CN113746394B - 基于磁性传感器的自纠错运动控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于磁性传感器的自纠错运动控制方法及系统，包括通电初始化：对正预运行状态，并同步时序；位置监测：传感器单元监测电机的角位移行程位置，并编码为关联电机角位移行程的数字信号，其后分别反馈至主控单元以及DSP单元；自纠错控制：当数字信号处理得到的误差值超出设定的误差区间时，主控单元执行自纠错处理，调用纠错算法，使电机运行至目标位置。本发明利用主控单元进行有效的自纠错控制，可保证对电机的控制精度，提高电机的运转精度。

Description

基于磁性传感器的自纠错运动控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电机驱动技术领域，具体涉及一种基于磁性传感器的自纠错运动控制方法及系统。

背景技术

编码器根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式，根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。磁性传感器配置的磁性编码器相较于传统的光学编码器，磁性编码器无需要复杂的码盘和光源，元器件数量更少，检测结构更加简单且霍尔元件本身具有许多优点，其结构牢固、体积小、重量轻、寿命长，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀等。磁性编码器技术应用于电机的旋转位置反馈，可实现无接触式的位置测量，降低了电机运行过程中因机械轴振动而造成编码器失效(甚至损坏)的风险，有助于提升电机运行的稳定性。

现有技术中，磁性传感器适应于通用的位置和速度检测环节，难以胜任高性能和运动控制系统的传动工作，尤其是传动控制环反馈，如专利申请号“202010510174.8”公开的“一种用于直线电机的编码器、直线电机及其位置检测方法”，其通过设置磁阻传感器与两个霍尔开关传感器，来获得初级的绝对位置信息，磁阻传感器和霍尔开关传感器对安装环境及对次级磁钢本身磁场精度要求不高、因此其推广应用区间较广，其未能具有良好的通讯控制环反馈，也未能提供在检测后对电机的纠错控制，电机运行误差大，精度低；如专利申请号“201810778977.4”公开的“一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器”，其将多圈绝对值编码器采集电路集成在电机上，刚好贴合电机安装，便于在机器人本体上集成应用，集成度高，但未能提供在检测后对电机的纠错控制，运行精度难以保证。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供了基于磁性传感器的自纠错运动控制方法，有利于提高电机的运行精度，平衡运行负载压力，其位置检测与自纠错控制过程具有良好的稳定性及可靠性。

本发明提供如下技术方案:

一方面本发明提供了基于磁性传感器的自纠错运动控制方法，应用于监控电机的角位移行程位置，该方法包括以下步骤：

S1)：通电初始化：对正预运行状态，并同步时序；

S2)：位置监测：主控单元向DSP单元发送运行指令，DSP单元输出运动脉冲信号，通过电机驱动电路控制电机的运动，传感器单元监测电机的角位移行程位置，并编码为关联电机角位移行程的数字信号，其后分别反馈至主控单元以及DSP单元，主控单元与DSP单元分别处理该数字信号；

S3)：自纠错控制：当数字信号处理得到的误差值超出设定的误差区间时，执行自纠错处理，主控单元向DSP单元发送停止指令，DSP单元暂停输出运动脉冲信号，待系统稳定后，主控单元基于电机当前绝对位置信息，调用纠错算法，重新计算电机当前相对位置信息，并更新主控单元的储存信息，主控单元再根据电机当前相对位置信息，重新计算位移运动参数，并更新输入DSP单元的运行指令，使电机运行至目标位置。

