本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告：
本文的研究生为焦露，专业领域为机械，研究方向为机械电子工程。导师为张秋菊（教授）和苏高峰（高级工程师）。该研究由江南大学完成，并于2023年6月13日通过答辩，授予学位。
机器人关节是机器人的核心部件，其性能直接影响机器人的整体表现。随着机器人技术的快速发展，一体化关节模组成为当前的研究热点。一体化关节模组将无框力矩电机、谐波减速器、制动器、传感器和驱动器等部件集成在一起，具有轻量化、模块化和集成化的特点。然而，现有的关节模组在集成设计、驱控系统性能和成本控制等方面仍存在诸多挑战。本文旨在设计一款新型一体化关节模组的嵌入式驱控系统，以提高其伺服控制性能。
本文的研究流程分为以下几个步骤：
首先，研究团队对一体化关节模组的功能特性和性能指标进行了分析，明确了系统的组成和集成设计方法。通过设计指标分析，确定了以无框力矩电机为动力源，谐波减速器为减速装置。随后，完成了主要零部件的选型与设计，并在此基础上进行了结构设计，搭建了实验样机。
由于无框力矩电机具有强耦合、多变量和非线性的特点，研究团队利用坐标变换方法建立了𝛼-𝛽和𝑑-𝑞坐标系中的数学模型，并在此基础上研究了磁场定向控制理论（Field Oriented Control, FOC）和空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）技术。通过MATLAB/Simulink搭建了仿真模型，验证了数学模型和SVPWM调制过程的正确性。
基于电流环、速度环和位置环的三环控制结构，研究团队搭建了关节伺服系统，并逐步分析了各环路的控制参数。针对关节模组的位置控制要求，设计了带前馈的模糊自适应PI控制器。通过MATLAB/Simulink进行了仿真实验，验证了伺服控制系统的有效性。
研究团队根据关节模组的控制需求，完成了硬件系统的搭建，包括硬件原理图和PCB设计，并在此基础上设计了控制软件。为了验证关节模组的实际性能，搭建了实验平台，分别在空载和带载工况下进行了样机实验。实验结果表明，所设计的一体化关节模组符合设计指标，整体性能优良。
通过上述研究流程，本文取得了以下主要结果：
本文的研究具有重要的科学价值和应用价值。在科学价值方面，本文通过建立无框力矩电机的数学模型和设计模糊自适应PI控制器，为一体化关节模组的伺服控制提供了新的理论支持。在应用价值方面，本文设计的高性能、低成本、高可靠性的嵌入式驱控系统，能够显著提高机器人关节的控制精度和响应速度，降低设计成本，具有广泛的应用前景。
本文的研究亮点包括： - 创新性控制算法：设计了带前馈的模糊自适应PI控制器，显著提高了关节模组的位置控制精度和抗干扰能力。 - 高度集成设计：通过将无框力矩电机、谐波减速器、制动器、传感器和驱动器等部件集成在一起，实现了关节模组的轻量化和模块化。 - 实验验证：通过仿真和实验验证了所设计系统的有效性，确保了研究成果的可靠性。
本文还详细介绍了国内外一体化关节模组的研究现状，分析了当前研究中存在的问题和不足，并提出了未来的改进方向。这些内容为后续研究提供了重要的参考。
通过本文的研究，一体化关节模组的驱控系统设计得到了显著提升，为机器人技术的发展提供了新的思路和方法。