CN111055283B - 一种足式机器人的foc位置伺服驱动装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种足式机器人的FOC位置伺服驱动装置及方法，所述装置包括：主控制器、三相智能栅极驱动器、第一NMOS开关、第二NMOS开关、直驱电机、磁旋转编码器、线性霍尔效应传感器、半桥门极驱动器、EMI滤波模块和电流感应放大器；其中，主控制器分别与三相智能栅极驱动器和半桥门极驱动器连接；第一NMOS开关分别与三相智能栅极驱动器和直驱电机连接，直驱电机分别与磁旋转编码器和线性霍尔效应传感器连接；第二NMOS开关分别与半桥门极驱动器和EMI滤波模块连接；EMI滤波模块与电流感应放大器连接；磁旋转编码器、线性霍尔效应传感器和电流感应放大器的输出端分别与主控制器连接。本发明将提高能量利用率及系统响应速度，极大地满足足式机器人驱动器的需求。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种足式机器人的FOC位置伺服驱动装置及方法。
背景技术
足式机器人在运动过程中需要不断切换位置姿态，快速地启动和停止运动。因此，当制动器减速时所产生的能量会回转到电源，驱动电路会在减速期间将多余的功率泵回电源，以达到所需的减速扭矩。如果没有消耗掉该电源，总线电压将不可避免地升高，驱动器可能会过电压保护跳闸而断开电源，严重影响设备的正常运行。
针对FOC位置伺服控制的实现，现有的方案是采用霍尔传感器获得转子的实际位置，用转子位置传感器检测出转子角位置。但是，该方法无法获取电机加减速器后负载端的转子位置，无法实现掉电后机械零点位置校正，并且没有设计出吸收能量的电路和母线电流的检测电路，无法实现再生制动。故现有技术也无法满足足式机器人驱动器的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种足式机器人的FOC位置伺服驱动装置及方法，将提高能量利用率及设备运行的安全性，减少软件算法的处理时间，加快系统响应速度，增强足式机器人系统的鲁棒性。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种足式机器人的FOC位置伺服驱动装置，所述装置包括：主控制器、三相智能栅极驱动器、第一NMOS开关、第二NMOS开关、直驱电机、磁旋转编码器、线性霍尔效应传感器、半桥门极驱动器、EMI滤波模块和电流感应放大器；其中，
所述主控制器分别与所述三相智能栅极驱动器和所述半桥门极驱动器相连接；所述第一NMOS开关分别与所述三相智能栅极驱动器和所述直驱电机相连接，所述直驱电机分别与所述磁旋转编码器和所述线性霍尔效应传感器相连接；所述第二NMOS开关分别与所述半桥门极驱动器和所述EMI滤波模块相连接；所述EMI滤波模块与所述电流感应放大器相连接；所述磁旋转编码器、所述线性霍尔效应传感器和所述电流感应放大器的输出端分别与所述主控制器相连接。
可选的，所述装置还包括采样电阻；
所述第一NMOS开关的输出端在未与所述采样电阻连接前通过反馈线与所述三相智能栅极驱动器相连接；所述采样电阻的输出端直接接地。
可选的，所述装置还包括制动电阻和分流电阻；
所述EMI滤波模块包括第一EMI滤波器和第二EMI滤波器；所述制动电阻设置在所述第二NMOS开关与所述第一EMI滤波器之间；所述分流电阻的一端连接在所述制动电阻与所述第一EMI滤波器的串联导线上，一端与所述第二EMI滤波器连接后直接接地。
可选的，所述磁旋转编码器用于采集所述直驱电机的旋转角度信息并反馈给所述主控制器；
所述线性霍尔效应传感器用于采集所述直驱电机加入减速器后的负载端的转子位置信息并反馈给所述主控制器；
所述主控制器基于所述旋转角度信息和所述转子位置信息对机械零点进行校正，并判断所述直驱电机是否制动减速；
基于所述直驱电机处于制动减速状态，通过所述制动电阻吸收能量，并通过所述EMI滤波模块、所述电流感应放大器和所述分流电阻检测所述直驱电机的母线电流。
另外，本发明实施例还提供一种足式机器人的FOC位置伺服驱动方法，所述方法包括：
基于直驱电机的上电状态，检测所述直驱电机的相电流；
通过磁旋转编码器获取所述直驱电机转子的旋转角度信息；
通过线性霍尔效应传感器获取所述直驱电机加入减速器后的负载端的转子位置信息；
基于所述相电流、所述旋转角度信息和所述转子位置信息，判断所述直驱电机加入减速器后的负载端的机械零点是否偏移；
若否，通过主控制器运行电机FOC位置伺服驱动程序，并判断所述直驱电机是否制动减速；
