一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器

1.本发明属于特种机器人领域，具体来说涉及一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器。


背景技术：

2.机电作动器(electro-mechanical actuator，ema)是通过控制电动机进而控制负载运动的一类执行器，广泛应用在民用工业、军工和航空航天领域。机器人关节模组将无框力矩电机、传感器以及伺服驱控器一起高度集成，组成一个小而精的集成式机电复合体，机器人关节模组是一种典型的功率电传作动器。机器人关节模组作动器的精确变频调速和精确位置控制都必须依靠集成内部的伺服驱控器完成。而伺服驱控器是一个复杂的综合电子电路系统，主要核心电路由mcu控制器、低压dc电源、电压型逆变器、栅极驱动电路、三相电流采样电路、位置反馈电路和过载保护电路以及其它必要的传感器电路等组成。伺服驱控器中的栅极驱动电路将控制器发出的高频方波脉冲信号进行电平移位，在保持不失真情况下提高脉冲电平，通过推挽输出，提高输出点功率，进而直接作用并驱动电压型逆变器的mos管或igbt，电压型逆变器直接为无框力矩电机提供交流电流和电压，然后交流电经过机器人关节模组内部的无框力矩电机将交流电能转换成大小和方向可调、可控的空间矢量旋转磁场，交流电形成的空间矢量旋转磁场与关节模组内部无框力矩电机转子永磁体发生磁场相互作用，在无框力矩电机内部完成电能-机械能的能量转换，进而带动机器人关节末端负载运行。伺服控制器通过改变方波脉冲的频率调整栅极驱动电路电平移位的频率，进而改变电压型逆变器中mos管或igbt的开关频率，从而完成精确变频调速。机器人关节模组作动器精确位置控制是同样利用采样电路反馈的电流信号和位置传感器反馈的位置信息，参与伺服驱控器位置环的闭环运算，并将位置环的计算结果反馈至伺服驱动的速度环，速度环进而重复上述动作，完成机器人关节的精确定位和变频调速。因此，伺服驱控器的栅极驱动电路是控制器和电压型逆变器脉冲调制的桥梁，也是机器人关节模组作动器带负载运行时能量转换的桥梁，栅极驱动电路的性能直接决定了伺服驱控器的工作性能，而伺服驱控器直接决定了机器人关节模组作动器的工作性能。
3.由于电平移位芯片的高频、高电磁辐射、高应力、大驱动、低功耗的特殊工作性质，使得电平移位栅极驱动电路在商业民用货架上通常为全集成化芯片或者半集成化芯片，商业货架(cots)上的全集成化电平移位栅极驱动芯片由于集成电路工艺限制，通常耐辐射性能差，并不能直接应用在航空航天和核工业等特种机器人领域。
4.因此，栅极驱动电路的耐辐射水平直接决定了整个伺服驱控器的耐辐射水平，同时，也直接决定了机器人等机电作动器在航空航天以及核工业等安全性要求较高的特种机器人领域的应用范围。在电压型逆变器可以达到较高的耐辐射水平技术背景下，如何提高栅极驱动电路在辐射环境下的抗耐辐射性能，对开发冗余型、高可靠特种伺服驱控器具有重要意义，同时也是该领域内的一大短板，亟待补齐。
5.在航空航天以及核工业等安全性要求较高领域，高抗辐射和高可靠性是衡量机器
人伺服驱控器综合性能的重要指标。机器人伺服驱控系统高抗辐射和高可靠性指标的提高主要技术措施是采用各种硬件冗余和相应硬件支撑的软件算法容错来实现，理论上使用多模冗余技术，通过给系统增加一些重复资源来屏蔽系统故障，可以保证机器人伺服系统的故障率无限接近于零。但考虑实际工程应用，特别是机器人关节模组内部的高集成化，集成式受空间限制，多模冗余实际上通常为2-3模冗余。多模冗余技术通常根据硬件工作切换方式不同分为热备冗余和冷备冗余。基于相似冗余不能抑制共模故障原理，如果在工程上采用同样的热备冗余电路模块，在辐射环境下伺服驱控器的栅极驱动电路主模块和冗余备用电路同时接受辐照，势必导致两套栅极驱动电路模块吸收辐射累计剂量相同，在辐照环境下几乎同时失效，并不能起到提高服役寿命的效果。根据栅极驱动电路模块在带电(热机)和停机不带电(冷机)在相同辐射环境下电路模块产生的辐射效应有较大差异的原理，单单为了提高机器人伺服驱控器在辐射环境下的服役寿命问题，后备冷备冗余是目前最优的解决方案。冗余设计的初衷是保证设备能正常可靠工作，但后备冷备冗余工作方式最大弊端为：存在启动冒险行为和数据丢失问题，特别是在进行顺序控制时，在切换时存在输出扰动，冷冗余启动电路需要一个过程，需要多个时钟周期节拍，才能启动成功，这期间必然引起核心数据丢失。特别是出现控制器冷插拔等边界条件时，会出现不及时切换现象，或者冷冗余备用模块无法顺利启动，导致mcu主控制器内部锁定电路短时间失效而出现双主或者双从失效现象。后备冷冗余工作方式虽然可以显著提高设备和栅极驱动电路的服役寿命，同时也显著降低系统的可靠性。


技术实现要素：

6.本发明为了解决核辐射环境下机器人关节伺服驱控器因射线辐射电离产生各种辐射效应无法正常服役问题，基于抗辐射设计的独立性、多元化、冗余性原则；本发明专利设计了功能相同，但不同非相似余度的主备两套栅极驱动硬件电路，并以主备两套栅极驱动硬件电路为基础，设计一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器。
7.具体的，本发明提供一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器，所述机器人关节伺服驱控器包括mcu上层控制器、mcu下层控制器、电压型逆变器、伺服无框力矩电机、位置反馈电路、电流采样调理电路、flt过载保护电路、电源板供电电路和冗余型栅极驱动电路；
