CN113489411B - 一种伺服驱动器绝对位置和速度检测方法 - Google Patents

一种伺服驱动器绝对位置和速度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种伺服驱动器绝对位置和速度检测方法，能够降低电路设计复杂性和硬件成本，减少CPU计算任务，提高伺服电机控制的实时性。本发明使用带有控制率加速器CLA的DSP，通过串行SPI总线半双工方式与ENDAT绝对值编码器通信；采用双周期电流环控制策略，有效提高转矩响应；为保持转子位置采样与矢量控制任务同步，采用ePWM4模块的上升和下降计数的比较匹配中断来触发CLA任务，在CLA任务中按照ENDAT协议使用SPI读取编码器转子位置；对转子位置进行相位补偿，更精确地进行转子磁场定向控制；使用环形缓冲区存储转子位置采样值，使用当前拍采集的编码器位置与缓冲区当前指针对应的位置的差值经过定标和低通滤波后作为速度反馈进行速度环运算，实现速度控制。

Description

一种伺服驱动器绝对位置和速度检测方法
技术领域
本发明涉及一种伺服驱动器绝对位置和速度检测方法，具体地说是一种用于使用绝对值编码器的伺服系统中电机转子位置和速度检测的电路设计和计算方法。
背景技术
绝对值编码器具有“断电记忆”功能、无旋转测量积累误差、灵活的可编程特性、更好的抗电噪声性能以及极高的位置分辨率等众多优秀的特点，在高精度伺服控制系统中得到了广泛的应用。目前大多数绝对值编码器(以最常见的德国海德汉HEIDENHAIN绝对值编码器为例)使用同步串行格式传输编码器数据，也就是ENDAT接口协议。这是一种半双工的同步串行通讯协议，必须在通信过程中改变通信的方向，因此常用的SPI串行通信DMA直接存储器访问的方式不能处理该通信，使用CPU操作SPI串行通信又会占用CPU的执行周期，导致CPU负载上升，实时性变差，可能会导致伺服系统的动态响应和精度变差。为了解决这个问题，现有的方案通常使用外部扩展CPLD或FPGA来处理编码器信号，主CPU使用并行通信方式与CPLD或FPGA通信获取编码器数据，但是这种方式又增加了电路设计复杂性和硬件成本。
为了解决该问题，本发明提出了一种基于CLA(控制率加速器)的绝对值编码器位置和速度采集解决方案。使用带有CLA的DSP作为主控CPU执行伺服电机实时控制任务，CLA作为协处理器操作SPI同步串行通信与ENDAT绝对值编码器通信，并进行相位补偿和速度定标计算，整个过程无需CPU参与，因而即简化了电路设计，节省硬件成本，又提高了伺服系统的实时性，具有实际的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量精确，实时性高，计算量小，电路设计简单的伺服驱动器位置和速度检测方法，用于伺服系统的绝对值编码器位置检测和速度检测，实现位置和速度反馈。与现有技术相比，本发明使用串行通信直接与ENDAT编码器接口，节省电路设计的成本和PCB面积；使用DSP芯片的CLA处理与编码器的接口任务，完全不用中断主CPU的控制任务，因此电机控制的实时性更强；采用循环缓冲区的方式存储转子位置并计算转速，大大减少了计算量，减轻CPU的负载，提高了系统的实时性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种伺服驱动器绝对位置和速度检测方法，该方法包括以下步骤：
(1)使用带有控制率加速器CLA的DSP芯片，通过串行SPI总线半双工方式与ENDAT绝对值编码器通信，并采用数字信号隔离，简化电路硬件设计；
(2)在DSP中使用ePwm模块1～3生成SVPWM空间电压矢量波形，ePwm模块4与ePwm模块1～3时钟同步，使用ePwm4模块中断触发CLA任务；在CLA任务中使用SPI模块与ENDAT绝对值编码器通信，获取电机实时位置；
(3)为了进行更加准确的转子磁场定向(FOC)控制，在矢量控制坐标变换环节使用以下公式对电机转子位置进行补偿：
Figure BDA0003198081190000021
其中，ΔPos＝Pos(i)-Pos(i-1)表示两次采样之间的位置误差；Tprd表示PWM周期，单位为时钟个数；Tread表示CLA通过SPI读取电机转子位置所需时间，单位为时钟个数；
(4)在CLA中，使用环形缓冲区存储电机转子位置采样值，环形缓冲区的长度代表了计算速度时的时长，使用当前拍采集的编码器位置与缓冲区当前指针对应的位置的差值经过定标和低通滤波后作为速度反馈进行速度环运算，实现速度控制。
