CN102937787A - 双旋变信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双旋变信号处理系统，利用DSP芯片作为旋转变压器解码芯片。基于DSP一体化关节双旋变信号处理系统主要由两个无接触旋变发送机，调理电路和双DSP控制器组成。其中解码DSP作为双旋变信号处理的核心芯片，控制DSP用来接收解码DSP求得的电机角位置和关节角位置，并对永磁同步电机进行控制，两个DSP之间通过IO口和SPI进行通讯。

Description

双旋变信号处理系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及机器人一体化关节双旋变信号处理系统的设计。

背景技术

机器人关节是集机械、电子、传感器、控制于一体的机电系统。目前，机器人关节主要存在以下问题：关节内部集成度低造成的关节体积、重量的增加，精度降低；关节对外接口复杂所造成的布线困难、可靠性降低以及重复开发；由于关节的发热重要集中在电机和电机驱动器附近，导致关节变形，影响了关节精度。尤其在空间环境下，该问题将更加突出。为解决以上问题，2001年安装在国际空间站加拿大二臂，2005年安装在国际空间站的德国宇航中心双关节机器人ROKVIS，2007年哈尔滨工业大学与德国宇航中心联合研制了一种小型高集成度空间机械臂模块化关节和2007年北京邮电大学研制的空间机械臂构造模块，均采用了模块化设计方法。模块化机器人关节，可以组成不同结构的机械臂，同时采用大中心孔设计方法实现了关节的内部走线，避免了特殊环境对导线及其传输信号的影响。针对模块化关节的问题，提出对空间机械臂关节进行高内聚、低耦合一体化设计。

机器人一体化关节集电机，驱动器，控制器，传动机构，空间环境控制及布线于一体，具有高内聚，低耦合，高刚性和轻量化的特点。为了符合一体化关节的各项要求，要求电机驱动器，控制器符合微小型的特点。一体化关节电机采用永磁同步电机，位置传感器采用旋转变压器。旋转变压器是高精度位置检测绝对角位置传感器，输出信号为模拟信号，其特点是无需维护，使用可靠，寿命长，耐油污等。对于正余弦旋转变压器其输出为一个正弦信号和一个余弦信号，而转子的位置信号就包含在这个正-余弦信号中，要从两路模拟信号解码得到转子位置的高精度数字信号是不容易的。

在现有的技术中，很多公司针对旋转变压器解码复杂这一情况，开发了一系列的旋转变压器专用解码芯片：如ANALOG DEVICES公司开发的AD2S80系列和多摩川公司的Au6802系列等。这些专用解码芯片能够快速，高精度的解码得到转子的数字位置量。例如，使用ANALOG DEVICES公司开发的AD2S99作为供给旋转变压器激励信号的芯片和AD2S82作为旋转变压器解码芯片。但是，本发明的发明人发现此技术并不适于应用在一体化关节中：

由于一体化关节内部空间小，对电路板有微型化的要求，而解码双旋变输出信号需要两套解码芯片，即各两个AD2S99与AD2S82芯片，占用空间较大，并且同时需要使用正负12V电源，正负5V电源等多路电源，功耗较大，使得电路复杂。因为需要的电源模块和芯片过多，可靠性差。而一体化关节内部空间狭小，散热困难。所以此技术不符合一体化关节对电路板微型化的要求，并且他们普遍价格昂贵达过万元，采用这些专用解码芯片无疑将大大增加系统成本。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供一种体积小、精度高、成本低的双旋转变压器信号处理系统，以及应用了该系统的一体化关节，以解决现有技术的问题。本发明通过以下技术方案实现。

一种双旋转变压器信号处理系统，用于对机器人的关节进行控制，所述系统主要由两个旋转变压器、调理电路、解码DSP和控制DSP组成，所述解码DSP用于对来自所述两个旋转变压器的信号进行处理，并计算所述两个旋转变压器的角位置；所述控制DSP用于接收所述解码DSP求得的所述两个旋转变压器的角位置，其中：

所述解码DSP被配置为发送两路频率相同、相位相反的PWM信号，所述PWM信号经参考信号调理电路滤波和放大得到正弦激励信号，输送给所述两个旋转变压器；

所述两个旋转变压器的输出信号经过输出信号调理电路由所述解码DSP的A/D通道采样，所述解码DSP通过反正切运算得到所述两个旋转变压器的角位置。

优选地，所述解码DSP的A/D通道采样过程包括：

(1)以相对于参考频率，即旋转变压器额定频率，2K倍的频率对经过输出信号调理电路的所述输出信号进行采样；

(2)使用数字滤波器对采样结果进行处理；

(3)抽取数字序列，对使用数字滤波器处理后的采样结果每2K个采样值进行一次数据抽取。

优选地，所述正弦激励信号利用所述PWM信号脉宽调制输出加上模拟积分器来生成。

本发明还提供了一种用于机器人的一体化关节，包括电机和双旋转变压器信号处理系统，所述双旋转变压器信号处理系统主要由两个旋转变压器、调理电路、解码DSP和控制DSP组成，