8.所述mcu上层控制器用于计算冗余型栅极驱动机器人关节伺服驱控器的运动算法，并根据伺服无框力矩电机的故障模式进行模型重构计算，同时，将计算结果实时发送至mcu下层控制器；
9.所述mcu下层控制器用于控制位置反馈电路和传感器单元的信号采集和处理，所述mcu下层控制器根据这些信号判断机器人关节伺服驱控器的故障点位和类型，同时，负责向mcu上层控制器发送容错命令；
10.所述电源板供电电路用于为冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器正常工作提供电源电压；
11.所述冗余型栅极驱动电路包括集成芯片栅极驱动电路和分立器件栅极驱动电路共同组成；
12.所述集成芯片栅极驱动电路用于输出移位信号；
13.所述分立器件栅极驱动电路用于在所述集成芯片栅极驱动电路处于故障时替代所述集成芯片栅极驱动电路输出移位信号，所述分立器件栅极驱动电路包括分立器件上桥臂栅极驱动电路和分立器件下桥臂栅极驱动电路；
14.所述分立器件上桥臂栅极驱动电路由上桥臂电压型逆变器双放电回路、上桥臂ocl电路、上桥臂充电泵跳变型负压电路、上桥臂电源切换电路、上桥臂恒流源电路、上桥臂逻辑取反电路和自举倍压电路组成；
15.所述上桥臂电压型逆变器双放电回路由第十六二极管d16和第三电阻r3并联组成，在电压型逆变器中的第十七n型mos管n17开通时只有一个充电回路，电压型逆变器中的第十七n型mos管n17关断时有两个放电回路，能够从硬件设计上留有一定的死区时间避免发生串宏；
16.所述上桥臂ocl电路由第十二极管d10和第十一二极管d11以及第十n型mos管n10和第四p型mos管p4组成，所述上桥臂ocl电路特点可避免斩波在电平移位时发生交越失真，同时也为电压型逆变器第十七n型mos管n17导通时提供足够的灌电流；
17.所述上桥臂充电泵跳变型负压电路由第二飞跨电容c2、第十二二极管d12、第十三二极管d13、第十四二极管d14和第十五二极管d15以及第十一n型mos管n11和第十二n型mos管n12组成，所述下桥臂充电泵跳变型负压电路用于在电压型逆变器关闭时形成负压放电，减少放电拖尾现象，加速电压型逆变器关断过程；
18.所述上桥臂电源切换电路由第九n型mos管n9和第十分压电阻r10和第十一分压电阻r11组成；
19.所述上桥臂恒流源电路则是由第三p型mos管p3和第八n型mos管n8以及第十二反馈电阻r12组成；
20.所述上桥臂逻辑取反电路则是由第七n型mos管n7组成，所述逻辑取反电路用于集成芯片和分立栅极驱动电路在冗余切换时的逻辑一致性，避免停机修改算法；
21.所述自举倍压电路是由第十三n型mos管n13、第五p型mos管p5、第十四n型mos管n14、第六p型mos管p6、第七p型mos管p7、第十五n型mos管n15、第八p型mos管p8、第十六n型mos管n16组成；
22.所述自举倍压电路中的第三飞跨电容c3一端分别与第五p型mos管p5、第十四n型mos管n14的漏端连接，另外一端分别与第六p型mos管p6、第七p型mos管p7的漏源端连接；
23.所述分立器件下桥臂栅极驱动电路由下桥臂电压型逆变器双放电回路、下桥臂ocl电路、下桥臂充电泵跳变型负压电路、下桥臂电源切换电路、下桥臂恒流源电路、下桥臂逻辑取反电路组成；
24.所述分立器件上桥臂栅极驱动电路比分立器件下桥臂栅极驱动电路，仅多了一个自举倍压电路，其它的电路组成和基本连线方式都相同。
25.更近一步地，所述冗余型栅极驱动电路还包括冷冗余独立供电电路；
26.所述冷冗余独立供电电路包括第十九n型mos管n19、第九p型mos管p9、第四滤波电容c4、第四输出分压电阻r10；
27.第十九n型mos管n19栅极与所述mcu下层控制器连接，第十九n型mos管n19漏极连接第九p型mos管p9的栅极，第九p型mos管p9源极连接vc，漏极输出vd经过第四输出分压电阻r10与分立器件栅极驱动电路连接；
28.第十九n型mos管n19栅极接收到mcu下层控制器的仲裁信号，第十九n型mos管n19导通，第九p型mos管p9导通，vc＝vd，vd直接为分立器件栅极驱动电路单独供电；mcu下层控制器无下发仲裁信号，说明集成芯片栅极驱动正常工作，第十九n型mos管n19截止，第九p型mos管p9截止，vd＝0，不对外供电，分立器件栅极驱动电路处于无供电冷备状态。
29.更近一步地，所述冗余型栅极驱动电路还包括数据选择器和ad采样电路；
30.数据选择器作为一种数字多路开关，接收mcu下层控制器的仲裁信号，数据选择器根据仲裁信号可以自动切换集成芯片栅极驱动和分立器件栅极驱动；
31.ad采样电路则会采集集成芯片栅极驱动电路输出的电平移位信号，并将采集到的栅极驱动电平移位信号输送至mcu下层控制；mcu下层控制器根据给定判据(u0+δ)；若采集量u＞(u0+δ)，说明栅极驱动芯片出现故障，mcu下层控制器向数据选择器发出仲裁信号，数据选择器根据逻辑切换至分立器件栅极驱动电路。
32.更近一步地，所述机器人关节伺服驱控器包括传感器单元；所述传感器单元包括旋转变压器、温度传感器和力传感器；
33.所述传感器单元将冗余感知到的机器人关节转角和转速位姿信号、温度和力矩信号传递到mcu下层控制器，所述信号经过mcu下层控制器评估和预处理后反馈至mcu上层控制器，并参与机器人关节伺服驱控器的运动计算。
34.更近一步地，所述机器人关节伺服驱控器包括位置反馈电路；