进一步地，伺服驱动器的矢量控制采用双周期电流环控制策略，有效提高转矩响应，具体为：在PWM的周期中断和下溢中断中均触发ADC进行定子电流采样，在ADC采样结束后触发ADC转换结束中断，在该中断响应函数中运行矢量控制策略。
进一步地，为保持转子位置采样与矢量控制任务同步，采用ePwm4模块的上升和下降计数的比较匹配中断来触发CLA任务，在CLA任务中按照ENDAT协议使用SPI读取编码器转子位置。
进一步地，所述ENDAT绝对值编码器可以为旋转变压器、Sin/Cos编码器或BISS编码器。
进一步地，所述ePwm模块4与ePwm模块1～3保持时钟和相位同步，且ePwm模块4的比较寄存器的值设置如下：
CMPA＝Tprd-Tread+t2
CMPB＝Tread-t2
其中，Tprd是载波周期，t2是ADC采样时间加中断延时，Tread是CLA通过SPI读取电机转子位置所需要时间，即CLA任务的执行时间；CMPA为上升沿的比较数值，CMPB为下降沿的比较数值。
进一步地，速度定标和低通滤波公式如下：
Figure BDA0003198081190000031
Vi＝(1f_k1*Vi-1+1f_k2*Vrpm)＞＞14
其中，ΔP为在计算周期内转子转过的圈数，2u代表编码器为u位；fs为DSP的时钟频率，单位为兆赫；Tprd为PWM周期，单位为时钟个数；K为环形缓冲区的长度；Vrpm为当前拍计算的转速；VelNorm为转子位置变化量到转速变换的定标系数；Vi为当前拍经过低通滤波的转速；1f_k1，1f_k2为低通滤波系数，可根据下式确定：
1f_k1＝(214*214)/(1f_Hz+214)
1f_k2＝214-1f_k1
其中，1f_Hz为低通滤波器的截止频率。
进一步地，DSP的ePwm4模块与CLA相连，使用ePwm4模块的上升计数匹配CMPA和下降计数匹配CMPB事件触发CLA任务，CLA与外设SPI模块相连，负责操作SPI总线与ENDAT编码器通信，同时控制一个IO端口切换数据传输的方向；SPI模块的相应管脚与数字隔离收发芯片连接，分别将时钟信号和数据信号由TTL电平转换为RS485电平信号，以提高传输距离和抗干扰能力；数字隔离收发芯片需要使用隔离电源模块供电；数字隔离收发芯片与ENDAT编码器连接，按照ENDAT协议从编码器中读取转子位置。
进一步地，在CLA任务中，首先设置SPI的方向为发送，并发送读取位置模式指令，编码器锁存当前的转子位置，经过Tcal计算时间后，设置通信方向为接收，从编码器中读取当前转子位置，整个过程需要的时间计算如下：Tread＝Tcal+Tclk*32，Tclk为时钟周期，当Tclk设置为5MHz时，Tread值在8～10uS。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
由于ENDAT编码器协议使用半双工通信方式，在通信过程中必须改变数据传输的方向，因此现有技术中的DMA(直接存储器访问)技术虽然能够直接进行存储器读取，但是不能在通信过程中灵活地改变通信的方向，难以满足要求。现有技术通常使用扩展CPLD或者FGPA的方式处理ENDAT接口，主控CPU使用并行总线从FPGA中读取当前电机转子位置；这种方案的缺点是电路设计复杂、成本高、PCB布线复杂、故障点多；本技术方案使用带有控制率加速器CLA的DSP芯片，使用DSP的ePwm4模块触发CLA读取ENDAT编码器的实时位置，可以做到与主控CPU并行处理且时钟同步。因此本方案节省了电路设计成本，简化了PCB布线，提高了系统的可靠性和实时性；另外本技术方案使用环形缓冲区存储转子位置不同时刻的采样值，使用位置的差分经过定标和低通滤波计算电机转速，与现行技术相比，大大简化了反馈速度的运算过程，减轻了CPU的负担，提高了系统的实时性。由于ePwm4模块和CLA任务独立于主控CPU运行，不存在现有技术中的CPU中断延时，任务阻塞等问题，因此采样时间间隔严格相等，速度的检测精度大大提高，进一步地提高了伺服系统的稳态精度和动态响应；同时本技术方案具有普遍性，可以推广到其他使用串行通信方式进行速度采样的应用场合，例如伺服系统中普遍使用的旋转编码器反馈、Sin/Cos编码器反馈和BISS编码器反馈等。
附图说明
图1是本发明实施例采用的伺服系统控制结构框图。
图2是本发明实施例电路连接图。
图3是本发明实施例速度采样任务时序图和ENDAT编码器接口协议时序图。
图4是本发明实施例环形缓冲区示意图和工作原理流程图。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明揭示了一种电路简化、可靠性高、实时性好，运算量小，能够在伺服系统中应用的电机转子绝对位置和速度检测方法。通常的伺服系统结构框图如图1所示，由位置环、速度环、电流环，及其相应的反馈环节组成。本发明方法应用于该结构框图所示的位置和速度反馈通道中的位置检测、速度计算和相位补偿环节。
