CN108923711A - 一种伺服系统零点校对的绝对值编码器调零方法 - Google Patents

Abstract

一种伺服系统零点校对的绝对值编码器调零方法，涉及工业自动化和智能机器人领域。方法，在通用交流伺服驱动器不变的基础上，采用对电机电角度零位校对补偿的方法，弥补了伺服电机与编码器初始安装过程中的电角度零位偏差，由于电角度计算的准确度影响控制策略的控制效果，因此该角度定位精度的提升，使得该伺服驱动器的整机控制性能提升，提高了行业应用的价值。

Description

一种伺服系统零点校对的绝对值编码器调零方法

技术领域

本发明涉及工业自动化和智能机器人领域，特别涉及一种伺服系统零点校对的绝对值编码器调零方法。

背景技术

随着经济的发展和生活水平的提高，为了满足工厂自动化的生产，工业机器人代替人类进行恶劣环境工况和重复性工况的工作。其中机器人行业用交流伺服驱动器拖动伺服电机进行给定指令的运动，进而完成上位主控制器规划的轨迹运行，有着广泛和普及的应用。

智能机器人能够代替人类进行工作，在一个机器人自动化系统中，机器人只是系统中的一部分，这个系统通常包括PLC系统，机器人整机(包括本体的控制器部分、实现多轴同步运行的拖动装置即交流伺服驱动器和交流伺服电机和精密减速器)、外围传感器等。

交流伺服系统(包括交流伺服驱动器和交流伺服电机)因为具有较高的功率密度、响应速度快和过载能力强等优点被用于智能工业机器人领域中，交流伺服驱动器和伺服电机用于机器人系统中已经是一种普遍应用状态。目前,机器人行业应用的交流伺服系统对伺服系统控制性能要求较高，因此提高该系统的控制效果是非常有必要的。

通常伺服电机尾部的编码器安装在电机电角度的某一位置，最传统的做法是通过机械的方式安装，即给电机三相中的U相和VW并联后的两端通直流电的方式，找到电机的电角度零点，但是由于电机本身三相电阻不可能完全平衡的问题，导致编码器安装位置肯定有偏差，通过编码器反馈给伺服驱动器的角度值用于内部控制，会直接影响伺服系统的控制精度，因此为了降低由机械对零带来的误差，提高控制系统的控制精度。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种伺服系统零点校对的绝对值编码器调零方法，解决了控制精度差的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种伺服系统零点校对的绝对值编码器调零方法，其技术要点是，包括以下步骤：

步骤1：采集伺服电机的三相电流i_a；i_b；i_c和绝对值编码器反馈的机械位置角信息θ，获取电角度信息,公式如下：

θ_e＝θ*P

式中，θ_e为电角度，P为电机的极对数；

步骤2：对步骤1中的数据进行Clark和Park运算以后，得到两相旋转坐标系下的电流i_d；i_q，经过给定Q轴和D轴的给定值与i_d；i_q的反馈值做差后分别通过电流控制器的控制以后，经过prak-1运算以后，得到SVPWM控制所需的两相静止坐标系下的电压值，最后输出控制电机所需的PWM调制波；

步骤3：PWM调制波输出脉宽电压和经补偿后的最终电角度，控制电机旋转。

上述方案中，步骤3所属的经补偿后的最终电角度,获取方法如下：

步骤1：编码器采集电机的实际电角度值；

步骤2：根据给定步长值计算总周期；

步长表示每个PWM中断周期补偿的电角度值大小，步长的取值范围为：大于-30°且小于30°；

步骤3：计算每个周期电角度的补偿角大小；每补偿一个周期，记录采集到的电机相电流，将补偿角度大小与电机相电流的均方根值一一对应，绘制成表格；

步骤4：获取步骤3表格中相电流最小的值对应的补偿角度，该补偿角度与步骤1中采集到的实际电角度值做和获得最终的电角度。

本发明的有益效果是：该伺服系统零点校对的绝对值编码器调零方法，在通用交流伺服驱动器不变的基础上，采用对电机电角度零位校对补偿的方法，弥补了伺服电机与编码器初始安装过程中的电角度零位偏差，由于电角度计算的准确度影响控制策略的控制效果，因此该角度定位精度的提升，使得该伺服驱动器的整机控制性能提升，提高了行业应用的价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中交流伺服系统结构示意图；

图2为本发明实施例中交流伺服系统电路原理图；

图3为本发明实施例中伺服系统零点校对的绝对值编码器调零方法控制流程图。

具体实施方式

使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1～图3和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中的伺服驱动器包括整流稳压电路、IPM逆变电路、逻辑门电路FPGA、数字信号处理器DSP(型号为TMS320F28335)，电流传感器、光耦隔离电路、驱动保护电路以及故障检测和保护电路，其中DSP包括ADC模块、PWM发生器、Flash存储器单元(图中未示出)、外扩FRAM及RAM单元(图中未示出)。DSP和FPGA两类MCU芯片是通过并行总线的方式连接，其中整流稳压电路是将外部供电电源转换为直流电源，给IPM逆变电路提供母线电压，DSP的AD模块处理一些模拟量输入信号,例如：母线电压的检测值，PWM用于提供PWM脉宽信号，该部分的输出作为PWM发生器的输入，最后生成脉宽信号用于电机控制，FPGA做电机电流信号的检测和处理以及一些故障信息的处理。