若是，控制制动电阻吸收能量，并通过EMI滤波模块、电流感应放大器和分流电阻检测所述直驱电机的母线电流；
基于所述母线电流小于预设阈值，控制所述制动电阻停止吸收能量。
可选的，在判断所述直驱电机加入减速器后的负载端的机械零点是否偏移后，还包括：
在判断所述直驱电机加入减速器后的负载端的机械零点发生偏移时，对所述直驱电机的机械零点进行校正。
可选的，所述对所述直驱电机的机械零点进行校正包括：
基于所述旋转角度信息，通过所述主控制器计算所述直驱电机的转速，并获取所述直驱电机的转子所处的扇区与相位，再基于所述转子位置信息对驱动信号进行相位调节。
在本发明实施例中，采用磁旋转编码器与线性霍尔效应传感器相融合的角度检测和机械校正方式，保证角度检测的精度，提高系统的响应速度；利用制动电阻吸收制动器减速时产生的能量以防止能量转回电源中，减少直驱电机发热现象，保障足式机器人运行环境的安全性；针对直驱电机的母线电流检测，采用EMI滤波模块与电流感应放大器相结合的方法，将提高母线电流采样的精度和能量的利用率，节能高效且安全性更高。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种足式机器人的FOC位置伺服驱动装置的结构组成示意图；
图2是本发明实施例提供的一种足式机器人的FOC位置伺服驱动方法的流程示意图。
具体实施方式
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1是本发明实施例中的一种足式机器人的FOC位置伺服驱动装置，所述装置包括：主控制器、三相智能栅极驱动器、第一NMOS开关、第二NMOS开关、直驱电机、磁旋转编码器、线性霍尔效应传感器、半桥门极驱动器、EMI滤波模块和电流感应放大器；其中，
所述主控制器分别与所述三相智能栅极驱动器和所述半桥门极驱动器相连接；所述第一NMOS开关分别与所述三相智能栅极驱动器和所述直驱电机相连接，所述直驱电机分别与所述磁旋转编码器和所述线性霍尔效应传感器相连接；所述第二NMOS开关分别与所述半桥门极驱动器和所述EMI滤波模块相连接；所述EMI滤波模块与所述电流感应放大器相连接；所述磁旋转编码器、所述线性霍尔效应传感器和所述电流感应放大器的输出端分别与所述主控制器相连接。
在本发明实施过程中，所述装置还包括采样电阻；所述第一NMOS开关的输出端在未与所述采样电阻连接前通过反馈线与所述三相智能栅极驱动器相连接；所述采样电阻的输出端直接接地。
在本发明实施过程中，所述装置还包括制动电阻RBRAK和分流电阻RSHUNT；所述EMI滤波模块包括第一EMI滤波器和第二EMI滤波器；所述制动电阻RBRAK设置在所述第二NMOS开关与所述第一EMI滤波器之间；所述分流电阻RSHUNT的一端连接在所述制动电阻与所述第一EMI滤波器的串联导线上，一端与所述第二EMI滤波器连接后直接接地。
在本发明实施过程中，所述磁旋转编码器用于采集所述直驱电机的旋转角度信息并反馈给所述主控制器；所述线性霍尔效应传感器用于采集所述直驱电机加入减速器后的负载端的转子位置信息并反馈给所述主控制器；所述主控制器基于所述旋转角度信息和所述转子位置信息对机械零点进行校正，并判断所述直驱电机是否制动减速；基于所述直驱电机处于制动减速状态，通过所述制动电阻吸收能量，并通过所述EMI滤波模块、所述电流感应放大器和所述分流电阻检测所述直驱电机的母线电流。
进一步的，所述三相智能栅极驱动器用于控制所述第一NMOS开关的闭合，从而驱动所述直驱电机工作；基于所述直驱电机的工作状态，通过采样电阻反馈电流信息至所述三相智能栅极驱动器，进行所述直驱电机的相电流检测。
进一步的，所述半桥门极驱动器用于控制所述第二NMOS开关的闭合，从而控制所述制动电阻RBRAK吸收制动器减速时产生的能量，并基于所述分流电阻RSHUNT的压降检测结果，控制所述第二NMOS开关的断开。
具体的，基于直驱电机的上电状态，检测所述直驱电机的相电流；通过磁旋转编码器获取所述直驱电机转子的旋转角度信息；通过线性霍尔效应传感器获取所述直驱电机加入减速器后的负载端的转子位置信息；基于所述相电流、所述旋转角度信息和所述转子位置信息，判断所述直驱电机加入减速器后的负载端的机械零点是否偏移；若否，通过所述主控制器运行电机FOC位置伺服驱动程序，并判断所述直驱电机是否制动减速；若是，控制制动电阻吸收能量，并通过EMI滤波模块、电流感应放大器和分流电阻检测所述直驱电机的母线电流；基于所述母线电流小于预设阈值，控制所述制动电阻停止吸收能量。
