CN102946222B - 一种永磁同步电机伺服***高精度定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机伺服***高精度定位的方法，使用位置环、速度环和电流环三闭环***控制电流运转，其中所述位置环的控制器采用速度分段控制法，即根据不同的关节位置误差给出不同的位置环输出值，即速度给定值；当关节实际位置与期望位置越近，即位置误差越小时，速度给定值越小，使电机转动的越慢，直到位置误差达到定位精度要求；此时，本发明公开了软锁紧和硬锁紧两种锁紧方式，分别为速度为零锁紧法和使用制动器锁紧。本发明为了实现以上技术方案，实现电机的高精度定位，使用光电编码器运用M/T法进行转速高精度测量，即在对反映转速ω的光电编码器输出脉冲个数m₁计数的同时，对反映测速时间的时基脉冲个数m₂也进行计数，并提出了DSP的具体实现过程。

Description

一种永磁同步电机伺服***高精度定位的方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机的高精度定位方法，方法简单，精度高。

背景技术

永磁交流电机根据驱动电源波形分为方波和正弦波，前者称为直流无刷电机，后者称为永磁同步电机。正弦波驱动永磁同步电机的电机转子采用永磁材料，定子绕组为对称多相正弦分布绕组。如果通以对称的多相交流电，会产生恒定的旋转磁场和平稳的电磁转矩。

伺服***中位置伺服***是最复杂的，因为对位置信号的响应进一步体现在速度和加速度的响应上，而且位置伺服最重要的是精确定位。由于永磁同步电机的功率密度高，效率高，动态响应快，定位精确等优点使得永磁同步电机作为交流伺服电机在位置伺服控制***中已经日益受到广泛的重视和应用。永磁同步电机位置伺服***由外部位置给定，位置传感器，电流传感器，电压源逆变器，三相永磁同步电机以及DSP控制器组成。DSP控制器完成检测信号的A/D转换，完成位置调节器，速度调节器，电流调节器以及逆变器驱动SVPWM信号计算，即采用位置环，速度环和电流环的三闭环控制方式。

齿轮传动作为最常用的机械传动机构，其中存在着许多非线性因素，齿隙就是其中不可忽略的一个因素，它既是机械传递过程正常进行不可缺少的一种非线性，同时也是影响***动态性能和稳态精度的重要因素。齿轮啮合必须满足一定的齿隙最小间距才能保证不发生滞塞现象，而齿轮在加工中也存在一定的加工误差，随着使用时间的延长，齿轮磨损加大也会造成齿隙加大。齿隙的存在一方面对于存在可逆运转的传动装置造成了回差，引起具有滞环形式的非单值非线性。另一方面，***也会因极限环振荡或冲击而降低性能甚至变得不稳定，并且齿轮刚性的碰撞将会产生严重的振荡和噪音。

另外，在永磁同步电机的三闭环控制中，位置的测量常使用精度高，线形度好的光电编码器，而速度则由位置信号经差分运算得到。常用的测速方法有M法，T法等。在电机的精确定位控制中，由于电机速度很低，采用M法测速时，一个甚至几个采样周期才能采进一个脉冲，由此速度的估计是很不准确的。而当电机速度较高时，光电编码器的脉冲周期很小，采用T法测速时计算一个分辨率单位的角度只能计入很少的时钟周期数，从而导致很低的速度分辨率。

综上所述，在永磁同步电机的高精度定位中，存在着研究齿隙所带来的非线性影响、消除齿隙所带来的影响以及实现电机的超低速精确定位的技术问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种能够高精度定位的永磁同步电机伺服***，以解决现有技术的问题。