所述两个旋转变压器用于测量所述电机的角位置和所述关节的角位置；

所述解码DSP用于对来自所述两个旋转变压器的信号进行处理，并计算所述两个旋转变压器的角位置，得到所述电机的角位置和所述关节的角位置；

所述控制DSP用于用来接收解码DSP求得的电机角位置和关节角位置，并对所述电机进行控制；其中：

所述解码DSP被配置为发送两路频率相同、相位相反的PWM信号，所述PWM信号经参考信号调理电路滤波和放大得到正弦激励信号，输送给所述两个旋转变压器；

所述两个旋转变压器的输出信号经过输出信号调理电路由所述解码DSP的A/D通道采样，所述解码DSP通过反正切运算得到所述两个旋转变压器的角位置。

优选地，所述解码DSP的A/D通道采样过程包括：

(1)以相对于参考频率2K倍的频率对经过输出信号调理电路的所述输出信号进行采样；

(2)使用数字滤波器对采样结果进行处理；

(3)抽取数字序列，对使用数字滤波器处理后的采样结果每2K个采样值进行一次数据抽取。

优选地，所述正弦激励信号利用所述PWM信号脉宽调制输出加上模拟积分器来生成。

所述控制DSP能够接收解码DSP求得的电机角位置和关节角位置，并对所述电机进行控制，采用的控制方法为三闭环控制，包括位置环，速度环和电流环。

附图说明

图1是本发明的双旋变信号处理系统组成框图。

图2是参考信号调理电路和相应波形。

图3是输出信号调理电路和相应波形。

图4是本发明的总体软件流程图。

图5是控制DSP的三闭环控制系统框图。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

基于DSP一体化关节双旋变信号处理系统的总体功能是获得旋转变压器的数字角位置，主要由两个无接触旋变发送机(双旋变)，调理电路和双DSP控制器组成。其中解码DSP作为双旋变信号处理的核心芯片，控制DSP用来接收解码DSP求得的电机角位置和关节角位置，并对永磁同步电机进行控制，两个DSP之间通过IO口和SPI进行通讯。

参见图1，双旋变信号处理系统的组成为控制DSP、解码DSP和调理电路。由解码DSP芯片发送两路频率相同，相位相反的PWM信号经调理电路(参见图2)滤波和放大得到正弦激励信号，输送给两个旋转变压器；旋转变压器输出的正弦和余弦差分信号经过调理电路(参见图3)处理，输入到解码DSP的A/D模块被采样，然后采用软件算法解算出旋转变压器的数字角位置。系统中大部分功能全部由解码DSP完成，编写解码DSP软件程序，主要实现A/D转换，更新两路PWM值，数字滤波及抽取，反正切R/D角度结算和数据输出功能，如图4。

旋转变压器需要的正弦波激励信号生成如下：利用PWM脉宽调制输出加上模拟积分器来生成。采用事件管理器产生PWM信号模拟正弦波输出，必须根据正弦信号的当前相位角实时地调整PWM输出信号的脉冲宽度。为了产生完整的正弦信号，必须从0～360按照一定的递增角度进行计算。在计算正弦信号的幅值时有2种方法：直接计算和查表。实际在嵌入式应用设计中，绝大部分采用查表的方法计算正弦值。采用PWM信号模拟的正弦波的频率主要取决于PWM本身的载波频率和每个正弦波周期输出的点数。两路PWM信号频率相同，相位相反。

图2示出的是参考信号的调理电路及输入输出波形。其中，R1＝R2，R3＝R4，R5＝R6，采用R1，C1；R3，C3组成的二阶网络对两路反相PWM信号进行滤波；同时，使用运算放大器的放大，放大倍数为R5/R3＝R6/R4，将PWM信号范围调整到-5V～+5V，之后经一运放构成的Sallen_Key二阶滤波器，进一步减小正弦波的谐波失真，输送给旋转变压器作为激励信号。

选用的旋转变压器的变压比为0.33。旋转变压器输出的信号经调理电路中运算放大器放大和滤波(如图3所示)，以1.5V为电压基准，将信号的电压范围调节到0～3V，进入解码DSP的A/D采样模块被采样，进行软件解码算法。基本的R/D解算算法为三角法：通过求正、余弦信号的商的反正切函数值，并通过对象限的判断求出该角度值。但为了避免混叠，采样必须满足奈奎斯特采样定理，即采样频率必须为所关注信号的带宽的两倍。

由于旋转变压器输出信号带宽较大，含噪声较多。本系统采用过采样技术来改善信噪比，提高采样分辨率，降低对模拟抗混叠滤波器的限制，从而提高转换结果的精度。为了得到更高的精确度和更好的抑制噪声，本系统采用过采样和平均技术。旋变输出的被轴角度调制过的正弦和余弦信号以2K倍参考频率的采样频率被采样，也就是K倍的过采样。FIR低通滤波器作为数字抗混叠滤波器通过减少被采样值的带宽来提高精确度。之后，每2K个采样值进行一次数据抽取，正相当于将采样率降低为了参考频率。数据抽取对采样后获得的原始数据以一种较低的速率重新进行采样，有效地减少冗余数据量。此时，旋转变压器被滤波后的正弦和余弦值是可用的。角位置可以由解调过的正弦和余弦信号的商的反正切得到。

