CN101571723B - 高精度驱动与控制一体化电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度驱动与控制一体化电机，包括电源接口，将负载位置检测传感器、减速器、电机、电机转子位置检测传感器、连接驱动与控制器的调试接口和现场总线接口集成为一体，即与负载位置检测传感器连接的输出轴直接连接负载，将电机的两侧分别与电机转子位置检测传感器、减速器同轴相连，负载位置检测传感器与负载共轴安装，并用屏蔽线将负载位置检测传感器和电机转子位置检测传感器信号引至驱动与控制器。本发明使系统具有良好的抗冲击、抗震动性能，更适于工业控制环境；将负载位置检测传感器、减速器、电机等集成为一体；利用位置控制器、速度控制器和电流控制器有效抑制齿隙非线性，提高了系统精度。

Description

高精度驱动与控制一体化电机

技术领域

本发明属于电机技术，特别是一种高精度驱动与控制一体化电机。

背景技术

随着伺服系统向高精度、高可靠、小型化、集成化、智能化、网络化方向发展，对高精度新型驱动与控制一体化装置的需求日益加大，国内外都对此展开了研究。

国内的研究主要解决的是调速问题。其研究成果有：机器人一体化鲁棒驱动单元技术，将电枢电流、转子位置、减速器输出力矩、加速度等传感器集成于驱动单元(邱志成、谈大龙、韩建达、王超越，加速度反馈控制抑制谐波传动系统振动的研究[J]，高技术通信，1999年7月)；机器人关节驱动装置一体化，采用场路结合法对交流伺服电机进行优化设计。但是国内的大部分伺服系统中驱动器与控制器是分离的。到目前为止，只有少量电机、测量部件和减速器的集成产品，未见到将角度传感器、伺服电动机、减速器、驱动器、控制系统和控制网络集成的产品，而且产品也没有考虑到位置伺服控制问题。

德国AMTEC公司PowerCube模块化机器人，为机器人关节控制生产了交流永磁同步伺服电机、减速器、驱动、伺服控制和控制网络集成化产品。德国西门子公司生产的SIMODRIVE POSMO系列电机(专利号：DE 10 2003 036 281 A1)是一种带有集成式变频器、定位控制器、可选变速箱以及PROFIBUS-DP通讯功能的智能电机。其驱动单元通过PROFIBUS DP进行通讯，因此可同时运行几个驱动系统。DaimlerChrysler公司生产的电机集成单元(专利号：US 6,198,183 B1)，包括一个控制器和集成了电机的控制模块，两者共用一个冷却水的循环系统使得系统更加紧凑和可靠。是一种带有集成式变频器、定位控制器、可选变速箱以及PROFIBUS-DP通讯功能的智能电机。其驱动单元通过PROFIBUS DP进行通讯，因此可同时运行几个驱动系统。国外的相关发明尽管具备位置伺服功能，但均是基于电机侧位置反馈而构成的半闭环控制方式，未考虑减速机构对系统控制精度造成的影响。而且电机的位置测量元件基本上都是采用光电码盘，使用这种编码器一般很难应用于强冲击、强震动场合，很难满足工业控制环境的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现高精度，并适用于工业控制环境的集驱动与控制一体化的电机。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种高精度驱动与控制一体化电机，包括电源接口，将负载位置检测传感器、减速器、电机、电机转子位置检测传感器、连接驱动与控制器的调试接口和现场总线接口集成为一体，即与负载位置检测传感器连接的输出轴直接连接负载，将电机的两侧分别与电机转子位置检测传感器、减速器同轴相连，负载位置检测传感器与负载共轴安装，并用屏蔽线将负载位置检测传感器和电机转子位置检测传感器信号引至驱动与控制器，该驱动与控制器通过现场总线接口接收位置指令，同时分别读入负载位置检测传感器和电机转子位置检测传感器位置数据，通过驱动与控制器利用误差计算控制量，同时通过抑制齿隙非线性来降低齿隙影响，该驱动与控制器驱动电机，该电机通过减速器驱动负载，从而构成基于负载侧位置反馈的闭环位置伺服系统。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)采用旋转变压器即负载位置检测传感器和电机转子位置检测传感器作为位置检测元件，使系统具有良好的抗冲击、抗震动性能，更适于工业控制环境；(2)除电机侧有一个电机转子位置检测传感器以外，在负载侧再集成负载位置检测传感器，可直接测量负载位置，集成度更高，使用更方便；(3)将负载位置检测传感器、减速器、电机、电机转子位置检测传感器、与驱动与控制器连接的调试接口和现场总线接口接口集成为一体，采用微处理器为核心实现驱动与控制，可直接用于伺服控制，进行位置、速度、电流检测和控制；(4)利用电机侧和负载侧一对负载位置检测传感器和电机转子位置检测传感器，通过比较得到减速器机械传动齿隙，利用位置控制器、速度控制器和电流控制器有效抑制齿隙非线性，提高了系统精度。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明高精度驱动与控制一体化电机的原理图。