一种用于机器人关节的永磁同步电机伺服***的定位方法，所述永磁同步电机伺服***包括永磁同步电机、减速器、关节输出端、霍尔传感器、码盘、制动器、旋转变压器和正弦波驱动控制器，所述霍尔传感器用于电机初始定位方波驱动时检测电机的位置信息；所述码盘用于正弦波驱动时检测电机的位置信息和速度信息；所述制动器用于硬锁紧时电机的锁紧定位；所述旋转变压器用于检测关节的位置信息；所述定位方法使用位置环、速度环和电流环三闭环***控制电流运转，其中所述方法包括如下步骤：

所述位置环的控制器不是采用传统的PID控制器，而是根据不同的关节位置误差给出不同的位置环输出值，即速度给定值；

当关节实际位置与期望位置越近，即位置误差越小时，速度给定值越小，使电机转动的越慢，直到位置误差达到定位精度要求；

在关节实际位置与期望位置的误差达到精度范围内时，提供软锁紧和硬锁紧两种定位方式：软锁紧方式为使位置调节器的输出为零，即速度给定值为零，从而使电机立即停止转动；硬锁紧方式为当位置误差达到精度要求时，使用关节控制器输出给制动器一个电平信号，利用制动器锁紧，使电机立即停止转动。

优选地，所述速度环和电流环的控制器采用PID控制方法。

优选地，所述电机的速度检测传感器使用码盘，所述检测电机的速度信息包括：在对反映转速ω的码盘输出脉冲个数m₁计数的同时，对反映测速时间的时基脉冲个数m₂也进行计数；在测速时间T_c内，测得电机转速平均值为：

$\mathrm{\ω}=\frac{60f_0}{P}\×\frac{m_1}{m_2}$

式中，P为光电编码器每转输出脉冲个数；f₀为时基脉冲频率。

本发明还提供一种机器人关节，包括永磁同步电机伺服***，所述永磁同步电机伺服***包括永磁同步电机、霍尔传感器、码盘、制动器、旋转变压器和正弦波驱动控制器，所述霍尔传感器用于电机初始定位方波驱动时检测电机的位置信息；所述码盘用于正弦波驱动时检测电机的位置信息和速度信息；所述制动器用于硬锁紧时电机的锁紧定位；所述旋转变压器用于检测关节的位置信息；所述定位方法使用位置环、速度环和电流环三闭环***控制电流运转；

所述位置环的控制器能够根据不同的关节位置误差给出不同的位置环输出值，即速度给定值；当关节实际位置与期望位置越近，即位置误差越小时，速度给定值越小，使电机转动的越慢，直到位置误差达到定位精度要求；

在关节实际位置与期望位置的误差达到精度范围内时，所述伺服***具有软锁紧和硬锁紧两种定位方式：软锁紧方式为使位置调节器的输出为零，即速度给定值为零，从而使电机立即停止转动；硬锁紧方式为当位置误差达到精度要求时，使用关节控制器输出给制动器一个电平信号，利用制动器锁紧，使电机立即停止转动。

本发明的定位方法能够实现电机的精确定位，使电机达到期望位置后不会在齿隙内来回的振动，电机稳定，保持力好，齿轮之间也就不会有碰撞，由此实现了永磁同步电机的高精度定位，提高了整个伺服***的稳定性。本发明采用的新的电机定位方法提高了电机的定位能力，这种定位方法在电机控制中具有以下有益效果：