一体化关节控制中的双DSP通讯采用串行外设接口(SPI)通讯和IO口通讯。SPI是一个高速同步的串行输入输出接口，通信速率和通信数据长度都是可编程的，可采用主/从模式实现多处理器间的数据交换。IO口作为通用数字量输入输出端口，可以将16位的数字角位置用16个IO口进行传递，再使用一个IO信号作为触发信号，即控制DSP的外部中断信号，使控制DSP适时读取，使解码得到的数字角位置能够精确传递，实现了数据传输的双余度。

一体化关节中的控制DSP用来接收解码DSP求得的电机角位置和关节角位置并对所述电机进行控制，采用的控制方法为三闭环控制，包括位置环，速度环和电流环(如图5所示)。首先控制系统给定位置信号θ_r，转子位置传感器检测实际转子位置信号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位置调节器PID调节后，输出转子转速给定信号ω_r。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Aω＝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，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。

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 (8)

1.一种双旋转变压器信号处理系统，用于对机器人的关节进行控制，所述系统主要由两个旋转变压器、调理电路、解码DSP和控制DSP组成，所述解码DSP用于对来自所述两个旋转变压器的信号进行处理，并计算所述两个旋转变压器的角位置；所述控制DSP用于接收所述解码DSP求得的所述两个旋转变压器的角位置，其特征在于：

所述解码DSP被配置为发送两路频率相同、相位相反的PWM信号，所述PWM信号经参考信号调理电路滤波和放大得到正弦激励信号，输送给所述两个旋转变压器；

所述两个旋转变压器的输出信号经输出信号调理电路由所述解码DSP的A/D通道采样，所述解码DSP通过反正切运算得到所述两个旋转变压器的角位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述解码DSP的A/D通道采样过程包括：

(1)以相对于参考频率，即旋转变压器额定频率，的2K倍的频率对经过输出信号调理电路的所述输出信号进行采样；

(2)使用数字滤波器对采样结果进行处理；

(3)抽取数字序列，对使用数字滤波器处理后的采样结果每2K个采样值进行一次数据抽取。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述正弦激励信号利用所述PWM信号脉宽调制输出加上模拟积分器来生成。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制DSP能够接收解码DSP求得所述关节的电机角位置和关节角位置，并对所述关节的电机进行控制，采用的控制方法为三闭环控制，包括位置环，速度环和电流环；所述控制DSP被配置为执行以下步骤：

给定位置信号θ_r，检测实际转子位置信号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位置调节器PID调节后，输出转子转速给定信号ω_r；

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；

检测得到所述电机的实际电流值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。

5.一种用于机器人的一体化关节，包括电机和双旋转变压器信号处理系统，所述双旋转变压器信号处理系统主要由两个旋转变压器、调理电路、解码DSP和控制DSP组成，

所述两个旋转变压器用于测量所述电机的角位置和所述关节的角位置；

所述解码DSP用于对来自所述两个旋转变压器的信号进行处理，并计算所述两个旋转变压器的角位置，得到所述电机的角位置和所述关节的角位置；

所述控制DSP用于用来接收解码DSP求得的电机角位置和关节角位置，并对所述电机进行控制；其中，

所述解码DSP被配置为发送两路频率相同、相位相反的PWM信号，所述PWM信号经参考信号调理电路滤波和放大得到正弦激励信号，输送给所述两个旋转变压器；

所述两个旋转变压器的输出信号经过输出信号调理电路由所述解码DSP的A/D通道采样，所述解码DSP通过反正切运算得到所述两个旋转变压器的角位置。

6.根据权利要求5所述的关节，其特征在于，所述解码DSP的A/D通道采样过程包括：

(1)以相对于参考频率2K倍的频率对经过输出信号调理电路的所述输出信号进行采样；

(2)使用数字滤波器对采样结果进行处理；

(3)抽取数字序列，对使用数字滤波器处理后的采样结果每2K个采样值进行一次数据抽取。

7.根据权利要求5或6所述的关节，其特征在于，所述正弦激励信号利用所述PWM信号脉宽调制输出加上模拟积分器来生成。

8.根据权利要求7所述的关节，其特征在于，所述控制DSP能够接收解码DSP求得所述关节的电机角位置和关节角位置，并对所述关节的电机进行控制，采用的控制方法为三闭环控制，包括位置环，速度环和电流环；所述控制DSP被配置为执行以下步骤：

给定位置信号θ_r，检测实际转子位置信号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位置调节器PID调节后，输出转子转速给定信号ω_r；

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；

检测得到所述电机的实际电流值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。

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