图2是本技术方案的电路连接图。如图2所示，主控制器选用带有控制率加速器CLA的DSP芯片，其中CLA相当于主控处理器的一个协处理器，其任务由CPU软件控制触发或者由外设模块相应的事件触发，例如ePwm模块的计数匹配事件。CLA的任务被触发以后，并行于主CPU独立执行，直到该任务执行完毕。如图2所示，在本技术方案中，DSP的ePwm4模块②与CLA③相连，使用ePwm4模块②的上升计数匹配CMPA和下降计数匹配CMPB事件触发CLA任务，CLA③与外设SPI模块④相连，负责操作SPI总线与ENDAT编码器通信，同时控制一个IO端口切换数据传输的方向。SPI模块的相应管脚与数字隔离收发芯片⑤/⑥连接，分别将时钟信号和数据信号由TTL电平转换为RS485电平信号，以提高传输距离和抗干扰能力。数字隔离收发芯片需要使用隔离电源模块供电。数字隔离收发芯片与ENDAT编码器⑦连接，按照ENDAT协议从编码器中读取转子位置。
下面结合本技术方案速度采样任务时序图和ENDAT编码器接口协议时序图(图3)，说明转子位置采样实施过程：
如图3所示，DSP的ePwm1～4模块采用相同的时钟和相位同步计数运行，其中ePwm1～3负责产生SVPWM波形，ePwm4模块用于触发CLA任务。在本技术方案中，为了提高伺服系统的转矩响应，矢量控制采用双周期控制策略，即在PWM的周期中断和下溢中断中均触发ADC进行定子电流采样，在ADC采样结束触发ADC转换结束中断(ADC从开始被触发到转换结束产生中断需要的时间为t2)，在该中断响应函数中运行矢量控制策略，比起现有技术中常用的单周期控制(仅在PWM周期中断中运行矢量控制程序)，转矩响应速度提高一倍。
为了在矢量控制中采集到当前最准确的转子位置，使用ePwm4模块的上升计数比较中断A和下降计数中断B触发CLA任务。CLA独立于主CPU任务，并行与ENDAT编码器通信，设置ePwm4的上升计数比较寄存器值为CMPA＝Tprd-Tread+t2，下降比较寄存器值为CMPB＝Tread-t2，其中Tprd是载波周期，t2是ADC采样时间加中断延时，Tread是CLA通过SPI读取转子位置所需要的时间，这样设置的目的是保证CPU任务Task1和CLA任务Task2保持完全同步，在当前拍进行矢量控制坐标变换时使用的是最近时刻的转子相位。
如图3所示，在CLA任务Task2中，首先设置SPI的方向为发送，并发送读取位置模式指令，编码器锁存当前的转子位置，经过Tcal计算时间后，设置通信方向为接收，从编码器中读取当前转子位置。整个过程需要的时间计算如下：Tread＝Tcal+Tclk*32，Tclk为时钟周期，当Tclk设置为5MHz时，Tread值大概在8～10uS。
进一步地，本技术方案采集到的转子位置与电流环坐标变换时刻之间有一个相位差，因为编码器锁存的是开始读取的起始时刻对应的位置，而坐标变换是在读取完成之后执行的，为了在实施永磁同步伺服电机矢量控制策略中更准确地进行转子磁场定向，需要对转子位置进行相位补偿。由于一个载波周期时间很短(100uS)，远远小于电机的机械时间常数，因此可以认为在一个电流环周期之内转子位置的变化率相同，故使用下面的公式进行补偿：
Figure BDA0003198081190000071
其中，ΔPos＝Pos(i)-Pos(i-1)表示两次采样之间的位置误差；Tprd表示PWM周期，单位为时钟个数；Tread表示CLA通过SPI读取电机转子位置所需时间，单位为时钟个数。
进一步地，本技术方案采集到转子位置以后，建立一个环形缓冲区，环形缓冲区的长度为K，当前转子位置的指针为vel_Ptr，按图4所示流程进行处理，其中Pos(i)表示当前拍采集到的转子位置，ΔPos表示当前拍采集到的转子位置与缓冲区当前指针对应的位置的差值。更进一步地，本技术方案采用以下公式计算转子转速：
Figure BDA0003198081190000072
Vi＝(1f_k1*Vi-1+1f_k2*Vrpm)＞＞14
其中，ΔP为在计算周期内转子转过的圈数，2u代表编码器为u位，本实施例中取u＝17；fs为DSP的时钟频率，单位为兆赫；Tprd为PWM周期，单位为时钟个数；Vrpm为当前拍计算的转速；VelNorm为转子位置变化量到转速变换的定标系数；Vi为当前拍经过低通滤波的转速；1f_k1，1f_k2为低通滤波系数，可根据下式确定：
1f_k1＝(214*214)/(1f_Hz+214)
1f_k2＝214-1f_k1
其中，1f_Hz为低通滤波器的截止频率。