1.方法简单，电机运行平稳；

2.电机定位保持能力好，定位精度高。

附图说明

图1是永磁同步电机的正弦波驱动结构框图。

图2是现有技术中的永磁同步电机三闭环控制***框图。

图3是永磁同步电机高精度定位软锁紧控制***框图。

图4是永磁同步电机高精度定位硬锁紧控制***框图。

图5是M/T法测速示意图。

图6a是M/T法测速DSP内部软件测量时间中断子程序流程图。

图6b是M/T法测速DSP内部软件捕获中断子程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

传统的永磁同步电机的三闭环控制调节器，即位置环，速度环和电流环调节器均采用PID控制方法。本发明为了消除齿轮传动中齿隙的影响和实现电机精确定位，提出位置环的位置调节器采用速度分段控制方法，即根据不同的转子位置误差给出不同的速度给定值，当转子位置误差越小，即电机实际位置越接近期望位置时，速度给定值越小，电机转动的越慢。具体控制方法如下：位置伺服***给定位置信号θ_r，关节位置传感器旋转变压器检测实际关节位置信号θ_f，两者比较后得到位置误差信号Δθ＝θ_r-θ_f，该位置误差信号经过速度分段控制器调节后，输出转子转速给定信号ω_r。如表1所示，当关节位置误差Δθ较大时，位置环输出速度给定ω_r较大，使电机运转速度较快；当关节位置误差Δθ逐渐减小，关节实际位置逐渐接近给定位置时，速度给定ω_r越小，使电机运转速度越低；直到关节位置误差满足精度要求。

表1关节位置误差与对应电机速度给定值

Δθ范围	给定ωr
		(-∞，-θ0)或(θ0，+∞)	ω0
(-θ0，-θ1)或(θ1，θ0)	ω1
		(-θ1，-θ2)或(θ2，θ1)	ω2
……	……
		(-θn-1，-θn)或(θn，θn-1)	ωn
(-θn，θn)	0

其中θ₀＞θ₁＞θ₂＞……＞θ_n-1＞θ_n；

ω₀＞ω₁＞ω₂＞……＞ω_n＞0。

速度环的速度调节器与电流环的电流调节器与传统的三闭环控制方式相同：实际转子转速信号经实际转子位置信号经过差分运算得到ω_f，指令转子速度与实际速度比较后形成速度误差信号Δω＝ω_r-ω_f，速度误差信号作为速度调节器的输入，再经过转速PID调节输出电流指令i_r，电流传感器对永磁同步电机三相电流和直流母线电压进行检测得到实际电流值i_f，电流误差信号Δi＝i_r-i_f经电流调节器控制算法确定功率开关器件导通的占空比，最后确定永磁同步电机定子绕组控制逻辑，输出相应的PWM波形，使得转子按照控制的要求运行。

当关节实际位置与期望位置的误差达到精度要求范围内时，本发明提出软锁紧和硬锁紧两种方法实现电机的精确定位。软锁紧定位方式如图3所示：在位置环速度分段控制中，当位置误差达到精确要求范围内时，使位置环输出即速度给定为零，此时电机速度为零，立即停止转动。硬锁紧定位方式如图4所示：当位置误差达到精度要求范围内时，控制器输出给电机侧制动器一个电平，使制动器制动，电机锁紧，立即停止转动。这两种锁紧方式都能够使电机达到期望位置后立即停止转动，不会在齿隙内来回的振动，电机稳定，保持力好。

同时，为了实现电机的高性能调速和高精度定位，本发明采用M/T法进行转速测量。转速测量利用DSP控制器的特有功能来实现，如捕获功能，正交编码功能等。利用DSP测速时，可以采用程序中断的方法。其中用到三个定时器：利用定时器1测量高频脉冲个数；利用定时器2测量编码器脉冲个数；利用定时器3设定测量时间。

当定时器3产生周期中断时，通过测量时间中断子程序使能捕获中断，当捕获单元捕获到光电编码器输出脉冲的上升沿时，产生捕获中断；在捕获中断子程序里，利用单个通用定时器1控制寄存器同时启动用于测量高频脉冲个数的定时器1和用于测量编码器脉冲个数的定时器2，同时关闭捕获中断。当定时器3产生下溢中断时，通过测量时间中断子程序再次使能捕获中断，当捕获单元捕获到光电编码器输出脉冲的上升沿时，产生捕获中断；在捕获中断子程序里，利用单个通用定时器1控制寄存器同时停止用于测量高频脉冲个数的定时器1和用于测量编码器脉冲个数的定时器2，然后读取光电编码器输出脉冲个数和高频时钟脉冲个数，同时关闭捕获中断。这样利用DSP对光电编码器输出脉冲就实现了计数和计时的同步。高频脉冲计数器前后两次捕获值的差值代表输出脉冲个数m₂，而光电编码器输出脉冲计数器两次捕获值的差值代表时基脉冲个数m₁。由于定时器3设置为连续增减模式，之所以周期为2T_c，是因为一个T_c用于测速，另一个T_c用于转速的计算。测量时间中断子程序和捕获中断子程序流程图如图6(a)和图6(b)所示。