优选地，该方法所述的S1包括：

S11)：主控单元初始化，主控单元内配置的SPI模块、第一TIM编码器、第一通讯模块、第一GPIO模块以及第一ADC模块分别进行初始化，并提供同步时钟信号；

S12)：DSP单元初始化，主控单元对DSP单元进行使能操作，DSP单元初始化串口参数，配置其输入端口与输出端口，并同步时钟信号；

S13)：传感器单元初始化，同步时钟信号，获取并反馈初始化模式下关联电机角位移行程的数字信号。

优选地，所述主控单元通信地耦合连接所述DSP单元与所述传感器单元；

所述第一GPIO模块可对接DSP单元，获取DSP单元反馈的状态信息；

所述SPI模块与第一TIM编码器分别对接传感器单元，以获取传感器单元反馈的关联电机角位移行程的数字信号；

所述DSP单元配置有第二GPIO模块、第二TIM编码器、第二通讯模块以及第二ADC模块，所述电机驱动电路配置有采样电路，其中：

第二GPIO模块可对接所述主控单元，接收所述主控单元的输入，反馈DSP单元当前的状态信息；

第二TIM编码器对接所述传感器单元，以获取传感器单元反馈的关联电机角位移行程的数字信号；

第二ADC模块对接所述采样电路，以跟踪电机驱动电路的电压信号，并将所述采样电路的电压信号转换为可供处理通信的数字信号；

第二通讯模块对接所述主控单元，其具有双向通信能力，可进行接收数据的输入与发送数据的输出。

优选地，所述方法设置的传感器单元配置有磁性编码器，所述磁性编码器用于输出关联电机角位移行程的数字信号，该数字信号包括一路传输至主控单元的绝对位置信号以及一路分别传输至主控单元与DSP单元的正交脉冲信号，所述绝对位置信号输出接入至主控单元的SPI模块，所述正交脉冲信号分别输出接入至主控单元的第一TIM编码器以及所述第二TIM编码器。

优选地，所述S3中：所述误差区间设置为在电机完成每转角位移行程时传感器单元采集到编码脉冲数±1‰的区间。

优选地，所述纠错算法中：

主控单元接收关联电机角位移行程的绝对位置信号值S1与相对位置信号值S2，再通过相对位置信号值S2，计算电机当前相对位置信息时，电机当前相对位置的运行转数C1＝S2/每转步数，S2＝每转步数×C1+S1。

优选地，所述DSP单元输出的运动脉冲指令具有6路PWM脉冲信号，该脉冲信号作用于所述电机驱动电路。

另一方面本发明提供了一种基于磁性传感器的自纠错运动控制系统，包括主控单元、DSP单元、电机驱动电路、电机以及传感器单元，所述传感器单元配置有磁性编码器，所述传感器单元通过该磁性编码器监测所述电机的角位移行程位置，并反馈数字信号至所述主控单元与所述DSP单元，所述主控单元通信地耦合连接所述DSP单元与传感器单元；

所述主控单元内配置有SPI模块、第一TIM编码器、第一通讯模块、第一GPIO模块以及第一ADC模块；

所述DSP单元内配置有第二GPIO模块、第二TIM编码器、第二通讯模块以及第二ADC模块；

所述电机驱动电路配置有采样电路，所述采样电路的输出端耦合连接所述第一ADC模块以及第二ADC模块。

优选地，所述SPI模块、第一TIM编码器以及第二TIM编码器分别对接传感器单元，所述数字信号包括一路传输至主控单元的绝对位置信号以及一路分别传输至主控单元与DSP单元的正交脉冲信号，所述绝对位置信号输出接入至SPI模块，所述正交脉冲信号分别输出接入至第一TIM编码器以及第二TIM编码器。

优选地，所述DSP单元输出端通过6路PWM脉冲信号作用所述电机驱动电路。

本发明的有益效果为：通过主控单元向DSP单元发送运行指令，DSP单元输出运动脉冲信号，控制电机的运动，传感器单元对电机角位移行程进行位置检测并分别反馈至主控单元与DSP单元，形成有效的闭环反馈，当数字信号处理得到的误差值超出设定的误差区间时，执行自纠错处理，并进行控制环反馈，完成自纠错控制，采用传感器单元的编码脉冲数设置误差区间的方法，利用主控单元进行有效的自纠错控制，有效保证对电机的控制精度，提高电机的运转精度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明初始化的流程图；

图3为本发明位置监测的流程图；

图4为本发明自纠错控制的流程图；

图5为本发明实施例之一的结构示意图；

图6为本发明实施例电机驱动电路的电路图；

图7为本发明实施例采样电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例作详细说明。

在一种具体的实施例中，本发明提供了一种基于磁性传感器的自纠错运动控制系统，应用于监控纠正电机的角位移行程位置，包括主控单元、DSP单元、电机驱动电路、电机以及传感器单元，传感器单元配置有磁性编码器，传感器单元通过该磁性编码器监测电机的角位移行程位置，并反馈数字信号至主控单元与DSP单元，主控单元通信地耦合连接DSP单元与传感器单元，DSP单元输出端通过6路PWM脉冲信号作用电机驱动电路；

其主控单元、DSP单元、电机驱动电路、电机以及传感器单元整体组合为一个闭环系统，传感器单元将采集到的关联电机的角位移行程位置的数据反馈至主控单元与DSP单元，主控单元与DSP单元判断角位移行程位置超出误差区间时，启动自纠错控制。