相对于传统的MT法测速，本技术方案使用循环缓冲区存储转子位置，不但执行时间缩短，而且可以兼顾低速和高速的矛盾。测量的时间间隔严格等长，且完全不用CPU参与，不会打断CPU实时任务的执行，具有重要的实际应用价值。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种伺服驱动器绝对位置和速度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用带有控制率加速器CLA的DSP芯片，通过串行SPI总线半双工方式与ENDAT绝对值编码器通信；
(2)在DSP中使用ePwm模块1～3生成SVPWM空间电压矢量波形，ePwm模块4与ePwm模块1～3时钟同步，为保持转子位置采样与矢量控制任务同步，使用ePwm模块4的上升和下降计数的比较匹配中断来触发CLA任务；在CLA任务中使用SPI模块与ENDAT绝对值编码器通信，获取电机实时位置；
在CLA任务中，首先设置SPI的方向为发送，并发送读取位置模式指令，编码器锁存当前的转子位置，经过Tcal计算时间后，设置通信方向为接收，从编码器中读取当前转子位置，整个过程需要的时间计算如下：Tread＝Tcal+Tclk*32，Tclk为时钟周期；
(3)对电机转子位置进行补偿，公式如下：
Figure FDA0004074931860000011
其中，ΔPos＝Pos(i)-Pos(i-1)表示两次采样之间的位置误差；Tprd表示PWM周期，单位为时钟个数；Tread表示CLA通过SPI读取电机转子位置所需时间，单位为时钟个数；
(4)在CLA中，使用环形缓冲区存储电机转子位置采样值，环形缓冲区的长度代表了计算速度时的时长，使用当前拍采集的编码器位置与缓冲区当前指针对应的位置的差值经过定标和低通滤波后作为速度反馈进行速度环运算，实现速度控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，伺服驱动器的矢量控制采用双周期电流环控制策略，有效提高转矩响应，具体为：在PWM的周期中断和下溢中断中均触发ADC进行定子电流采样，在ADC采样结束后触发ADC转换结束中断，在该中断响应函数中运行矢量控制策略。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在CLA任务中按照ENDAT协议使用SPI读取编码器转子位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述ENDAT绝对值编码器是旋转变压器、Sin/Cos编码器或BISS编码器。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述ePwm模块4与ePwm模块1～3保持时钟和相位同步，且ePwm模块4的比较寄存器的值设置如下：
CMPA＝Tprd-Tread+t2
CMPB＝Tread-t2
其中，Tprd是载波周期，t2是ADC采样时间加中断延时，Tread是CLA通过SPI读取电机转子位置所需要时间，即CLA任务的执行时间；CMPA为上升沿的比较数值，CMPB为下降沿的比较数值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，速度定标和低通滤波公式如下：
Figure FDA0004074931860000021
Vi＝(lf_k1*Vi-1+lf_k2*Vrpm)＞＞14
其中，ΔP为在计算周期内转子转过的圈数，2u代表编码器为u位；fs为DSP的时钟频率，单位为兆赫；Tprd为PWM周期，单位为时钟个数；K为环形缓冲区的长度；Vrpm为当前拍计算的转速；VelNorm为转子位置变化量到转速变换的定标系数；Vi为当前拍经过低通滤波的转速；lf_k1，lf_k2为低通滤波系数。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，DSP的ePwm模块4与CLA相连，使用ePwm模块4的上升计数匹配CMPA和下降计数匹配CMPB事件触发CLA任务，CLA与外设SPI模块相连，负责操作SPI总线与ENDAT编码器通信，同时控制一个IO端口切换数据传输的方向；SPI模块的相应管脚与数字隔离收发芯片连接，分别将时钟信号和数据信号由TTL电平转换为RS485电平信号，以提高传输距离和抗干扰能力；数字隔离收发芯片需要使用隔离电源模块供电；数字隔离收发芯片与ENDAT编码器连接，按照ENDAT协议从编码器中读取转子位置。
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