35.所述位置反馈电路用于保证机器人关节伺服驱控器始终工作在位置模式，且能够实时动态跟随主控制器发出的位置和速度指令。
36.更近一步地，所述机器人关节伺服驱控器包括电流采样调理电路和flt过载保护电路；
37.所述电流采样调理电路和flt过载保护电路是由基本运算放大电路组成，在冗余型栅极驱动机器人关节伺服驱控器中用于对电压型逆变器和伺服无框力矩电机形成闭合回路中的电流进行检测和过载保护。
38.更近一步地，所述机器人关节伺服驱控器根据集成电路和制板工艺高度集成的电路板，根据功能集成，依次集成为mcu控制板、伺服驱动板、传感感知板和低压电源板；
39.所述mcu控制板是由mcu上层控制器和mcu下层控制器一起高度集成；
40.所述伺服驱动板是由冗余型栅极驱动电路，电压型逆变器，伺服无框力矩电机、电流采样调理电路、flt过载保护电路一起高度集；
41.所述传感感知板是由位置反馈电路与传感器单元一起高度集成，所述传感器单元包含旋转变压器、温度传感器和力传感器；
42.所述低压电源板是由电源板供电电路和冷冗余独立供电电路一起高度集；
43.所述mcu控制板、伺服驱动板、传感感知板和低压电源板之间通过铜柱进行物理连接；板与板之间通过连接器实现信号互联，板与板之间采用逐级取电方式，依次从低压电源板上取电；
44.所述mcu控制板、伺服驱动板、传感感知板和低压电源板与机械外壳进行装配，所述mcu控制板、伺服驱动板、传感感知板和低压电源板均放置在机械外壳中，机械外壳采用耐辐射轻量化材料，用于保护和提高所述机器人关节伺服驱控器在辐射环境下的服役寿命。
45.本发明达到的有益效果是：
46.第一、本发明中的冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器，是基于抗辐射设计的独立性、多元化、冗余性原则设计出功能相同，但不同非相似余度的主备两套冗余型栅极驱动电路，其中，备用栅极驱动电路采用分立器件搭建电路，在主备冗余方式上为主备冷冗余，区别于传统的热冗余，在本发明中栅极驱动电路的主备冷冗余策略中可以显著提高辐射效应的总剂量效应。同时，以主备两套栅极驱动硬件电路为基础，设计一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器，该冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器可以与多相伺服无框力矩电机一起实现机器人关节伺服驱控器的硬件多模冗余和运动控制算法的容错软硬结合，可显著提升机器人关节伺服驱控器在航天深空以及核工业等高抗辐射、高可靠性和高服役周期领域的应用。
47.第二、本发明中的冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器，设计并内部集成了受控mcu的冷冗余独立供电电路，在该电路的作用下，仅需要一个节拍即可实现机器人关节伺服驱控器中栅极驱动电路的冷冗余主备切换，从硬件上可避免mcu下层控制在仲裁切换时存在启动冒险行为和数据丢失问题。
48.第三、本发明中的冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器，采用分层双层控制器架构，mcu下层控制器可以通过合理分配阈值，采用先主机模块工作、实时主机故障检测、后备模块预备冷启动、后备模块切入工作的复合冗余模式。该复合冗余工作模式不仅可以从软件策略上解决冷冗余切换数据丢失问题，也可以提高模块在辐射环境下的累计剂量，提高机器人关节伺服驱控器在辐射环境下的服役寿命问题。同时，该复合冗余切换方式，在栅极驱动芯片发生参数失效，但未出现功能性故障时，可以尝试多次启动冷冗余的分立器件栅极驱动电路，避免直接启动存在启动冒险行为和数据丢失问题，特别是在进行顺序控制时，可避免切换时存在输出扰动问题。
49.第四、本发明中的冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器，根据集成电路和制板工艺高度集成的电路板，根据功能集成，依次集成为mcu控制板、伺服驱动板、传感感知板和低压电源板，mcu控制板、伺服驱动板、传感感知板和低压电源板与机械外壳进行装配，且放置和固定在机械外壳中，机械外壳采用耐辐射轻量化材料，用于保护和提高所述机器人关节伺服驱控器在辐射环境下的服役寿命。
50.第五、本发明中的冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器，mcu控制板内部采用分层双层控制器架构，mcu上层控制器用于计算机器人关节伺服驱控器的运动算法，并根据伺服无框力矩电机的故障模式进行模型重构计算，而mcu下层控制器用于控制位置反馈电路和传感器单元的信号采集和处理，并根据这些信号判断机器人关节伺服驱控器的故障点位和类型，同时，负责向mcu上层控制器发送容错命令。分层双控制器能够保证并限定mcu上层控制器和mcu下层控制器的复杂度，能够实现mcu上层控制器和mcu下层控制器具有不同的控制目标，使mcu控制板冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器内部故障模式的诊断、仲裁、传感器数据读写、信号通讯、以及容错切换算法等指令的执行更加有序高效。mcu控制板冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器采用的双层分级、合作自治的结构形式，将其危险性打散，能够实时高效管理，同时该架构便于机器人关节伺服驱控器控制系统算法组态软件的模块化设计，降低开发难度。
