CN109586626A - 机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动方法及装置 - Google Patents

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董璐
周鹏
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Abstract

本申请涉及一种机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动方法及装置，属于电机控制技术领域，该方法包括：获取电机每个相位的反电势过零脉冲，得到三个反电势过零脉冲；对三个反电势过零脉冲中的两两脉冲之间进行内插值处理，得到两组2倍频的脉冲信号；根据两组2倍频的脉冲信号计算电机的数字化转角信号；基于FOC算法使用电机的电机速度、数字化转角信号和电流值计算得到三相脉冲宽度调制波形；按照三相脉冲宽度调制波形驱动电机；可以解决使用具有编码器的电机控制器来驱动同步伺服电机时智能机器人集成关节组件的集成效率较低的问题；可以提高关节组件的集成度和可靠性。

Description

机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动方法及 装置
技术领域
本发明涉及一种机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动方法及装置，属于电机控制技术领域。
背景技术
关节组件是构成机器人尤其是机械臂的重要核心部件。在机器人关节组件主要依靠电机控制器控制电机运动来实现关节的运动。
目前，电机控制器通常使用编码器来检测电机转子的位置和转速。然而，编码器的机械加工和安装精度的要求很高，会导致机器人关节组件的集成化难度高，集成效率较低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动方法及装置。为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，提供一种机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动方法，所述电机为三相绕组的同步伺服电机，所述方法包括：
获取所述电机每个相位的反电势过零脉冲，得到三个反电势过零脉冲；
对所述三个反电势过零脉冲中的两两脉冲之间进行内插值处理，得到两组2倍频的脉冲信号；
根据所述两组2倍频的脉冲信号计算所述电机的数字化转角信号；
基于磁场定向控制FOC算法使用所述电机的电机速度、所述数字化转角信号和电流值计算得到三相脉冲宽度调制波形；
按照所述三相脉冲宽度调制波形驱动所述电机。
可选地，所述获取所述电机每个相位的反电势过零脉冲，得到三个反电势过零脉冲，包括：
采集所述电机每个相位的反电势，得到三个反电势；
将所述三个反电势分别进行整形得到所述三个反电势过零脉冲。
可选地，所述两组2倍频的脉冲信号包括第一相位与第二相位之间的2倍频的第一脉冲信号和第一相位与第三相位之间的2倍频的第二脉冲信号；
所述根据所述两组2倍频的脉冲信号计算所述电机的数字化转角信号，包括：
计算所述第二脉冲信号与所述第一脉冲信号的脉冲数量差值；
计算所述脉冲数量差值与一个反电势过零脉冲的脉冲周期中脉冲数量的商，得到所述数字化转角信号。
可选地，所述按照所述三相脉冲宽度调制波形驱动所述电机，包括：
根据所述三相脉冲宽度调制波形驱动与所述电机相连的三相功率逆变器；
其中，所述三相功率逆变器用于向所述同步伺服电机输入具有所述三相脉冲宽度调制波形的电流。
第二方面，提供一种机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动装置，所述电机为三相绕组的同步伺服电机，所述装置包括：
第一脉冲获取模块，用于获取所述电机每个相位的反电势过零脉冲，得到三个反电势过零脉冲；
第二脉冲获取模块，用于对所述三个反电势过零脉冲中的两两脉冲之间进行内插值处理，得到两组2倍频的脉冲信号；
转角计算模块，用于根据所述两组2倍频的脉冲信号计算所述电机的数字化转角信号；
波形计算模块，用于基于磁场定向控制FOC算法使用所述电机的电机速度、所述数字化转角信号和电流值计算得到三相脉冲宽度调制波形；
