CN108123586B - 用于机器人底盘电机的位置检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人运动控制技术领域，具体为用于机器人底盘电机的位置检测装置，包括直流无刷电机，增量编码器和第一、第二检测模块；所述增量编码器连接在所述电机的端部，用于检测所述电机的增量位置信息；所述第一检测模块，用于电机启动阶段，根据感应电动势的过零点检测转子磁极位置；所述第二检测模块，用于电机启动后，根据感应电动势的过零点和增量编码器融合检测转子磁极位置。本发明的用于机器人底盘电机的位置检测装置，在电机启动后与成本较低的增量编码器结合，进行高精度的增量位置和速度检测，实现底盘直流无刷电机从启动到运行整个阶段的有效控制和性能提升。
Description
技术领域
本发明涉及机器人运动控制技术领域，特别涉及一种用于机器人底盘电机的位置检测装置。
背景技术
随着机器人技术的进步与发展，服务机器人越来越多的走进人们的生活，服务于家庭、医院、社区、银行、展览馆等场所。服务机器人大多具有移动功能，包括轮式移动和足式移动等方式，其中轮式移动方式为最常用的方式，轮式驱动的可靠性、低成本成为服务机器人能够广泛应用的重要因素。
以往服务机器人的底盘常采用直流有刷电机驱动，其控制方式简单，易于实现，但有刷电机的缺点是使用寿命不长，长期使用随着电刷的磨损需要更换电机而增加成本。
近些年，随着伺服驱动技术的发展，直流无刷电机的应用被推广开来，其采用电子换相取代有刷电机的机械换相，不存在电刷磨损的问题，从而可延长电机使用寿命达20倍以上。但直流无刷电机的控制需要检测转子磁极的位置，根据转子磁极位置进行换相。
在服务机器人底盘直流无刷电机的控制中，存在两方面的技术问题。一方面电机启动和运行中需要检测转子磁极的位置，另一方面需要满足机器人行进过程中的速度跟踪、加减速等性能要求。常用检测转子磁极位置和电机位置的方式采用绝对值编码器或霍尔传感器，绝对编码器虽然控制效果好但价格较高，而采用霍尔传感器增加了系统成本且控制效果有限，限制了直流无刷电机的应用。
发明内容
本发明旨在克服现有直流无刷电机位置检测系统复杂的技术缺陷，提供一种用于机器人底盘电机的位置检测装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种用于机器人底盘电机的位置检测装置，包括直流无刷电机，增量编码器和第一、第二检测模块；所述增量编码器连接在所述电机的端部，用于检测所述电机的增量位置信息；所述第一检测模块，用于电机启动阶段，根据感应电动势的过零点检测转子磁极位置；所述第二检测模块，用于电机启动后，根据感应电动势的过零点和增量编码器融合检测转子磁极位置。
一些实施例中，所述装置还包括驱动电路模块和控制电路模块，所述驱动电路模块连接所述电机的UVW相，用于电机控制的PWM信号输出；所述控制电路模块，用于读取增量编码器信息，以及控制所述电机。
一些实施例中，所述驱动电路模块为三相功率桥，所述三相功率桥连接电机的UVW相。
一些实施例中，所述控制电路模块通过编码器线与所述增量编码器连接。
一些实施例中，所述根据感应电动势的过零点检测转子磁极位置为，当转子磁极与定子某相相差0°电角度时，感应电动势幅值最大，当磁极与定子某相相差90°电角度时，感应电动势过零点，此时检测转子磁极位置。
一些实施例中，所述根据感应电动势的过零点和增量编码器融合检测转子磁极位置为，感应电动势过零点检测到转子磁极位置后，将增量编码器的值计为0，每个控制周期中，所述增量编码器计算转子磁极位置，并磁场定向控制每个控制周期给定磁场与转子磁极成90°电角度。
本发明的有益效果在于：本发明的用于机器人底盘电机的位置检测装置，包括直流无刷电机，增量编码器和第一、第二检测模块；所述增量编码器连接在所述电机的端部，用于检测所述电机的增量位置信息；所述第一检测模块，用于电机启动阶段，根据感应电动势的过零点检测转子磁极位置；所述第二检测模块，用于电机启动后，根据感应电动势的过零点和增量编码器融合检测转子磁极位置。在电机启动后与成本较低的增量编码器结合，进行高精度的增量位置和速度检测，实现底盘直流无刷电机从启动到运行整个阶段的有效控制和性能提升。
附图说明
图1是本发明用于机器人底盘电机的位置检测装置的示意图。
图2是本发明用于机器人底盘电机的转子磁极位置检测示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明实施例的一种用于机器人底盘电机的位置检测装置，包括直流无刷电机1，增量编码器2和第一、第二检测模块(图中未示出)；上述增量编码器2连接在上述电机1的端部，用于检测上述电机的增量位置信息；上述第一检测模块，用于电机启动阶段，根据感应电动势的过零点检测转子磁极位置；上述第二检测模块，用于电机启动后，根据感应电动势的过零点和增量编码器融合检测转子磁极位置。
本发明的用于机器人底盘电机的位置检测装置，在电机启动后与成本较低的增量编码器结合，进行高精度的增量位置和速度检测，实现底盘直流无刷电机从启动到运行整个阶段的有效控制和性能提升。