其中主控单元内配置有SPI模块、第一TIM编码器、第一通讯模块、第一GPIO模块以及第一ADC模块；

DSP单元内配置有第二GPIO模块、第二TIM编码器、第二通讯模块以及第二ADC模块；

电机驱动电路配置有采样电路，采样电路的输出端耦合连接第一ADC模块以及第二ADC模块。

SPI模块、第一TIM编码器以及第二TIM编码器分别对接传感器单元，其数字信号包括一路传输至主控单元的绝对位置信号以及一路分别传输至主控单元与DSP单元的正交脉冲信号，绝对位置信号输出接入至SPI模块，正交脉冲信号分别输出接入至第一TIM编码器以及第二TIM编码器。

本发明提供了一种基于磁性传感器的自纠错运动控制方法，应用于监控电机的角位移行程位置，方法设置的传感器单元配置有磁性编码器，磁性编码器用于输出关联电机角位移行程的数字信号，主控单元通信地耦合连接DSP单元以及传感器单元，请参阅图1-图4，该方法包括以下步骤：

S1)：通电初始化：对正预运行状态，并同步时序；

S11)：主控单元初始化，主控单元内配置的SPI模块、第一TIM编码器、第一通讯模块、第一GPIO模块以及第一ADC模块分别进行初始化，并提供同步时钟信号；

S12)：DSP单元初始化，主控单元对DSP单元进行使能操作，DSP单元初始化串口参数，配置其输入端口与输出端口，并同步时钟信号；

S13)：传感器单元初始化，同步时钟信号，获取并反馈初始化模式下关联电机角位移行程的数字信号。

S2)：位置监测：主控单元向DSP单元发出运行指令，DSP单元输出运动脉冲信号，通过电机驱动电路控制电机的运动，传感器单元监测电机的角位移行程位置，并编码为关联电机角位移行程的数字信号，其后分别反馈至主控单元以及DSP单元，主控单元与DSP单元分别处理该数字信号；

S3)：自纠错控制：当数字信号处理得到的误差值超出设定的误差区间时，执行自纠错处理，主控单元向DSP单元发送停止指令，DSP单元暂停输出运动脉冲信号，待系统稳定后，主控单元基于电机当前绝对位置信息，调用纠错算法，重新计算电机当前相对位置信息，并更新主控单元的储存信息，主控单元再根据电机当前相对位置信息，重新计算位移运动参数，并更新输入DSP单元的运行指令，使电机运行至目标位置，误差区间设置为在电机完成每转角位移行程时传感器单元采集到编码脉冲数±1‰的区间。

在上述实施例的基础上，第一GPIO模块可对接DSP单元，获取DSP单元反馈的状态信息，第一GPIO模块对DSP单元进行使能、复位以及限位操作；

SPI模块与第一TIM编码器分别对接传感器单元，以获取传感器单元反馈的关联电机角位移行程的数字信号；

在上述实施例的基础上，DSP单元配置有第二GPIO模块、第二TIM编码器、第二通讯模块以及第二ADC模块，电机驱动电路配置有采样电路，其中：

第二GPIO模块可对接主控单元，接收主控单元的输入，反馈DSP单元当前的状态信息；

第二TIM编码器对接传感器单元，以获取传感器单元反馈的关联电机角位移行程的数字信号；

第二ADC模块对接采样电路，以跟踪电机驱动电路的电压信号，并将采样电路的电压信号转换为可供处理通信的数字信号；

第二通讯模块对接主控单元，其具有双向通信能力，可进行接收数据的输入与发送数据的输出。

其中，该关联电机角位移行程的数字信号包括一路传输至主控单元的绝对位置信号以及一路分别传输至主控单元与DSP单元的正交脉冲信号，绝对位置信号输出接入至主控单元的SPI模块，正交脉冲信号分别输出接入至主控单元的第一TIM编码器以及第二TIM编码器。

在一种具体的实施例中，其初始化，主控单元、DSP单元与传感器单元有序进行初始化，传感器单元获取电机角位移行程的数字信号，主控单元获取绝对位置信号与正交脉冲信号成功，主控单元下发指令至DSP单元，以控制电机回到起始位，初始化结束；