图2是本发明高精度驱动与控制一体化电机的内部安装结构图。

图3是本发明高精度驱动与控制一体化电机的工作原理图。

图4是本发明驱动与控制系统工作原理图。

图5是本发明数字式位置控制器工作原理图。

图6是本发明数字式速度控制器工作原理图。

图7是本发明数字式非线性消隙控制器工作原理图。

图8是本发明分区PID控制算法流程。

图9是本发明数字式电流控制器工作原理图。

图10是本发明高精度驱动与控制一体化电机具体实现示意图。

具体实施方式

结合图1和图2，本发明高精度驱动与控制一体化电机，包括电源接口6，将负载位置检测传感器1、减速器2、电机3、电机转子位置检测传感器4、连接驱动与控制器5的调试接口7和现场总线接口8集成为一体，即与负载位置检测传感器1连接的输出轴直接连接负载，将电机3的两侧分别与电机转子位置检测传感器4、减速器2同轴相连，负载位置检测传感器1与负载共轴安装，并用屏蔽线将负载位置检测传感器1和电机转子位置检测传感器4信号引至驱动与控制器5。

电机3为高性能、无需维护的交流永磁同步电机或伺服电机，具有可靠性高、寿命长、无须维护以及高功率密度、高效率、高动态响应等优点。负载位置检测传感器1和电机转子位置检测传感器4为精度高、体积小的旋转变压器，也可用于强冲击、震动场合。减速器2采用行星齿轮箱，具有可靠性高、结构紧密、减速范围较宽、传动效率高、寿命长、免维护等优点。驱动与控制器5采用高性能微处理器为核心，通过功率模块驱动、控制电机。现场总线接口8采用CAN，调试接口7采用RS232、485。

结合图3，本发明高精度驱动与控制一体化电机的驱动与控制器5通过现场总线接口8接收位置指令，同时分别读入负载位置检测传感器1和电机转子位置检测传感器4位置数据，通过驱动与控制器5利用误差计算控制量，同时通过抑制齿隙非线性来降低齿隙影响，该驱动与控制器5驱动电机3，该电机3通过减速器2驱动负载，从而构成基于负载侧位置反馈的闭环位置伺服系统。

结合图4，本发明高精度驱动与控制一体化电机的驱动与控制器5以高性能微处理器为核心实现驱动、控制器，采用数字化技术进行位置、速度、电流检测和控制，采用先进功率器件作为驱动元件，优化设计，减少功耗和体积。即驱动与控制器5包括微处理器、功率驱动电路55，该微处理器包括位置控制器51、速度控制器52、电流控制器53和非线性消隙控制器54；速度计算器57对电机转子位置检测传感器4的测量值进行微分处理，得到电机3的速度信号ω₁；驱动与控制器5通过现场总线接口8接收位置指令信号θ_r后，采样负载位置信号θ_c，位置控制器51将位置指令信号θ_r与位置信号θ_c相减得位置误差e_(k)，然后根据位置误差e_(k)大小设置误差区间，分别采用不同的PID控制参数计算出速度指令ω^*；非线性消隙控制器54通过比较电机转子位置检测传感器4检测的角度θ₁和负载位置检测传感器1检测的角度θ₂，计算出角度的偏差Δθ，得到减速器2的非线性齿隙，然后根据位置误差Δθ大小设置误差区间，分别通过不同的比例控制器计算出补偿信号ω₂；速度控制器52对位置控制器51的输出ω^*及非线性消隙控制器54输出的补偿信号ω₂求和，再减去电机3的速度信号ω₁得出速度偏差量Δω，根据Δω大小设置误差区间，分别采用不同的PID控制参数计算出电流给定信号I_q ^*，然后将I_q ^*存放于微处理器的内存单元；电流控制器53根据电流给定信号I_q ^*、通过电流检测电路56获得电机3的三相定子电流信号I_a、I_b、I_c，经计算与变换后输出6路的PWM信号，将PWM信号经互锁隔离后分别输送给功率驱动电路55以驱动电机3带动负载正常运行，实现位置闭环控制，获得高精度伺服控制。还可以在驱动与控制器5上设置的外围电路还包括信号检测电路、故障检测与保护电路和现场总线接口网络接口，可以通过现场总线接口8接收上位机位置指令，形成闭环位置控制系统。