附图说明
51.图1冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器架构与组成示意图；
52.图2冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器高度集成化示意图；
53.图3冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器机电装配图；
54.图4冗余型栅极驱动的仲裁和切换示意图；
55.图5受控于mcu的冷冗余分立器件栅极驱动供电示意图；
56.图6冗余型栅极驱动电路构成示意图；
57.图7分立器件栅极驱动电路示意图；
58.图8电压型逆变器构成与连接示意图。
具体实施方式
59.下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
60.如图1所示，本发明提供了一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器，该机器人关节伺服驱控器包括mcu上层控制器、mcu下层控制器、电压型逆变器、伺服无框力矩电机、位置反馈电路、传感器单元、电流采样调理电路、flt过载保护电路、电源板供电电路和冗余型栅极驱动电路；
61.mcu上层控制器用于计算冗余型栅极驱动机器人关节伺服驱控器的运动算法，并根据伺服无框力矩电机的故障模式进行模型重构计算，同时，将计算结果实时发送至mcu下层控制器。
62.mcu下层控制器用于控制位置反馈电路和传感器单元的信号采集和处理。mcu下层控制器根据这些信号判断机器人关节伺服驱控器的故障点位和类型，同时，负责向mcu上层控制器发送容错命令。
63.如图1和图8所示，电压型逆变器，由第十七n型mos管n17与第十八n型mos管n18构成的逆变器单元桥电路组成，逆变器单元桥电路的连接方式为：第十七n型mos管n17的源极与第十八n型mos管n18的源极连接，并形成中心点，该中心点连接在伺服无框力矩电机端，第十七n型mos管n17的栅极与第十八n型mos管n18的栅极分别连接在冗余型栅极驱动电路的输出端，其中，冗余型栅极驱动电路的输出端在分立器件栅极驱动电路是指上桥臂ocl电路和下桥臂ocl电路的输出端，集成芯片栅极驱动电路是指集成芯片的输出端；
64.此外，电压型逆变器，由第十七n型mos管n17与第十八n型mos管n18构成的逆变器单元桥电路组成，逆变器单元桥电路具体数目与伺服无框力矩电机的相数对应，如果是n相伺服无框力矩电机，电压型逆变器就对应有n个逆变器单元桥电路相互并联组成：
65.电压型逆变器由mos管、igbt或晶闸管等功率器件组成，在冗余型栅极驱动机器人关节伺服驱控器中，用于电压逆变为交流电，实现功率裂变。
66.伺服无框力矩电机可以由三相或者多相定子绕组组成，在冗余型栅极驱动机器人关节伺服驱控器中，伺服无框力矩电机将电压型逆变器逆变的交流电能转换成大小和方向可调的空间矢量旋转磁场，交流电形成的空间矢量旋转磁场与关节内部无框力矩电机转子永磁体发生磁场相互作用，在伺服无框力矩电机内部完成电能-机械能的能量转换，进而带动机器人关节末端负载运行。
67.位置反馈电路是由高精度编码器以及编码器接口电路组成，在冗余型栅极驱动机器人关节伺服驱控器中位置反馈电路保证机器人关节伺服驱控器始终工作在位置模式，且能够实时动态跟随主控制器发出的位置和速度指令，位置反馈电路则直接决定了机器人关节的精度。
68.传感器单元包含旋转变压器、温度传感器和力传感器，传感器单元将冗余感知到的机器人关节转角和转速位姿信号、温度和力矩信号传递到mcu下层控制器，这些信号经过mcu下层控制器评估和预处理后反馈至mcu上层控制器，并参与机器人关节伺服驱控器的运动计算。
69.电流采样调理电路和flt过载保护电路是由基本运算放大电路组成，在冗余型栅极驱动机器人关节伺服驱控器中用于对电压型逆变器和伺服无框力矩电机形成闭合回路中的电流进行检测和过载保护。
70.电源板供电电路是为冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器正常工作提供电源电压。
71.如图4所示，冗余型栅极驱动电路，由数据选择器、ad采样电路、冷冗余独立供电电路、集成芯片栅极驱动电路和分立器件栅极驱动电路共同组成；
72.数据选择器作为一种数字多路开关，接收来自mcu下层控制器的仲裁信号，数据选择器根据仲裁信号可以自动切换集成芯片栅极驱动和分立器件栅极驱动；
73.ad采样电路则会采集集成芯片栅极驱动电路输出的电平移位信号，并将采集到的栅极驱动电平移位信号输送至mcu下层控制；mcu下层控制器根据给定判据(u0+δ)；当采集量u＞(u0+δ)，说明栅极驱动芯片出现故障，mcu下层控制器向数据选择器发出仲裁信号，数据选择器根据逻辑切换至分立器件栅极驱动电路。
74.如图5所示，冷冗余独立供电电路包括第十九n型mos管n19、第九p型mos管p9、第四滤波电容c4、第四输出分压电阻r10。第十九n型mos管n19栅极与mcu下层控制器连接，第十九n型mos管n19漏极连接第九p型mos管p9的栅极，第九p型mos管p9源极连接vc，漏极输出vd经过第四输出分压电阻r10与分立器件栅极驱动电路连接。
75.第十九n型mos管n19栅极接收到mcu下层控制器的仲裁信号，第十九n型mos管n19导通，第九p型mos管p9导通，vc＝vd，vd直接为分立器件栅极驱动电路单独供电；mcu下层控制器无下发仲裁信号，说明集成芯片栅极驱动正常工作，第十九n型mos管n19截止，第九p型mos管p9截止，vd＝0，不对外供电，分立器件栅极驱动电路处于无供电冷备状态。