其针对于电机的位置监测中，系统处于稳定运行状态，主控单元向DSP单元发送运行指令，DSP单元执行运行指令内相关的运动参数，电机驱动电路根据DSP单元输入的运动参数，输出电压与电流激励，电机运行，传感器单元内磁性编码器感应关联电机角位移行程的数字信号，主控单元可同时接收绝对位置信号与正交脉冲信号，具体的，主控单元SPI模块获取关联实际电机角位移行程的绝对位置信号值S1，第一TIM编码器获取关联实际电机角位移行程的正交脉冲信号内包含的相对位置信号值S2，通过相对位置信号值S2，计算得到绝对位置比较值P1，其中，P1＝S2％每转步数(％为取余)，主控单元通过动态的连续反馈，比较绝对位置信号值S1与绝对位置比较值P1，得到误差值；

其自纠错控制中，当误差值超过设置的误差区间，即编码脉冲数的±1‰的区间，即启动自纠错功能主控单元发送运动停止命令，等待系统稳定，电机运行停止稳定，调用纠错算法，计算电机当前相对位置的运行转数C1＝S2/每转步数，校正计算电机当前相对位置信号值S2，S2＝每转步数×C1+S1，将S2更新至主控制单元内相对位置寄存器，主控单元向DSP单元下发新的运动指令，DSP单元接收新的运动指令，通过电机驱动电路作用电机，最终使电机运行至目标位置，自纠错完成。

其中，采样电路分别反馈电机驱动电路的电信号数据至第一ADC模块以及第二ADC模块，转换为关联电机驱动电路输出线路上的电信号数据，以监测电机驱动电路的输出状态，保证电机的有效运转。

在进一步的实施例中，DSP单元集成了针对数字电机和运动控制应用的高级外设，以提供真正的单芯片DSP控制器用于电机驱动时6路PWM信号输出，DSP单元输出的运动脉冲指令具有6路PWM脉冲信号，该运动脉冲指令包括实现电机速度以及角位移行程的位置参数，该6路PWM脉冲信号作用于电机驱动电路，电机驱动电路包含电流采样与保护电路，通过六个功率管组合做功以作用电机，DSP单元通过第二TIM编码器接收正交脉冲信号。

请参阅图5-图7，以主控单元选取STM32F407VET6，传感器单元选取AS5047P为例，初始化完成后，位置检测时，闭环系统连续运行自检，主控单元与DSP单元配合输出运动脉冲指令，电机驱动电路作用电机，传感器单元监测电机的角位移行程数据，传感器单元内编码器元件输出两路信号：其第一路：传感器单元利用4线SPI串行接口(NSS、SCK、MISO、MOSI引脚)向SPI模块(PB12、PB13、PB14、PB15引脚)输出绝对位置信号，其第二路：传感器单元利用ABI端口(A、B、I/PWM引脚)分别向设置的第一TIM编码器(PA3、PA6、PA7引脚)、第二TIM编码器(CAP3/IOPA5、CAP1/IOPA3、CAP2/IOPA4引脚)输出正交脉冲信号，正交脉冲信号为ABI正交编码信号，主控单元通过ABI正交编码信号关联电机的相对位置值S2计算得到绝对位置比较值P1，P1＝S2％每转步数，若P1与SPI模块反馈的绝对位置S1的差值超出误差区间，进行自纠错处理，当传感器单元配置的磁性编码器的脉冲数设定为4096，倍频数为4，每转步数＝每转脉冲数乘以倍频数，磁性编码器实际检测位的绝对位置处于0～16383区间运行，系统进行连续检测反映电机的角位移行程，以两圈为例，第一圈起始点为0，终点为16383，第二圈起始点为16384，终点为32767，若检测时，第二圈终点小于32767或大于32772，此时系统启动自纠错控制。其中，ABI正交编码信号的分辨率是可编程的，视实际电机应用场合与精度的需要来确定。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识区间内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化与改进。

Claims (6)

1.基于磁性传感器的自纠错运动控制方法，应用于监控电机的角位移行程位置，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a）：通电初始化：对正预运行状态，并同步时序；