结合图5，驱动与控制器5的位置控制器51定时接收上位机的指令信号θ_r，采样负载的位置信号θ_c，利用两者求取当前的位置误差e(k)，该位置误差e(k)经过数字滤波，去除噪声后调用分区PID控制参数计算角速度控制量，该控制量经限幅保护处理后输出ω^*。

结合图6，驱动与控制器5的速度控制器52接收到位置控制器51输出的角速度控制量ω^*和非线性消隙控制器54输出的角度误差量ω₂，两者求和得到当前的角速度控制量，用该控制量与由速度计算传来的角速度量ω₁求差，取得角速度误差Δω，该角速度误差Δω经过数字滤波，去除噪声后调用分区PID控制算法计算电流控制量，该控制量经限幅保护处理后输出I_q ^*。

结合图7，驱动与控制器5的非线性消隙控制器54接收到电机转子位置检测信号θ₁和负载位置检测信号θ₂，利用两者求取当前的位置误差Δθ，该位置误差Δθ经过分区P控制算法计算角速度误差量ω₂。

结合图8，上述分区PID控制方法(或分区P控制方法)首先根据误差(e(k)、Δω、Δθ)判断使用何种算法计算控制量(ω^*、I_q ^*、ω₂)，若误差位于预设的大误差区，则调用柔化Bang-Bang控制计算控制量，若误差不在大误差区，则进一步判断其位于哪个小误差带，据此设定PID参数(或P参数)，然后调用数字PID控制方法(或数字P方法)计算控制量(ω^*、I_q ^*、ω₂)。

结合图9，驱动与控制器5的电流控制器53首先定时读取电流给定信号I_q ^*、第一交流永磁同步电机的三相定子电流信号I_a，I_b，I_c；接着将三相定子电流信号I_a，I_b，I_c经ABC/dq变换得到同步旋转坐标系下的电流信号I_d和I_q；然后将I_d ^*( $I_d^{*}=0$ )与I_d相减得误差信号ΔI_d经数字PI控制方法计算后得到控制量U_d，将I_q ^*与I_q相减得误差信号ΔI_q经数字PI控制算法计算后得到控制量U_q；最后将U_d与U_q经dq/ABC变换得到U_A、U_B、U_C并采用SPWM(正弦脉宽调制)方式获得所需的6路PWM输出信号，经互锁隔离后输送给功率驱动电路55使其产生电机运行所需的电压信号。

上述驱动与控制器5采用32位DSP高性能微处理器TMS320F2812，其实现的主要功能包括：a)将位置控制器51、速度控制器51、电流控制器53用程序具体实现；b)分别读取两个测角装置1、4的测量数据，用程序具体实现通过差速消除传动齿隙；c)通过内置的PWM模块将6路PWM信号输出；d)通过内置的AD模块将交流永磁同步电机三相定子电流信号分别转化为数字量；e)通过I/O口读取RDC模块输出的数据；f)通过内置的CAN通信接口经光电隔离后与上位机进行通信。功率驱动电路56选用智能功率模块PM150RLA060位核心构成；RDC模块58功能为将旋转变压器输出的模拟信号转化为数字信号输送给DSP，采用的转换芯片为AD2S80A；现场总线接口8采用CAN现场总线接口方式；调试接口7采用RS485及RS232方式。

以下以高精度驱动与控制一体化电机为例，说明本发明的具体实施，具体实施分以下6步：

1、电机3为交流永磁同步伺服电机，负载位置检测传感器1和电机转子位置检测传感器4为旋转变压器，减速器2采用行星齿轮箱，驱动与控制器5采用高性能微处理器为核心，通过功率模块驱动、控制电机。现场总线接口8采用现场总线接口CAN，调试接口7采用RS232、485。将驱动与控制器5与电机转子位置检测传感器4测角装置4、电机3、减速器2同轴相连，负载位置检测传感器1与负载共轴安装，并用屏蔽线将负载位置检测传感器1和电机转子位置检测传感器4信号引至驱动与控制器5，如图1、2所示。