76.冗余型栅极驱动电路的切换方式，可以通过合理分配阈值δ，采用先主机模块工作、实时主机故障检测、后备模块预备冷启动、后备模块切入工作的复合冗余模式。该复合冗余切换方式，在栅极驱动芯片发生参数失效，但未出现功能性故障时，可以尝试多次启动冷冗余的分立器件栅极驱动电路，避免直接启动存在启动冒险行为和数据丢失问题，特别是在进行顺序控制时，可避免切换时存在输出扰动问题。
77.如图6和图7所示，分立器件栅极驱动电路由分立器件上桥臂栅极驱动电路和分立器件下桥臂栅极驱动电路组成。
78.分立器件上桥臂栅极驱动电路由上桥臂电压型逆变器双放电回路、上桥臂ocl电路、上桥臂充电泵跳变型负压电路、上桥臂电源切换电路、上桥臂恒流源电路、上桥臂逻辑取反电路和自举倍压电路组成。
79.分立器件下桥臂栅极驱动电路由下桥臂电压型逆变器双放电回路、下桥臂ocl电路、下桥臂充电泵跳变型负压电路、下桥臂电源切换电路、下桥臂恒流源电路、下桥臂逻辑取反电路组成。
80.由于分立器件上桥臂栅极驱动电路比分立器件下桥臂栅极驱动电路，仅多了一个自举倍压电路，而其它的上/下桥臂栅极驱动电路中的电压型逆变器双放电回路、上/下桥臂ocl电路、上/下桥臂充电泵跳变型负压电路、上/下桥臂电源切换电路、上/下桥臂恒流源电路、上/下桥臂逻辑取反电路两者在电路拓扑结构、工作原理和驱控原理都相同，因此，在本发明专利的具体实施例中，以分立器件上桥臂栅极驱动电路为主，进行详细描述。
81.如图7所示，分立器件上桥臂栅极驱动电路中的电压型逆变器双放电回路由第十六二极管d16和第三电阻r3并联组成，在电压型逆变器中的第十七n型mos管n17开通时只有一个充电回路，电压型逆变器中的第十七n型mos管n17关断时有两个放电回路，其优点从硬件设计上留有一定的死区时间避免发生串宏；
82.对应的在分立器件下桥臂栅极驱动电路中电压型逆变器双放电回路由第八二极管d8和第一电阻r1并联组成，在电压型逆变器中的第十八n型mos管n18开通时只有一个充电回路，电压型逆变器中的第十八n型mos管n18关断时有两个放电回路。
83.分立器件上桥臂栅极驱动电路中的上桥臂ocl电路由第十二极管d10和第十一二极管d11以及第十n型mos管n10和第四p型mos管p4组成，上桥臂ocl电路在连接方式上，第十二极管d10和第十一二极管d11分别并联在第十n型mos管n10的栅源上和第四p型mos管p4的栅源上，第十二极管d10的阳极和第十一二极管d11的阴极依次串联，上桥臂ocl电路优点是可避免斩波在电平移位时发生交越失真，同时也为电压型逆变器第十七n型mos管n17导通时提供足够的灌电流。
84.分立器件上桥臂栅极驱动电路中的上桥臂充电泵跳变型负压电路由第二飞跨电容c2、第十二二极管d12、第十三二极管d13、第十四二极管d14和第十五二极管d15以及第十一n型mos管n11和第十二n型mos管n12组成，上桥臂充电泵跳变型负压电路在连接方式上，第二飞跨电容c2的一端与第十五二极管d15的阳极连接，第二飞跨电容c2的另外一端与第十三二极管d13的阴极连接，第十四二极管d14的阳极与第二飞跨电容c2的一端并联，第十四二极管d14的阴极接在第二飞跨电容c2另外一端，且第十四二极管d14的阴极和第二飞跨电容c2另外一端一起接在上桥臂ocl电路的第四p型mos管p4栅漏输出端。
85.上桥臂充电泵跳变型负压电路在连接方式上，第二飞跨电容c2的一端和第十四二极管d14的阳极接在第十二n型mos管n12的漏极上，第十三二极管d13与第二飞跨电容c2串联，并且第十三二极管d13的阳极接在第十一n型mos管n11的漏极上，第十二二极管d12的阳极与第十一n型mos管n11的栅极串联，第十二二极管d12的阴极与上桥臂ocl电路中的第十n型mos管n10的源极上，第十二n型mos管n12的栅极与恒流源电路中的第三p型mos管p3的漏极连接。
86.上桥臂充电泵跳变型负压电路优点可以在电压型逆变器第十七n型mos管n17关闭时形成负压放电，减少放电拖尾现象，加速电压型逆变器第十七n型mos管n17关断过程，同样是从电路设计上预留足够的死区时间，避免电压型逆变器第十七n型mos管n17和第十八n型mos管n18发生串宏。
87.上桥臂电源切换电路由第九n型mos管n9和第十分压电阻r10和第十一分压电阻
r11组成，上桥臂电源切换电路在连接方式上，第九n型mos管n9的栅极与上桥臂恒流源电路中的第三p型mos管p3的漏极连接，第十分压电阻r10串联在第九n型mos管n9的漏极上，第十一分压电阻r11并联在第九n型mos管n9的漏极输出端。
88.上桥臂恒流源电路则是由第三p型mos管p3和第八n型mos管n8以及第十二反馈电阻r12组成，恒流源电路在连接方式上，第三p型mos管p3的栅极与第八n型mos管n8的漏极连接，第十二反馈电阻r12串联在第八n型mos管n8的源极上。
89.上桥臂逻辑取反电路则是由第七n型mos管n7组成；逻辑取反电路则是保证正逻辑，同时也保证集成芯片和分立栅极驱动电路在冗余切换时的逻辑一致性，避免停机修改算法。