电机驱动模块，用于按照所述三相脉冲宽度调制波形驱动所述电机。
可选地，所述第一脉冲获取模块，用于：
采集所述电机每个相位的反电势，得到三个反电势；
将所述三个反电势分别进行整形得到所述三个反电势过零脉冲。
可选地，所述两组2倍频的脉冲信号包括第一相位与第二相位之间的2倍频的第一脉冲信号和第一相位与第三相位之间的2倍频的第二脉冲信号；
所述第二脉冲获取模块，用于：
计算所述第二脉冲信号与所述第一脉冲信号的脉冲数量差值；
计算所述脉冲数量差值与一个反电势过零脉冲的脉冲周期中脉冲数量的商，得到所述数字化转角信号。
可选地，所述电机驱动模块，用于：
根据所述三相脉冲宽度调制波形驱动与所述电机相连的三相功率逆变器；
其中，所述三相功率逆变器用于向所述同步伺服电机输入具有所述三相脉冲宽度调制波形的电流。
本发明的有益效果在于：通过获取电机每个相位的反电势过零脉冲，得到三个反电势过零脉冲；对三个反电势过零脉冲中的两两脉冲之间进行内插值处理，得到两组2倍频的脉冲信号；根据两组2倍频的脉冲信号计算电机的数字化转角信号；基于磁场定向控制FOC算法使用电机的电机速度、数字化转角信号和电流值计算得到三相脉冲宽度调制波形；按照三相脉冲宽度调制波形驱动电机；可以解决使用具有编码器的电机控制器来驱动同步伺服电机时，使用编码器来检测转子的位置和转速，而编码器的机械加工和安装精度要求较高导致智能机器人集成关节组件的集成效率较低的问题；可以实现使用无编码器电机控制器驱动智能机器人的集成化关节组件中的电机；可以提高关节组件的集成度和可靠性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本申请一个实施例提供的无编码器电机控制器的电路结构示意图；
图2是本申请一个实施例提供的无编码器电机控制器的数字化转角信号计算原理示意图；
图3是本申请一个实施例提供的机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动方法的流程图；
图4是本申请一个实施例提供的机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动装置的框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
首先，对本申请涉及的若干名词进行介绍。
反电动势：是指有反抗电流发生改变的趋势而产生电动势，其本质上属于感应电动势。反电动势一般出现在电磁线圈中，如继电器线圈、电磁阀、接触器线圈、电动机、电感等。
磁场定向控制(Filed Oriented Control，FOC)：是采用数学方法实现三相马达的力矩与励磁的解耦控制。FOC算法主要是对电机的控制电流进行矢量分解，变成励磁电流和交轴电流，励磁电流主要是产生励磁，控制的是磁场的强度，而交轴电流是用来控制力矩。
FOC算法的输入为电机的位置信息(比如：为电机的数字化转角信号)、两相采样电流值和电机速度；输出为三相脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)波形。FOC算法在本质上是一些线性代数中的矩阵变换。首先采样得到电机的ia，ib两相电流信息；基尔霍夫电流定律，同一个节点流入电流值与流出电流相等，因此可以根据ia和ib计算出ic；之后通过Clark变换，可以将三相定子坐标系(三个轴互为120°，ia，ib，ic)转化为两相的定子直角坐标系(iα，iβ)；通过Park变换将两相定子坐标系变换到两相转子坐标系(iq，id)。在变换过程中需要使用转子的位置信息，该位置信息为电机的数字化转角信号，其中id为励磁电流分量，iq为转矩电流分量，可以建立两个PI调节器分别对两个电流分量进行调节。通常情况下，励磁电流分量为0，而转矩电流分量为给定值或者是经过速度环输出值。速度环可以根据速度反馈来控制该电流的大小，之后转矩电流的PI调节器输出Vq，励磁电流的PI调节器输出Vd。之后通过反Park变换再将其转化为两相定子坐标系(Vα，Vβ)，通过Clark逆变换得到需要施加在三相定子上的电压值(Va，Vb，Vc)然后通过PWM波调制技术得到三相脉冲宽度调制波形，将该三相脉冲宽度调制波形输出到三相功率逆变器。