以上所述仅为本发明的几种具体实施例，以上实施例仅用于对本发明的技术方案和发明构思做说明而非限制本发明的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的发明构思基础上结合现有技术，通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案，也应该被认为落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于机器人关节的永磁同步电机伺服***的定位方法，所述永磁同步电机伺服***包括永磁同步电机、霍尔传感器、码盘、制动器、旋转变压器和正弦波驱动控制器，所述霍尔传感器用于电机初始定位方波驱动时检测电机的位置信息；所述码盘用于正弦波驱动时检测电机的位置信息和速度信息；所述制动器用于硬锁紧时电机的锁紧定位；所述旋转变压器用于检测关节的位置信息；所述定位方法使用位置环、速度环和电流环三闭环***控制电流运转，其中所述方法包括以下步骤：

利用所述位置环的控制器根据不同的关节位置误差给出不同的位置环输出值，即速度给定值；当关节实际位置与期望位置越近，即位置误差越小时，速度给定值越小，使电机转动的越慢，直到位置误差达到定位精度要求；位置伺服***给定位置信号θ_r，所述旋转变压器检测实际关节位置信号θ_f，两者比较后得到位置误差信号Δθ＝θ_r-θ_f，该位置误差信号经过速度分段控制器调节后，输出转子转速给定信号ω_r，当关节位置误差Δθ较大时，位置环输出速度给定ω_r较大，使电机运转速度较快；当关节位置误差Δθ逐渐减小，关节实际位置逐渐接近给定位置时，速度给定ω_r越小，使电机运转速度越低；直到关节位置误差满足精度要求；

在关节实际位置与期望位置的误差达到精度范围内时，提供软锁紧和硬锁紧两种定位方式：软锁紧方式为使位置调节器的输出为零，即速度给定值为零，从而使电机立即停止转动；硬锁紧方式为当位置误差达到精度要求时，使用关节控制器输出给制动器一个电平信号，利用制动器锁紧，使电机立即停止转动；

所述速度环和电流环的控制器采用PID控制方法；

所述电机的速度检测传感器使用码盘，所述检测电机的速度信息包括：在对反映转速n的码盘输出脉冲个数m₁计数的同时，对反映测速时间的时基脉冲个数m₂也进行计数；在测速时间T_c内，测得电机转速平均值为：

$n=\frac{60f_0}{P}\×\frac{m_1}{m_2}$

式中，P为光电编码器每转输出脉冲个数；f₀为时基脉冲频率；

所述伺服***包括DSP控制器，在检测电机速度信息时，用到所述DSP控制器的三个定时器：利用定时器1测量高频脉冲个数；利用定时器2测量编码器脉冲个数；利用定时器3设定测量时间；

当定时器3产生周期中断时，通过测量时间中断子程序使能捕获中断，当捕获单元捕获到光电编码器输出脉冲的上升沿时，产生捕获中断；在捕获中断子程序里，同时启动用于测量高频脉冲个数的定时器1和用于测量编码器脉冲个数的定时器2，同时关闭捕获中断；

当定时器3产生下溢中断时，通过测量时间中断子程序再次使能捕获中断，当捕获单元捕获到光电编码器输出脉冲的上升沿时，产生捕获中断；在捕获中断子程序里，同时停止用于测量高频脉冲个数的定时器1和用于测量编码器脉冲个数的定时器2，然后读取码盘输出脉冲个数和高频时钟脉冲个数，同时关闭捕获中断；