90.自举倍压电路是由第十三n型mos管n13、第五p型mos管p5、第十四n型mos管n14、第六p型mos管p6、第七p型mos管p7、第十五n型mos管n15、第八p型mos管p8、第十六n型mos管n16组成，自举倍压电路在连接方式上，第五p型mos管p5的漏极和第十四n型mos管n14的漏极相连接，第五p型mos管p5的栅极和第十四n型mos管n14的栅极相连接并接在第十三n型mos管n13的漏极，第六p型mos管p6的栅极与第七p型mos管p7的漏极连接，第六p型mos管p6的漏极与第七p型mos管p7的源极连接。
91.自举倍压电路在连接方式上第七p型mos管p7的栅极、第十五n型mos管n15的栅极、第八p型mos管p8的栅极、第十六n型mos管n16的栅极连接在一起，接在第十三n型mos管n13的源极，第三飞跨电容c3一端分别与第五p型mos管p5、第十四n型mos管n14的漏端连接，另外一端分别与第六p型mos管p6、第七p型mos管p7的漏源端连接。
92.在自举倍压电路中，当上桥臂的栅极驱动电路中第三p型mos管p3的漏极输出为低电平时(附图7中的vd2)，从左到右第十四n型mos管n14、第十五n型mos管n15、第六p型mos管p6、第十六n型mos管n16依次导通，而第十三n型mos管n13、第五p型mos管p5、第七p型mos管p7、第八p型mos管p8依次截止，电源电压(附图7中的vdd)直接经过第六p型mos管p6、第三飞跨电容c3和第十四n型mos管n14并与地直接连接，在一个斩波周期为第三飞跨电容c3充满电。
93.当上桥臂的栅极驱动电路中第三p型mos管p3的漏极输出为高电平时(附图7中的vd2)，从左到右第十三n型mos管n13、第五p型mos管p5、第七p型mos管p7、第八p型mos管p8依次导通，而第十四n型mos管n14、第十五n型mos管n15、第六p型mos管p6、第十六n型mos管n16截止，此时，基于第三飞跨电容c3两端电压不能突变原理，电源电压(附图7中的vdd)直接经过第五p型mos管p5、第三飞跨电容c3、第八p型mos管p8，到达第八p型mos管p8的s端，并流向电压型逆变器管的栅极端，此时第八p型mos管p8的s端电压vs＝vc3+vdd≈2vdd，从而在一个完整的斩波周期完成自举倍压效果，其中，vc3为第三飞跨电容c3两端电压。
94.同时，在一个斩波周期内，电压型逆变器第十七mos管n17导通，电压型逆变器第十八mos管n18关闭，vcc达到第十八mos管n18的漏端，通过选择合适的vdd和vcc电源电压值，可以保证电压型逆变器第十七mos管n17的栅极端电压vg始终大于vs一定值，并且满足vs》3vgs(th)，完成电压型逆变器的栅极驱动，其中，vgs(th)为电压型逆变器第十七mos管n17的栅源导通阈值。
95.上述自举倍压电路是可以满足上桥臂栅极驱动时电压型逆变器第十七mos管n17导通驱动电压要求，而下桥臂栅极驱动电路则不需要自举备压电路可以天然满足电压型逆
变器第十八mos管n18导通时的条件。
96.如图7所示，分立器件上桥臂栅极驱动机器人关节过程进一步可以描述为：
97.分立器件栅极驱动电路中上桥臂ocl电路和上桥臂充电泵跳变型负压电路，在一个斩波周期内，mcu上层控制器发出pwm为高电平时，上桥臂ocl电路中第十二极管d10的阴极与第十n型mos管n10的栅极连接，且满足vc＝vd＝vg(n10)＝vdd，此时，第十n型mos管n10导通，第四p型mos管p4与第十n型mos管n10互锁，第四p型mos管p4则处于截止状态，上桥臂ocl电路中的第十n型mos管n10导通为电压型逆变器中第十七n型mos管n17导通提供足够的灌电流，完成对电压型逆变器中第十七n型mos管n17的栅源端寄生电容的充电，电压型逆变器中第十七n型mos管n17的导通，开始对机器人关节伺服力矩电机进行驱控；
98.分立器件栅极驱动电路中上桥臂ocl电路和上桥臂充电泵跳变型负压电路，在一个斩波周期内，mcu上层控制器发出pwm为高电平，同时，上桥臂充电泵跳变型负压电路中第十一n型mos管n11导通，vdd沿着第十五二极管d15、第二飞跨电容c2、第十三二极管d13，经过第十一n型mos管n11直接与地连接，完成对第二飞跨电容c2的充电，此时第二飞跨电容c2两端电压为正压。
99.分立器件栅极驱动电路中上桥臂ocl电路和上桥臂充电泵跳变型负压电路，在一个斩波周期内，mcu上层控制器发出pwm为低电平时，上桥臂ocl电路中第十一二极管d11的阳极与第四p型mos管p4的栅极连接，且满足vc＝ve＝vg(p4)＝0v，直接与地连接，ocl电路中的第四p型mos管p4导通，电压型逆变器中第十七n型mos管n17内部寄生电容经过第十六二极管d16和第三电阻r3，经过第四p型mos管p4对第二飞跨电容c2进行放电，完成对电压型逆变器中第十七n型mos管n17的栅源端寄生电容对第二飞跨电容c2的负压放电，完成机器人关节的驱控；
100.分立器件栅极驱动电路中上桥臂ocl电路和上桥臂充电泵跳变型负压电路，在一个斩波周期内，mcu上层控制器发出pwm为低电平，在完成对机器人关节驱控过程中，第二飞跨电容c2由于在上一个斩波周期充满电而处于保持状态，此时，第十二n型mos管n12导通，基于第二飞跨电容c2两端电压不能突变原理，此时便形成了负压，负压可以加快电压型逆变器中第十七n型mos管n17的栅源端寄生电容的快速放电需求，加快电压型逆变器中第十七n型mos管n17的关断，减少放电拖尾现象，电压型逆变器中第十七n型mos管n17的关断，彻底标志着在一个斩波周期内分立器件的上桥臂栅极驱动电路完成了机器人关节的驱控。