如图1所示，本发明另一实施例的一种用于机器人底盘电机的位置检测装置，包括直流无刷电机1，增量编码器2，第一、第二检测模块，驱动电路模块3和控制电路模块4。
上述驱动电路模块3连接上述电机的UVW相，用于电机控制的PWM信号输出；优选地，上述驱动电路模块3为三相功率桥，上述三相功率桥连接电机的UVW相。
上述控制电路模块4，用于读取增量编码器信息，以及控制上述电机；上述控制电路模块通过编码器线与上述增量编码器连接。
上述增量编码器2连接在上述电机1的端部，用于检测上述电机的增量位置信息；上述第一检测模块，用于电机启动阶段，根据感应电动势的过零点检测转子磁极位置；上述第二检测模块，用于电机启动后，根据感应电动势的过零点和增量编码器融合检测转子磁极位置。
本发明另一实施例的一种用于机器人底盘电机的位置检测装置，包括直流无刷电机1，增量编码器2，第一、第二检测模块，驱动电路模块3和控制电路模块4。上述增量编码器连接在上述电机的端部，用于检测上述电机的增量位置信息。
其中，上述驱动电路3模块为三相功率桥，连接上述电机的UVW相，用于电机控制的PWM信号输出；上述控制电路模块4，用于读取增量编码器信息，以及通过驱动电路模块实现对直流无刷电机的控制；上述控制电路模块通过编码器线与上述增量编码器连接。
上述第一检测模块，用于电机启动阶段，根据感应电动势的过零点检测转子磁极位置；上述第二检测模块，用于电机启动后，根据感应电动势的过零点和增量编码器融合检测转子磁极位置。
具体地，由于感应电动势的产生是由磁极转到是按照电磁感应定律在定子线圈中感应产生的。当转子磁极与定子某相相差0°电角度时，感应电动势幅值最大，当磁极与定子某相相差90°电角度时，感应电动势过零点，此时检测转子磁极位置。
当电机启动过程中，感应电动势过零点检测到转子磁极位置后，将增量编码器的值计为0，电机运行过程中，切换到增量编码器检测和控制模式，每个控制周期中，由增量编码器计算转子磁极位置，采用磁场定向控制每个控制周期给定磁场与转子磁极成90°电角度，并通过SVPWM输出合成矢量，实现电机启动和控制。由于采用增量编码器的位置检测精度高，且与磁场定向控制结合，每个周期都给定磁场与转子磁极成90°电角度，使磁场转矩为最大值状态，实现更高的转矩输出能力和响应性能。
具体地，本发明实施例的电机启动和运行的流程包括：
S1、按机器人前进的速度指令方向给定旋转矢量控制电机转动，进行电机启动，矢量的方向按速度指令方向递增；
S2、在启动过程中，通过检测定子反电动势的过零点检测转子磁极位置；
S3、当检测到转子磁极位置后，将增量编码器计为0；
S4、切换到由增量编码器进行转子磁极和电机位置的检测；
S5、由磁极位置和电机位置采用磁场定向控制进行电机运动控制。
如图2所示，为转子磁极位置检测原理图。当电机转子选择时，定子A相的感应电动势波形，感应电动势过零点位置为距离A相90°电角度位置，由此可以得到转子磁极的位置，N极和S极。
本发明的用于机器人底盘电机的位置检测装置，采用电机定子反电动势检测转子磁极位置并与增量编码器结合进行电机运动控制。该装置能够既有效实现电机转子位置的检测，又能实现电机运行中高精度的位置检测和控制，且成本较低，适用于服务机器人系统的应用。在电机启动后与成本较低的增量编码器结合，进行高精度的增量位置和速度检测，实现底盘直流无刷电机从启动到运行整个阶段的有效控制和性能提升。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种用于机器人底盘电机的位置检测装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (3)
1.一种用于机器人底盘电机的位置检测装置，其特征在于，包括直流无刷电机，增量编码器和第一、第二检测模块；所述增量编码器连接在所述电机的端部，用于检测所述电机的增量位置信息；所述第一检测模块，用于电机启动阶段，根据感应电动势的过零点检测转子磁极位置；当转子磁极与定子某相相差0°电角度时，感应电动势幅值最大，当磁极与定子某相相差90°电角度时，感应电动势过零点，此时检测转子磁极位置；
所述第二检测模块，用于电机启动后，根据感应电动势的过零点和增量编码器融合检测转子磁极位置；感应电动势过零点检测到转子磁极位置后，将增量编码器的值计为0，每个控制周期中，所述增量编码器计算转子磁极位置，并磁场定向控制每个控制周期给定磁场与转子磁极成90°电角度；
所述装置还包括驱动电路模块和控制电路模块，所述驱动电路模块连接所述电机的UVW相，用于电机控制的PWM信号输出；所述控制电路模块，用于读取增量编码器信息，以及控制所述电机。
2.如权利要求1所述的用于机器人底盘电机的位置检测装置，其特征在于，所述驱动电路模块为三相功率桥，所述三相功率桥连接电机的UVW相。
3.如权利要求1所述的用于机器人底盘电机的位置检测装置，其特征在于，所述控制电路模块通过编码器线与所述增量编码器连接。
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