关节实时仿真系统输出的当前负载，根据当前负载控制三个开关管的开关频率，得到当前负载需要的直流调节电压，输出给桥式调节电路。

6.根据权利要求4所述的一种机器人关节控制器功率级半物理仿真系统，其特征在于：外部为待测电机驱动器提供24V直流供电。