请参阅图2，图2是本发明实施例中的一种足式机器人的FOC位置伺服驱动方法的流程示意图，所述方法包括：
S101、基于直驱电机的上电状态，检测所述直驱电机的相电流；
在本发明实施例中，提出双电阻相电流采样方法进行所述直驱电机的相电流检测，如图1所示，在所述第一NMOS开关的输出端连接采样电阻，实际上是在三相电流中的其中两相电流上分别串联一个采样电阻，通过检测这两个采样电阻的压降，计算出实际相电流的大小。更具体地说，主控制器利用内部的A/D单元对从上述两个采样电阻上获取到的对应电压信号进行转换处理，再经相应地滤波算法测量出所述两相电流的大小；再根据基尔霍夫定律，三相电流矢量和为零，推算出第三相电流的大小；基于所述相电流，通过所述主控制器对所述直驱电机的输入电流进行调节。
需要说明的是，所述双电阻相电流采样方法的成本低且可以检测较小的电流，其抗干扰能力强，精度高且实时性好。但是，采样电阻与电机主电路不隔离，因此对采样电阻的精度要求很高，若阻值过大将引起电压的损耗，反而降低了能量效率。
S102、通过磁旋转编码器获取所述直驱电机转子的旋转角度信息；
具体的，所述磁旋转编码器实时监测并采集所述直驱电机转子的旋转角度信息，并转换成数字脉冲信号输出至所述主控制器中进行数据收集。
S103、通过线性霍尔效应传感器获取所述直驱电机加入减速器后的负载端的转子位置信息；
具体的，所述线性霍尔效应传感器是通过上一个霍尔位置和当前霍尔位置的时间差来确定所述直驱电机的当前转速，并利用所述当前转速预测转子在扇区内的位置信息。
S104、基于所述相电流、所述旋转角度信息和所述转子位置信息，判断所述直驱电机加入减速器后的负载端的机械零点是否偏移；
具体的，基于所述旋转角度信息，通过所述主控制器计算所述直驱电机的转速，并获取所述直驱电机的转子所处的扇区与相位，将获取到的转子相位与预设相位进行比较；若一致，则判断所述直驱电机加入减速器后的负载端的机械零点发生偏移，执行步骤S105；若不一致，则执行步骤S106。
S105、对所述直驱电机的机械零点进行校正；
在本发明实施例中，对所述直驱电机的机械零点参数进行校正实质上对所述直驱电机的工作状态进行调节控制，即基于所述转子位置信息对驱动信号进行相位调节。
具体的，对所述直驱电机的定子设置初始电角度，并对所述直驱电机的直轴分量注入电流，所述直驱电机的定子所产生的磁场将所述直驱电机的转子吸附到初始电角度位置；获取所述磁旋转编码器当前的绝对位置值，停止对所述直驱电机的直轴分量注入电流，按照第一设定时间进行延时后使所述直驱电机进入速度控制模式，按照第二设定时间进行延时后获取所述直驱电机的转速，所述直驱电机的转速是根据所述旋转角度信息计算而来的；计算所述直驱电机的转速和目标转速间的误差，验证该误差在阈值范围内时，将所述磁旋转编码器当前的绝对位置值存入缓冲池内作为有效值；基于所述有效值和所述转子位置信息对驱动信号进行相位调节，得到所述直驱电机的机械零点。
S106、通过主控制器运行电机FOC位置伺服驱动程序，并判断所述直驱电机是否制动减速；
具体的，所述主控制器基于所述旋转角度信息计算出所述直驱电机的转速，判断是否超过所述直驱电机同步磁场的旋转速度；若是，则判断所述直驱电机制动减速，执行步骤S107；若否，返回执行步骤S106。
S107、控制制动电阻吸收能量，并通过EMI滤波模块、电流感应放大器和分流电阻检测所述直驱电机的母线电流；
需要说明的是，所述主控制器通过制动介质的压力获取制动强度，再根据所述制动强度和所述转速这两个参数信息，运用预先制定的控制函数计算出所述直驱电机的制动扭矩，再以所述制动扭矩来驱动所述直驱电机制动减速。而所述直驱电机在制动减速时将部分动能转化为电能并存储在电源中，以备驱动利用。另外，能量的反馈存储取决于所述直驱电机的母线电流大小。
具体的，在判断所述直驱电机制动减速后，如图1所示，所述主控制器通过控制所述半桥门极驱动器驱动所述第二NMOS开关处于闭合状态，此时所述制动电阻RBRAK开始吸收制动器减速时产生的能量；同时，使用具有EMI滤波作用的所述EMI滤波模块和高共模输入电压范围的所述电流感应放大器进行电机母线电流的检测，通过检测所述分流电阻RSHUNT的压降来获取所述直驱电机的母线电流大小。
S108、基于所述母线电流小于预设阈值，控制所述制动电阻停止吸收能量。
需要说明的是，所述预设阈值是能量回馈电网的约束条件，当所述主控制器检测到所述母线电流大于所述预设阈值时，将生成开关控制指令，间接触发所述第二NMOS开关处于闭合状态，使得所述母线上的能量逆变回馈到电网中，同时迫使所述母线电流回落，直至小于所述预设阈值时，则控制所述制动电阻RBRAK停止吸收能量。