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是由双极型三极管(Bipolar Junction Transistor，BJT)和绝缘栅型场效应管(metal oxidesemiconductor，MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
通俗来讲：IGBT是一种大功率的电力电子器件，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以视为导线，断开时视为开路。三大特点就是高压、大电流、高速。
图1是本申请一个实施例提供的无编码器电机控制器的电路结构示意图，如图1所示，用于驱动三相绕组的同步伺服电机，同步伺服电机与无编码器电机控制器安装于智能机器人的集成化关节组件中。无编码器电机控制器包括：用于供电的电源模块110、电源输入端与电源模块110相连的第一处理器120和第二处理器130、输出端与第二处理器130的输入端相连的信号处理模块140、输出端与信号处理模块140的第一输入端相连的电流检测模块150、输出端与信号处理模块140的第二输入端相连的反电势检测模块160、第一反馈端与电流检测模块150的输入端相连且第二反馈端与反电势检测模块160的输入端相连的三相功率逆变器170、输入端与第二处理器130的输出端相连的驱动模块180。第二处理器130的输出端与第一处理器120的输入端相连。驱动模块180的输出端与三相功率逆变器170的输入端相连。三相功率逆变器170的输出端与同步伺服电机相连。
可选地，第一处理器120与第二处理器130为ARM处理器；驱动模块180为绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动电路。
可选地，三相功率逆变器170是由三个单相你变电路组合成的三相桥式逆变电路。在三相桥式逆变电路中，各管的导通次序同整流电路一样。各管的触发信号依次互差60°，在180°导通型的逆变电路中，任意瞬间都有三只管子导通，各管导通时间为180°，同一桥臂中上下两只管子轮流导通，称为互补管。在120°导通型逆变电路中，各管导通120°，任意瞬间只有不同相的两只管子导通，同一桥臂中的两只管子不是瞬时互补导通而是有60°的间隙时间，当某相中没有逆变管导通时，其感性电流经该相中的二极管流通。
其中，信号处理模块140，用于对反电势检测模块160输出的三个反电势进行整形，得到三个反电势过零脉冲。
第二处理器130，用于对信号处理模块140输出的三个反电势过零脉冲两两之间进行内插值处理，得到两组2倍频的脉冲信号；根据两组2倍频的脉冲信号计算同步伺服电机的数字化转角信号。
示意性地，假设信号处理模块140输出的A相反电势过零脉冲、B相反电势过零脉冲和C相反电势过零脉冲如图2所示，第二处理器130对A相反电势过零脉冲与B相反电势过零脉冲之间进行内插值处理，得到第一组2倍频的脉冲信号；对A相反电势过零脉冲与C相反电势过零脉冲之间进行内插值处理，得到第二组2倍频的脉冲信号；其中，A相反电势过零脉冲与B相反电势过零脉冲之间的相位差为θ0、插值处理得到的脉冲数为N0；A相反电势过零脉冲与C相反电势过零脉冲之间的相位差为θ1、插值处理得到的脉冲数为N1；则电机转子实际转过的角度θ＝θ1-θ0、实际转过的角度对应的脉冲数为N2；每个脉冲周期对应的脉冲数为N3；则同步伺服电机的数字化转角信号θ为：
第二处理器130，还用于将电流检测模块150检测到的电流值发送至第一处理器；第一处理器120，用于基于FOC算法使用同步伺服电机的电机速度、第二处理器130输出的数字化转角信号和电流值计算得到三相脉冲宽度调制波形；将三相脉冲宽度调制波形输出至驱动模块180；驱动模块180，用于根据三相脉冲宽度调制波形驱动三相功率逆变器170；三相功率逆变器170，用于根据驱动模块的驱动向同步伺服电机输入具有三相脉冲宽度调制波形的电流。
综上所述，本实施例提供的无编码器电机控制器，通过在智能机器人的集成化关节组件中设置无编码器电机控制器来驱动同步伺服电机，在该无编码器电机控制器中设置用于供电的电源模块、第一处理器、第二处理器、信号处理模块、电流检测模块、反电势检测模块、三相功率逆变器和驱动模块；可以解决使用具有编码器的电机控制器来驱动同步伺服电机时，使用编码器来检测转子的位置和转速，而编码器的机械加工和安装精度要求较高导致智能机器人集成关节组件的集成效率较低的问题；可以实现使用无编码器电机控制器驱动智能机器人的集成化关节组件中的电机；可以提高关节组件的集成度和可靠性。