所述a步骤包括：

a1）：主控单元初始化，主控单元内配置的SPI模块、第一TIM编码器、第一通讯模块、第一GPIO模块以及第一ADC模块分别进行初始化，并提供同步时钟信号；

a2）：DSP单元初始化，主控单元对DSP单元进行使能操作，DSP单元初始化串口参数，配置其输入端口与输出端口，并同步时钟信号；

a3）：传感器单元初始化，同步时钟信号，获取并反馈初始化模式下关联电机角位移行程的数字信号；

所述主控单元通信地耦合连接所述DSP单元以及所述传感器单元；

所述第一GPIO模块可对接DSP单元，获取DSP单元反馈的状态信息；

所述SPI模块与第一TIM编码器分别对接传感器单元，以获取传感器单元反馈的关联电机角位移行程的数字信号；

所述DSP单元配置有第二GPIO模块、第二TIM编码器、第二通讯模块以及第二ADC模块，电机驱动电路配置有采样电路，其中：

第二GPIO模块可对接所述主控单元，接收所述主控单元的输入，反馈DSP单元当前的状态信息；

第二TIM编码器对接所述传感器单元，以获取传感器单元反馈的关联电机角位移行程的数字信号；

第二ADC模块对接所述采样电路，以跟踪电机驱动电路的电压信号，并将所述采样电路的电压信号转换为可供处理通信的数字信号；

第二通讯模块对接所述主控单元，其具有双向通信能力，可进行接收数据的输入与发送数据的输出；

所述方法设置的传感器单元配置有磁性编码器，所述磁性编码器用于输出关联电机角位移行程的数字信号，该数字信号包括一路传输至主控单元的绝对位置信号以及一路分别传输至主控单元与DSP单元的正交脉冲信号，所述绝对位置信号输出接入至主控单元的SPI模块，所述正交脉冲信号分别输出接入至主控单元的第一TIM编码器以及所述第二TIM编码器；

b）：位置监测：主控单元向DSP单元发送运行指令，DSP单元输出运动脉冲信号，通过电机驱动电路控制电机的运动，传感器单元监测电机的角位移行程位置，并编码为关联电机角位移行程的数字信号，其后分别反馈至主控单元以及DSP单元，主控单元与DSP单元分别处理该数字信号；

c）：自纠错控制：主控单元SPI模块获取关联实际电机角位移行程的绝对位置信号值S1，第一TIM编码器获取关联实际电机角位移行程的正交脉冲信号内包含的相对位置信号值S2，通过相对位置信号值S2，计算得到绝对位置比较值P1，其中，P1 = S2%每转步数，%为取余，主控单元通过动态的连续反馈，比较绝对位置信号值S1与绝对位置比较值P1，得到误差值；

当数字信号处理得到的误差值超出设定的误差区间时，执行自纠错处理，主控单元向DSP单元发送停止指令，DSP单元暂停输出运动脉冲信号，待系统稳定后，主控单元基于电机当前绝对位置信息，调用纠错算法，重新计算电机当前相对位置信息，并更新主控单元的储存信息，主控单元再根据电机当前相对位置信息，重新计算位移运动参数，并更新输入DSP单元的运行指令，使电机运行至目标位置。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述c步骤中：所述误差区间设置为在电机完成每转角位移行程时传感器单元采集到编码脉冲数±1‰的区间。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述纠错算法中：

主控单元接收关联电机角位移行程的绝对位置信号值 S1与相对位置信号值S2，再通过相对位置信号值S2，计算电机当前相对位置信息时，电机当前相对位置的运行转数C1=S2/每转步数，当前相对位置=每转步数×C1+S1。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述DSP单元输出端具有6路PWM脉冲信号，该脉冲信号作用于所述电机驱动电路。

5.一种基于磁性传感器的自纠错运动控制系统，其特征在于：包括主控单元、DSP单元、电机驱动电路、电机以及传感器单元，所述传感器单元配置有磁性编码器，所述传感器单元通过该磁性编码器监测所述电机的角位移行程位置，并反馈数字信号至所述主控单元与所述DSP单元，所述主控单元通信地耦合连接所述DSP单元与所述传感器单元；

所述主控单元内配置有SPI模块、第一TIM编码器、第一通讯模块、第一GPIO模块以及第一ADC模块；

所述DSP单元内配置有第二GPIO模块、第二TIM编码器、第二通讯模块以及第二ADC模块；

所述电机驱动电路配置有采样电路，所述采样电路的输出端耦合连接所述第一ADC模块以及第二ADC模块；

所述SPI模块、第一TIM编码器以及第二TIM编码器分别对接传感器单元，所述数字信号包括一路传输至主控单元的绝对位置信号以及一路分别传输至主控单元与DSP单元的正交脉冲信号，所述绝对位置信号输出接入至SPI模块，所述正交脉冲信号分别输出接入至第一TIM编码器以及第二TIM编码器。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于：所述DSP单元输出端通过6路PWM脉冲信号作用所述电机驱动电路。

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