2、构造驱动与控制器5中的位置控制器51。位置控制器51定时接收指令信号θ_r，采样负载的位置信号θ_c，利用两者求取当前的位置误差e(k)，该位置误差e(k)经过数字滤波(例如中值滤波)，去除噪声后调用分区PID控制方法计算位置控制量。分区PID控制方法首先根据误差判断使用何种算法计算控制量，若误差位于预设的大误差区，则调用柔化Bang-Bang控制计算控制量，若误差不在大误差区，则进一步判断其位于哪个小误差带，据此设定PID参数，然后调用数字PID控制方法计算控制量。最后，控制量经限幅保护处理后输出，如图4、5所示。

柔化Bang-Bang控制算法表达式为：

$u\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{K}_{p}e\left(k\right)+u_{s1}& e\left(k\right)>e_0\\ K_{p}e\left(k\right)+u_{s2}& e\left(k\right)<-e_0\end{array}\right.$

其中u(k)为控制量，K_p为比例系数，e₀为大小误差区的分界点，e(k)为误差。

$u_{s1}=\frac{V}{T\&CenterDot;\mathrm{\&omega;}}(\mathrm{\&Delta;\&gamma;}+\mathrm{\&alpha;})$

$u_{s2}=\frac{V}{T\&CenterDot;\mathrm{\&omega;}}(\mathrm{\&Delta;\&gamma;}-\mathrm{\&alpha;})$

其中Δγ＝γ(k)-γ(k-1)为采样周期内输入信号增量，即指令速度，ω为系统最大转速，T为采样周期，V为对应D/A输出最大值。u_si(i＝1，2)为相应于输入指令角速度的控制量，式中α为一常数(相对主控制信号较小的值，一般取为0.5)。

数字PID方法表达式为：

$u\left(k\right)=K_{\mathrm{pn}}e\left(k\right)+\underset{m=0}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_{\mathrm{in}}e\left(m\right)+K_{\mathrm{dn}}(e\left(k\right)-e(k-1))$

其中K_pn，K_in和K_dn分别为当误差位于误差带n时的比例、积分及微分系数。

3、构造驱动与控制器5中的速度控制器52。速度控制器52接收到位置控制器51输出的角速度控制量ω^*和非线性消隙控制器54输出的角度度误差量ω₂，两者求和得到当前的角速度控制量，用该控制量与由速度计算传来的角速度量ω₁求差，取得角速度误差Δω，该角速度误差Δω经过数字滤波，去除噪声后调用分区PID控制方法计算出电流给定信号I_q ^*然后将存放于微处理器的内存单元，如图4、6所示。

4、构造驱动与控制器5中的非线性消隙控制器54。非线性消隙控制器54接收到电机转子位置检测传感器4检测信号θ₁和负载位置检测传感器检测信号θ₂，利用两者求取当前的位置误差Δθ，该位置误差Δθ经过分区P控制方法计算角速度误差量ω₂，如图4、7所示。

5、构造驱动与控制器5中的电流控制器53。首先定时读取电流给定信号I_q ^*、第一交流永磁同步电机3的三相定子电流信号I_a，I_b，I_c；接着将三相定子电流信号I_a，I_b，I_c经ABC/dq变换得到同步旋转坐标系下的电流信号I_d和I_q；然后将I_d ^*( $I_d^{*}=0$ )与I_d相减得误差信号ΔI_d经数字PI控制方法计算后得到控制量U_d，将I_q ^*与I_q相减得误差信号ΔI_q经数字PI控制方法计算后得到控制量U_q；最后将U_d与U_q经dq/ABC变换得到U_A、U_B、U_C并采用SPWM方式获得所需的6路PWM输出信号，经互锁隔离后输送给功率驱动电路使其产生电机运行所需的电压信号，如图4、9所示。

6、图10给出了本发明高精度驱动控制一体化电机的具体实施例。微处理器采用32位DSP TMS320F2812，功率驱动电路55选用智能功率模PM150RLA060位核心构成；RDC模块功能为将旋转变压器输出的模拟信号转化为数字信号输送给微处理器，采用的转换芯片为AD2S80A；现场总线接口8采用CAN现场总线接口方式；调试接口7采用RS485及RS232方式。外接直流电源通过DC/DC，不仅给功率驱动电路55提供电源，也通过电压调整和滤波，为系统提供±15V、+5V、+3.3V、+1.8V的电源。微处理器通过CAN总线接收位置指令传递给总线接收器，经过光电隔离以后传给微处理器的CAN通信接口；调试命令通过调试接口将信号传递给MAX232、MAX485芯片，通过光电隔离以后传递给微处理器的UART1(通用异步收发器1)、UART2(通用异步收发器2)模块。同时，微处理器通过I/O口得到RDC模块给出的电机转子位置检测传感器和负载位置检测传感器的位置，通过A/D口接收电机电枢电流；然后将电流控制量和电枢电流输入电流控制器得到电机控制量，转化为微处理器的PWM(脉宽调制)输出。PWM控制量通过互锁隔离后经过功率驱动电路，驱动电机的同时驱动电路将电流信号传输给电流检测电路；