基于上述实施例提供的无编码器电机控制器，下面介绍一种的智能机器人机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动方法。
图3是本申请一个实施例提供的机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动方法的流程图，本实施例以该方法应用于图1所示的无编码器电机控制器中为例进行说明。该方法至少包括以下几个步骤：
步骤301，获取电机每个相位的反电势过零脉冲，得到三个反电势过零脉冲。
可选地，通过采集电机每个相位的反电势，得到三个反电势；将三个反电势分别进行整形得到三个反电势过零脉冲。
其中，每个相位的反电势可以是通过反电势检测模块采集到的；三个反电势过零脉冲可以是信号处理模块140对三个反电势进行整形得到的。
步骤302，对三个反电势过零脉冲中的两两脉冲之间进行内插值处理，得到两组2倍频的脉冲信号。
步骤303，根据两组2倍频的脉冲信号计算电机的数字化转角信号。
可选地，两组2倍频的脉冲信号包括第一相位(比如：图2中的A相位)与第二相位(比如：图2中的B相位)之间的2倍频的第一脉冲信号和第一相位与第三相位(比如：图2中的C相位)之间的2倍频的第二脉冲信号。此时，根据两组2倍频的脉冲信号计算电机的数字化转角信号，包括：计算第二脉冲信号与第一脉冲信号的脉冲数量差值；计算脉冲数量差值与一个反电势过零脉冲的脉冲周期中脉冲数量的商，得到数字化转角信号。
步骤304，基于磁场定向控制FOC算法使用电机的电机速度、数字化转角信号和电流值计算得到三相脉冲宽度调制波形。
步骤305，按照三相脉冲宽度调制波形驱动电机。
按照三相脉冲宽度调制波形驱动电机，包括：根据三相脉冲宽度调制波形驱动与电机相连的三相功率逆变器；其中，三相功率逆变器用于向同步伺服电机输入具有三相脉冲宽度调制波形的电流。
综上所述，本实施例提供的机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动方法，通过获取电机每个相位的反电势过零脉冲，得到三个反电势过零脉冲；对三个反电势过零脉冲中的两两脉冲之间进行内插值处理，得到两组2倍频的脉冲信号；根据两组2倍频的脉冲信号计算电机的数字化转角信号；基于磁场定向控制FOC算法使用电机的电机速度、数字化转角信号和电流值计算得到三相脉冲宽度调制波形；按照三相脉冲宽度调制波形驱动电机；可以解决使用具有编码器的电机控制器来驱动同步伺服电机时，使用编码器来检测转子的位置和转速，而编码器的机械加工和安装精度要求较高导致智能机器人集成关节组件的集成效率较低的问题；可以实现使用无编码器电机控制器驱动智能机器人的集成化关节组件中的电机；可以提高关节组件的集成度和可靠性。
图4是本申请一个实施例提供的机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动装置的框图。该装置至少包括以下几个模块：第一脉冲获取模块410、第二脉冲获取模块420、转角计算模块430、波形计算模块440和电机驱动模块450。
第一脉冲获取模块410，用于获取所述电机每个相位的反电势过零脉冲，得到三个反电势过零脉冲；
第二脉冲获取模块420，用于对所述三个反电势过零脉冲中的两两脉冲之间进行内插值处理，得到两组2倍频的脉冲信号；
转角计算模块430，用于根据所述两组2倍频的脉冲信号计算所述电机的数字化转角信号；
波形计算模块440，用于基于磁场定向控制FOC算法使用所述电机的电机速度、所述数字化转角信号和电流值计算得到三相脉冲宽度调制波形；
电机驱动模块450，用于按照所述三相脉冲宽度调制波形驱动所述电机。
相关细节参考上述方法实施例。
基于图4所述的实施例，所述第一脉冲获取模块410，用于：
采集所述电机每个相位的反电势，得到三个反电势；
将所述三个反电势分别进行整形得到所述三个反电势过零脉冲。
可选地，所述两组2倍频的脉冲信号包括第一相位与第二相位之间的2倍频的第一脉冲信号和第一相位与第三相位之间的2倍频的第二脉冲信号；
所述第二脉冲获取模块420，用于：
计算所述第二脉冲信号与所述第一脉冲信号的脉冲数量差值；