101.综上所述过程，mcu上层控制器发出高低交替的pwm电平，分立器件栅极驱动电路中上桥臂ocl电路和上桥臂充电泵跳变型负压电路会不断的对电压型逆变器中第十七n型mos管n17的栅源端寄生电容的充电和放电过程，该充电和放电过程也是电压型逆变器中第十七n型mos管n17作为开关的开通和关闭过程，这个过程也就是实现机器人关节伺服驱控的过程。
102.由于分立器件上桥臂栅极驱动电路比分立器件下桥臂栅极驱动电路，仅多了一个自举倍压电路，而其它的电路拓扑结构相同，即分立器件上桥臂栅极驱动电路包含分立器件下桥臂栅极驱动电路，这种特殊的对称电路拓扑结构，使得上桥臂和下桥臂的栅极驱动、工作过程和驱控原理相同，在驱控过程上两者仅相差一个死区时间间隔，下桥臂栅极驱动电路的驱控过程和原理可以参照和重复上桥臂栅极驱动过程和原理，因此，这里不在展开赘述分立器件的下桥臂栅极驱动电路的驱控过程。
103.如图2所示，本发明中机器人关节伺服驱控器还能够根据集成电路和制板工艺高度集成的电路板，根据功能集成，依次集成为mcu控制板1、伺服驱动板2、传感感知板3和低压电源板4；
104.如图2和图3所示，mcu上层控制器、mcu下层控制器一起高度集成为mcu控制板1；冗余型栅极驱动电路，电压型逆变器，伺服无框力矩电机、电流采样调理电路、flt过载保护电路一起高度集成为伺服驱动板2；位置反馈电路与传感器单元一起高度集成为传感感知板3、电源板供电电路、冷冗余独立供电电路一起高度集成为低压电源板4。mcu控制板1、伺服驱动板2、传感感知板3和低压电源板4与机械外壳5一起装配构成冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器；机械外壳5采用耐辐射轻量化材料，用于保护和提高所述机器人关节伺服驱控器在辐射环境下的服役寿命。
105.冗余型栅极驱动电路不仅可以驱动机器人关节，还可以驱动履带底盘车。该冗余型栅极驱动适用于所有对高可靠领域内的机电作动器、机器人领域。冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器中分立器件栅极驱动电路采用经过耐辐射性能评估与筛选后，具有一定耐辐射水平的商用分立mos或者igbt器件，或者经过耐辐射加固工艺加固mos或者igbt器件两者混合搭建而成。冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器中电压型逆变器不仅可以用传统mos管搭建而成，还可以用大功率igbt和抗辐射能力更强的第三代宽禁带碳化硅和氮化镓半导体功率器件搭建而成，本发明的冗余型栅极驱动同样适用。
106.发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器，其特征在于，所述机器人关节伺服驱控器包括mcu上层控制器、mcu下层控制器、电压型逆变器、伺服无框力矩电机、位置反馈电路、电流采样调理电路、flt过载保护电路、电源板供电电路和冗余型栅极驱动电路；所述mcu上层控制器用于计算冗余型栅极驱动机器人关节伺服驱控器的运动算法，并根据伺服无框力矩电机的故障模式进行模型重构计算，同时，将计算结果实时发送至mcu下层控制器；所述mcu下层控制器用于控制位置反馈电路和传感器单元的信号采集和处理，所述mcu下层控制器根据这些信号判断机器人关节伺服驱控器的故障点位和类型，同时，负责向mcu上层控制器发送容错命令；所述电源板供电电路用于为冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器正常工作提供电源电压；所述冗余型栅极驱动电路包括集成芯片栅极驱动电路和分立器件栅极驱动电路共同组成；所述集成芯片栅极驱动电路用于输出移位信号；所述分立器件栅极驱动电路用于在所述集成芯片栅极驱动电路处于故障时替代所述集成芯片栅极驱动电路输出移位信号，所述分立器件栅极驱动电路包括分立器件上桥臂栅极驱动电路和分立器件下桥臂栅极驱动电路；所述分立器件上桥臂栅极驱动电路由上桥臂电压型逆变器双放电回路、上桥臂ocl电路、上桥臂充电泵跳变型负压电路、上桥臂电源切换电路、上桥臂恒流源电路、上桥臂逻辑取反电路和自举倍压电路组成；所述上桥臂电压型逆变器双放电回路由第十六二极管d16和第三电阻r3并联组成，在电压型逆变器中的第十七n型mos管n17开通时只有一个充电回路，电压型逆变器中的第十七n型mos管n17关断时有两个放电回路，能够从硬件设计上留有一定的死区时间避免发生串宏；所述上桥臂ocl电路由第十二极管d10和第十一二极管d11以及第十n型mos管n10和第四p型mos管p4组成，所述上桥臂ocl电路特点可避免斩波在电平移位时发生交越失真，同时也为电压型逆变器第十七n型mos管n17导通时提供足够的灌电流；所述上桥臂充电泵跳变型负压电路由第二飞跨电容c2、第十二二极管d12、第十三二极管d13、第十四二极管d14和第十五二极管d15以及第十一n型mos管n11和第十二n型mos管n12组成，所述下桥臂充电泵跳变型负压电路用于在电压型逆变器关闭时形成负压放电，减少放电拖尾现象，加速电压型逆变器关断过程；所述上桥臂电源切换电路由第九n型mos管n9和第十分压电阻r10和第十一分压电阻r11组成；所述上桥臂恒流源电路则是由第三p型mos管p3和第八n型mos管n8以及第十二反馈电阻r12组成；所述上桥臂逻辑取反电路则是由第七n型mos管n7组成，所述逻辑取反电路用于集成芯片和分立栅极驱动电路在冗余切换时的逻辑一致性，避免停机修改算法；所述自举倍压电路是由第十三n型mos管n13、第五p型mos管p5、第十四n型mos管n14、第六p型mos管p6、第七p型mos管p7、第十五n型mos管n15、第八p型mos管p8、第十六n型mos管