高频脉冲计数器前后两次捕获值的差值代表时基脉冲个数m₂，而光电编码器输出脉冲计数器两次捕获值的差值代表输出脉冲个数m₁；由于定时器3设置为连续增减模式，其周期为2T_c，其中一个T_c用于测速，另一个T_c用于转速的计算。

2.一种机器人关节，包括永磁同步电机伺服***，所述永磁同步电机伺服***包括永磁同步电机、霍尔传感器、码盘、制动器、旋转变压器和正弦波驱动控制器，所述霍尔传感器用于电机初始定位方波驱动时检测电机的位置信息；所述码盘用于正弦波驱动时检测电机的位置信息和速度信息；所述制动器用于硬锁紧时电机的锁紧定位；所述旋转变压器用于检测关节的位置信息；定位方法使用位置环、速度环和电流环三闭环***控制电流运转；

所述位置环的控制器能够根据不同的关节位置误差给出不同的位置环输出值，即速度给定值；当关节实际位置与期望位置越近，即位置误差越小时，速度给定值越小，使电机转动的越慢，直到位置误差达到定位精度要求；位置伺服***给定位置信号θ_r，所述旋转变压器检测实际关节位置信号θ_f，两者比较后得到位置误差信号Δθ＝θ_r-θ_f，该位置误差信号经过速度分段控制器调节后，输出转子转速给定信号ω_r，当关节位置误差Δθ较大时，位置环输出速度给定ω_r较大，使电机运转速度较快；当关节位置误差Δθ逐渐减小，关节实际位置逐渐接近给定位置时，速度给定ω_r越小，使电机运转速度越低；直到关节位置误差满足精度要求；

在关节实际位置与期望位置的误差达到精度范围内时，所述伺服***具有软锁紧和硬锁紧两种定位方式：软锁紧方式为使位置调节器的输出为零，即速度给定值为零，从而使电机立即停止转动；硬锁紧方式为当位置误差达到精度要求时，使用关节控制器输出给制动器一个电平信号，利用制动器锁紧，使电机立即停止转动；

所述速度环和电流环的控制器采用PID控制方法；

所述电机的速度检测传感器使用码盘，所述检测电机的速度信息包括：在对反映转速n的码盘输出脉冲个数m₁计数的同时，对反映测速时间的时基脉冲个数m₂也进行计数；在测速时间T_c内，测得电机转速平均值为：

$n=\frac{60f_0}{P}\×\frac{m_1}{m_2}$

式中，P为光电编码器每转输出脉冲个数；f₀为时基脉冲频率；

所述伺服***包括DSP控制器，在检测电机速度信息时，所述DSP控制器利用定时器1测量高频脉冲个数，利用定时器2测量编码器脉冲个数，利用定时器3设定测量时间；所述DSP控制器被配置为：

当定时器3产生周期中断时，通过测量时间中断子程序使能捕获中断，当捕获单元捕获到光电编码器输出脉冲的上升沿时，产生捕获中断；在捕获中断子程序里，同时启动用于测量高频脉冲个数的定时器1和用于测量编码器脉冲个数的定时器2，同时关闭捕获中断；

当定时器3产生下溢中断时，通过测量时间中断子程序再次使能捕获中断，当捕获单元捕获到光电编码器输出脉冲的上升沿时，产生捕获中断；在捕获中断子程序里，同时停止用于测量高频脉冲个数的定时器1和用于测量编码器脉冲个数的定时器2，然后读取码盘输出脉冲个数和高频时钟脉冲个数，同时关闭捕获中断；

高频脉冲计数器前后两次捕获值的差值代表时基脉冲个数m₂，而光电编码器输出脉冲计数器两次捕获值的差值代表输出脉冲个数m₁；由于定时器3设置为连续增减模式，其周期为2T_c，其中一个T_c用于测速，另一个T_c用于转速的计算。