计算所述脉冲数量差值与一个反电势过零脉冲的脉冲周期中脉冲数量的商，得到所述数字化转角信号。
可选地，所述电机驱动模块450，用于：
根据所述三相脉冲宽度调制波形驱动与所述电机相连的三相功率逆变器；
其中，所述三相功率逆变器用于向所述同步伺服电机输入具有所述三相脉冲宽度调制波形的电流。
需要说明的是：上述实施例中提供的机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动装置在进行机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动装置与机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动方法，其特征在于，所述电机为三相绕组的同步伺服电机，所述方法包括：
获取所述电机每个相位的反电势过零脉冲，得到三个反电势过零脉冲；
对所述三个反电势过零脉冲中的两两脉冲之间进行内插值处理，得到两组2倍频的脉冲信号；
根据所述两组2倍频的脉冲信号计算所述电机的数字化转角信号；
基于磁场定向控制FOC算法使用所述电机的电机速度、所述数字化转角信号和电流值计算得到三相脉冲宽度调制波形；
按照所述三相脉冲宽度调制波形驱动所述电机。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述电机每个相位的反电势过零脉冲，得到三个反电势过零脉冲，包括：
采集所述电机每个相位的反电势，得到三个反电势；
将所述三个反电势分别进行整形得到所述三个反电势过零脉冲。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两组2倍频的脉冲信号包括第一相位与第二相位之间的2倍频的第一脉冲信号和第一相位与第三相位之间的2倍频的第二脉冲信号；
所述根据所述两组2倍频的脉冲信号计算所述电机的数字化转角信号，包括：
计算所述第二脉冲信号与所述第一脉冲信号的脉冲数量差值；
计算所述脉冲数量差值与一个反电势过零脉冲的脉冲周期中脉冲数量的商，得到所述数字化转角信号。
4.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述按照所述三相脉冲宽度调制波形驱动所述电机，包括：
根据所述三相脉冲宽度调制波形驱动与所述电机相连的三相功率逆变器；
其中，所述三相功率逆变器用于向所述同步伺服电机输入具有所述三相脉冲宽度调制波形的电流。
5.一种机器人集成化关节组件中伺服电机的无编码器驱动装置，其特征在于，所述电机为三相绕组的同步伺服电机，所述装置包括：
第一脉冲获取模块，用于获取所述电机每个相位的反电势过零脉冲，得到三个反电势过零脉冲；
第二脉冲获取模块，用于对所述三个反电势过零脉冲中的两两脉冲之间进行内插值处理，得到两组2倍频的脉冲信号；
转角计算模块，用于根据所述两组2倍频的脉冲信号计算所述电机的数字化转角信号；
波形计算模块，用于基于磁场定向控制FOC算法使用所述电机的电机速度、所述数字化转角信号和电流值计算得到三相脉冲宽度调制波形；
电机驱动模块，用于按照所述三相脉冲宽度调制波形驱动所述电机。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一脉冲获取模块，用于：
采集所述电机每个相位的反电势，得到三个反电势；
将所述三个反电势分别进行整形得到所述三个反电势过零脉冲。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述两组2倍频的脉冲信号包括第一相位与第二相位之间的2倍频的第一脉冲信号和第一相位与第三相位之间的2倍频的第二脉冲信号；
所述第二脉冲获取模块，用于：
计算所述第二脉冲信号与所述第一脉冲信号的脉冲数量差值；
计算所述脉冲数量差值与一个反电势过零脉冲的脉冲周期中脉冲数量的商，得到所述数字化转角信号。
8.根据权利要求5至7任一所述的装置，其特征在于，所述电机驱动模块，用于：
根据所述三相脉冲宽度调制波形驱动与所述电机相连的三相功率逆变器；
其中，所述三相功率逆变器用于向所述同步伺服电机输入具有所述三相脉冲宽度调制波形的电流。
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