驱动与控制器5工作过程：

(1)外接直流电源，通过DC/DC、电压调整和滤波后，为DSP以及相关电路供电；

(2)利用DSP的CAN通信接口实现CAN总线接口，驱动与控制器通过CAN总线接口接收上位机位置指令；

(3)驱动与控制器利用DSP的I/O口得到通过RDC模块的电机侧和减速器输出的负载侧位置，

(4)驱动与控制器中的位置控制器将上位机的位置指令信号和负载的位置侧位置信号求差，得到位置误差。该位置误差经过数字滤波，去除噪声后调用分区PID控制算法计算角速度控制量。

(5)驱动与控制器将角速度控制量和通过RDC模块得到的电机侧速度输入速度控制器，计算电流控制量。

(6)利用DSP的A/D口读取电机电枢电流，再将电流控制量和电枢电流输入电流控制器得到电机控制量，转化为DSP的PWM输出；

(7)PWM控制量通过隔离后经过功率驱动电路，驱动电机；

(8)相关参数及状态由DSP的I/O驱动LED显示；

(9)利用DSP的UART1、UART2形成RS232、485调试接口。

Claims (2)

1.一种高精度驱动与控制一体化电机，包括电源接口(6)，其特征在于：将负载位置检测传感器(1)、减速器(2)、电机(3)、电机转子位置检测传感器(4)、连接驱动与控制器(5)的调试接口(7)和现场总线接口(8)集成为一体，即与负载位置检测传感器(1)连接的输出轴直接连接负载，将电机(3)的两侧分别与电机转子位置检测传感器(4)、减速器(2)同轴相连，负载位置检测传感器(1)与负载共轴安装，并用屏蔽线将负载位置检测传感器(1)和电机转子位置检测传感器(4)信号引至驱动与控制器(5)，该驱动与控制器(5)通过现场总线接口(8)接收位置指令，同时分别读入负载位置检测传感器(1)和电机转子位置检测传感器(4)位置数据，通过驱动与控制器(5)利用误差得到控制量，同时通过抑制齿隙非线性来降低齿隙影响，该驱动与控制器(5)驱动电机(3)，该电机(3)通过减速器(2)驱动负载，从而构成基于负载侧位置反馈的闭环位置伺服系统。

2.根据权利要求1所述的高精度驱动与控制一体化电机，其特征在于：驱动与控制器(5)包括微处理器、功率驱动电路(55)，该微处理器包括位置控制器(51)、速度控制器(52)、电流控制器(53)和非线性消隙控制器(54)；速度计算器(57)对电机转子位置检测传感器(4)的测量值进行微分处理，得到电机(3)的速度信号ω₁；驱动与控制器(5)通过现场总线接口(8)接收位置指令信号θ_r后，采样负载位置信号θ_c，位置控制器(51)将位置指令信号θ_r与位置信号θ_c相减得位置误差e_(k)，然后根据位置误差e_(k)大小设置误差区间，分别采用不同的PID控制参数计算出速度指令ω^*；非线性消隙控制器(54)通过比较电机转子位置检测传感器(4)检测的角度θ₁和负载位置检测传感器(1)检测的角度θ₂，计算出角度的偏差Δθ，得到减速器(2)的非线性齿隙，然后根据角度的偏差Δθ大小设置误差区间，分别通过不同的比例控制器计算出补偿信号ω₂；速度控制器(52)对位置控制器(51)的输出的速度指令ω^*及非线性消隙控制器(54)输出的补偿信号ω₂求和，再减去电机(3)的速度信号ω₁得出速度偏差量Δω，根据Δω大小设置误差区间，分别采用不同的PID控制参数计算出电流给定信号

然后将

存放于微处理器的内存单元；电流控制器(53)根据电流给定信号通过电流检测电路(56)获得电机(3)的三相定子电流信号I_a、I_b、I_c，经计算与变换后输出6路的PWM信号，将PWM信号经互锁隔离后分别输送给功率驱动电路(55)以驱动电机(3)带动负载正常运行，实现位置闭环控制，获得高精度伺服控制。

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