在本发明实施例中，采用磁旋转编码器与线性霍尔效应传感器相融合的角度检测和机械校正方式，保证角度检测的精度，提高系统的响应速度；利用制动电阻吸收制动器减速时产生的能量以防止能量转回电源中，减少直驱电机发热现象，保障足式机器人运行环境的安全性；针对直驱电机的母线电流检测，采用EMI滤波模块与电流感应放大器相结合的方法，将提高母线电流采样的精度和能量的利用率，节能高效且安全性更高。
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，ReadOnly Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。
另外，以上对本发明实施例所提供的一种足式机器人的FOC位置伺服驱动装置及方法进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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 (7)
1.一种足式机器人的FOC位置伺服驱动装置，其特征在于，所述装置包括：主控制器、三相智能栅极驱动器、第一NMOS开关、第二NMOS开关、直驱电机、磁旋转编码器、线性霍尔效应传感器、半桥门极驱动器、EMI滤波模块和电流感应放大器；其中，
所述主控制器分别与所述三相智能栅极驱动器和所述半桥门极驱动器相连接；所述第一NMOS开关分别与所述三相智能栅极驱动器和所述直驱电机相连接，所述直驱电机分别与所述磁旋转编码器和所述线性霍尔效应传感器相连接；所述第二NMOS开关分别与所述半桥门极驱动器和所述EMI滤波模块相连接；所述EMI滤波模块与所述电流感应放大器相连接；所述磁旋转编码器、所述线性霍尔效应传感器和所述电流感应放大器的输出端分别与所述主控制器相连接。
2.根据权利要求1所述的FOC位置伺服驱动装置，其特征在于，所述装置还包括采样电阻；
所述第一NMOS开关的输出端在未与所述采样电阻连接前通过反馈线与所述三相智能栅极驱动器相连接；所述采样电阻的输出端直接接地。
3.根据权利要求1所述的FOC位置伺服驱动装置，其特征在于，所述装置还包括制动电阻和分流电阻；
所述EMI滤波模块包括第一EMI滤波器和第二EMI滤波器；所述制动电阻设置在所述第二NMOS开关与所述第一EMI滤波器之间；所述分流电阻的一端连接在所述制动电阻与所述第一EMI滤波器的串联导线上，一端与所述第二EMI滤波器连接后直接接地。
4.根据权利要求3所述的FOC位置伺服驱动装置，其特征在于，所述磁旋转编码器用于采集所述直驱电机的旋转角度信息并反馈给所述主控制器；
所述线性霍尔效应传感器用于采集所述直驱电机加入减速器后的负载端的转子位置信息并反馈给所述主控制器；
所述主控制器基于所述旋转角度信息和所述转子位置信息对机械零点进行校正，并判断所述直驱电机是否制动减速；
基于所述直驱电机处于制动减速状态，通过所述制动电阻吸收能量，并通过所述EMI滤波模块、所述电流感应放大器和所述分流电阻检测所述直驱电机的母线电流。
5.一种足式机器人的FOC位置伺服驱动方法，其特征在于，所述方法包括：
基于直驱电机的上电状态，检测所述直驱电机的相电流；
通过磁旋转编码器获取所述直驱电机转子的旋转角度信息；
通过线性霍尔效应传感器获取所述直驱电机加入减速器后的负载端的转子位置信息；
基于所述相电流、所述旋转角度信息和所述转子位置信息，判断所述直驱电机加入减速器后的负载端的机械零点是否偏移；
若否，通过主控制器运行电机FOC位置伺服驱动程序，并判断所述直驱电机是否制动减速；
若是，控制制动电阻吸收能量，并通过EMI滤波模块、电流感应放大器和分流电阻检测所述直驱电机的母线电流；
基于所述母线电流小于预设阈值，控制所述制动电阻停止吸收能量。
6.根据权利要求5所述的FOC位置伺服驱动方法，其特征在于，在判断所述直驱电机加入减速器后的负载端的机械零点是否偏移后，还包括：
在判断所述直驱电机加入减速器后的负载端的机械零点发生偏移时，对所述直驱电机的机械零点进行校正。
7.根据权利要求6所述的FOC位置伺服驱动方法，其特征在于，所述对所述直驱电机的机械零点进行校正包括：
基于所述旋转角度信息，通过所述主控制器计算所述直驱电机的转速，并获取所述直驱电机的转子所处的扇区与相位，再基于所述转子位置信息对驱动信号进行相位调节。
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