n16组成；所述自举倍压电路中的第三飞跨电容c3一端分别与第五p型mos管p5、第十四n型mos管n14的漏端连接，另外一端分别与第六p型mos管p6、第七p型mos管p7的漏源端连接；所述分立器件下桥臂栅极驱动电路由下桥臂电压型逆变器双放电回路、下桥臂ocl电路、下桥臂充电泵跳变型负压电路、下桥臂电源切换电路、下桥臂恒流源电路、下桥臂逻辑取反电路组成；所述分立器件上桥臂栅极驱动电路比分立器件下桥臂栅极驱动电路，仅多了一个自举倍压电路，其它的电路组成和基本连线方式都相同。2.如权利要求1所述机器人关节伺服驱控器，其特征在于，所述冗余型栅极驱动电路还包括冷冗余独立供电电路；所述冷冗余独立供电电路包括第十九n型mos管n19、第九p型mos管p9、第四滤波电容c4、第四输出分压电阻r10；第十九n型mos管n19栅极与所述mcu下层控制器连接，第十九n型mos管n19漏极连接第九p型mos管p9的栅极，第九p型mos管p9源极连接vc，漏极输出vd经过第四输出分压电阻r10与分立器件栅极驱动电路连接；第十九n型mos管n19栅极接收到mcu下层控制器的仲裁信号，第十九n型mos管n19导通，第九p型mos管p9导通，vc＝vd，vd直接为分立器件栅极驱动电路单独供电；mcu下层控制器无下发仲裁信号，说明集成芯片栅极驱动正常工作，第十九n型mos管n19截止，第九p型mos管p9截止，vd＝0，不对外供电，分立器件栅极驱动电路处于无供电冷备状态。3.如权利要求1所述机器人关节伺服驱控器，其特征在于，所述冗余型栅极驱动电路还包括数据选择器和ad采样电路；数据选择器作为一种数字多路开关，接收mcu下层控制器的仲裁信号，数据选择器根据仲裁信号可以自动切换集成芯片栅极驱动和分立器件栅极驱动；ad采样电路则会采集集成芯片栅极驱动电路输出的电平移位信号，并将采集到的栅极驱动电平移位信号输送至mcu下层控制；mcu下层控制器根据给定判据(u0+δ)；若采集量u＞(u0+δ)，说明栅极驱动芯片出现故障，mcu下层控制器向数据选择器发出仲裁信号，数据选择器根据逻辑切换至分立器件栅极驱动电路。4.如权利要求1所述机器人关节伺服驱控器，其特征在于，所述机器人关节伺服驱控器包括传感器单元；所述传感器单元包括旋转变压器、温度传感器和力传感器；所述传感器单元将冗余感知到的机器人关节转角和转速位姿信号、温度和力矩信号传递到mcu下层控制器，所述信号经过mcu下层控制器评估和预处理后反馈至mcu上层控制器，并参与机器人关节伺服驱控器的运动计算。5.如权利要求1所述机器人关节伺服驱控器，其特征在于，所述机器人关节伺服驱控器包括位置反馈电路；所述位置反馈电路用于保证机器人关节伺服驱控器始终工作在位置模式，且能够实时动态跟随主控制器发出的位置和速度指令。6.如权利要求1所述机器人关节伺服驱控器，其特征在于，所述机器人关节伺服驱控器包括电流采样调理电路和flt过载保护电路；所述电流采样调理电路和flt过载保护电路是由基本运算放大电路组成，在冗余型栅
极驱动机器人关节伺服驱控器中用于对电压型逆变器和伺服无框力矩电机形成闭合回路中的电流进行检测和过载保护。7.如权利要求1所述机器人关节伺服驱控器，其特征在于，所述机器人关节伺服驱控器根据集成电路和制板工艺高度集成的电路板，根据功能集成，依次集成为mcu控制板(1)、伺服驱动板(2)、传感感知板(3)和低压电源板(4)；所述mcu控制板(1)是由mcu上层控制器和mcu下层控制器一起高度集成；所述伺服驱动板(2)是由冗余型栅极驱动电路，电压型逆变器，伺服无框力矩电机、电流采样调理电路、flt过载保护电路一起高度集；所述传感感知板(3)是由位置反馈电路与传感器单元一起高度集成，所述传感器单元包含旋转变压器、温度传感器和力传感器；所述低压电源板(4)是由电源板供电电路和冷冗余独立供电电路一起高度集；所述mcu控制板(1)、伺服驱动板(2)、传感感知板(3)和低压电源板(4)之间通过铜柱(6)进行物理连接；板与板之间通过连接器实现信号互联，板与板之间采用逐级取电方式，依次从低压电源板(4)上取电；所述mcu控制板(1)、伺服驱动板(2)、传感感知板(3)和低压电源板(4)与机械外壳(5)进行装配，所述mcu控制板(1)、伺服驱动板(2)、传感感知板(3)和低压电源板(4)均放置在机械外壳(5)中，机械外壳(5)采用耐辐射轻量化材料，用于保护和提高所述机器人关节伺服驱控器在辐射环境下的服役寿命。

技术总结
本发明属于特种机器人领域，本发明提供了一种冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器。伺服驱控器包括MCU控制板、伺服驱动板、传感感知板和低压电源板，并通过铜柱和连接器实现板与板之间的物理和电气连接，形成冗余型栅极驱动的机器人关节伺服驱控器。该伺服驱控器采用分层双层控制器架构，下层控制器可以通过合理分配阈值，采用先主机模块工作、实时主机故障检测、后备模块预备冷启动、后备模块切入工作的复合冗余模式。该复合冗余工作模式不仅可以解决冷冗余切换数据丢失问题，也可以提高模块在辐射环境下的累计剂量，提高机器人关节伺服驱控器在辐射环境下的服役寿命问题。驱控器在辐射环境下的服役寿命问题。驱控器在辐射环境下的服役寿命问题。


技术研发人员：姜潮 丁凯 王中华 胡德安
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/7/25