本实施例采用的伺服系统零点校对的绝对值编码器调零方法，通过设置在DSP内的软件实现，其采用的交流伺服驱动器可实现三个闭环控制，控制模式可以选择为位置、速度以及转矩模式。传统机械对零的方式是将电机的vw相并联以后与U相串联后通入直流电，使电机轴抱死在电角度零点附件，电机的零点个数与极对数一致，但是由于VW两相是并联关系，因此流入该两相的电流有可能出现不平衡，从而影响转子定向的准确性，并且编码器的采样精度也会影响该值的定位。为了更好地弥补该问题带来的误差，添加定步长校对程序，提高该零点的定位精度，进而提高控制策略的控制效果进而提高伺服系统在应用行业中的使用性能。

本实施例中采用的伺服系统零点校对的绝对值编码器调零方法，包括以下步骤：

步骤1：采集伺服电机的三相电流i_a；i_b；i_c和绝对值编码器反馈的机械位置角信息θ，获取电角度信息,公式如下：

θ_e＝θ*P

式中，θ_e为电角度，P为电机的极对数，a，b，c为三相电的三个项线，i为电流；

本实施例中,在确定电角度的过程中,还要对电角度进行补偿,过程如下：

步骤1-1：编码器采集电机的实际电角度值；

步骤1-2：根据给定步长值计算总周期；

例如设定每个周期补偿0.5度电角度，则需要(30-(-30))/0.5＝120周期完成补偿，则第一个周期的补偿角度大小为-29.5°。

步骤1-3：计算每个周期电角度的补偿角大小；每补偿一个周期，记录采集到的电机相电流，将补偿角度大小与电机相电流的均方根值一一对应，绘制成表格；

步骤1-4：获取步骤3表格中相电流最小的值对应的补偿角度，该补偿角度与步骤1中采集到的实际电角度值做和获得最终的电角度。

步骤2：对步骤1中的数据进行Clark和Park运算以后，得到两相旋转坐标系下的电流i_d；i_q，经过给定Q轴和D轴的给定值与i_d；i_q的反馈值做差后分别通过电流控制器的控制以后，经过prak-1运算以后，得到SVPWM控制所需的两相静止坐标系下的电压值，最后输出控制电机所需的PWM调制波；

步骤3：PWM调制波输出脉宽电压，控制电机旋转。

本实施例采用的伺服系统零点校对的绝对值编码器调零方法，其工作原理为：

以转矩控制模式，本实施例设计的交流伺服驱动器是Ethercat通讯型，首先通过Ethercat将电流给定值指令通过上位机发送到该伺服驱动器中，然后通过滤波和平滑处理以后与机械对零后的编码器反馈值做闭环控制，然后通过零点校对核心算法按定步长的方式补偿编码器反馈的角度，并记录采样电流的均方根值并存表。由于电机的电角度零点与零点越接近，该均方根值越小，因此在范围内的所有补偿角度对应的最小电流值即是电角度补偿以后最接近电角度零点的值。最后将该值与机械对零反馈的值一起带入角度反馈单元中实现闭环控制，提高控制系统的性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种伺服系统零点校对的绝对值编码器调零方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集伺服电机的三相电流i_a；i_b；i_c和绝对值编码器反馈的机械位置角信息θ，获取采集到的实际电角度值,公式如下：

θ_e＝θ*P

式中，θ_e为电角度，P为电机的极对数；

步骤2：对步骤1中的三项电流数据进行Clark和Park运算以后，得到两相旋转坐标系下的电流i_d；i_q，经过给定Q轴和D轴的给定值与i_d；i_q的反馈值做差后分别通过电流控制器的控制以后，经过prak-1运算以后，得到SVPWM控制所需的两相静止坐标系下的电压值，最后输出控制电机所需的PWM调制波；

步骤3：PWM调制波输出脉宽电压和经补偿后的最终电角度，控制电机旋转。

2.如权利要求1所述的伺服系统零点校对的绝对值编码器调零方法，其特征在于，步骤3所属的经补偿后的最终电角度,获取方法如下：

步骤1：编码器采集电机的实际电角度值；

步骤2：根据给定步长值计算总周期；

步长表示每个PWM中断周期补偿的电角度值大小，步长的取值范围为：大于-30°且小于30°；

步骤3：计算每个周期电角度的补偿角大小；每补偿一个周期，记录采集到的电机相电流，将补偿角度大小与电机相电流的均方根值一一对应，绘制成表格；

步骤4：获取步骤3表格中相电流最小的值对应的补偿角度，该补偿角度与步骤1中采集到的实际电角度值做和获得最终的电角度。