CN113809972A - 一种机器人用电机的位置传感器误差矫正系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机控制及位置传感补偿领域，具体涉及一种机器人用电机的位置传感器误差矫正系统及控制方法。误差矫正系统包括：一个位置矫正模块，一个类SVPWM模块，一个位置传感器，一个电磁传感器，一个MOS管驱动电路，一个所述机器人用电机；位置传感器和电磁传感器的信号输入端分别和机器人用电机相连，信号输出端分别和位置矫正模块的信号输入端相连，位置矫正模块的信号输出端于类SVPWM模块的信号输入端相连，类SVPWM模块的信号输出端与MOS管驱动电路的信号输入端相连，MOS管驱动电路的信号输出端与机器人用电机相连。该方案可以有效的矫正机器人用电机的位置传感器的精度误差，提高机器人用电机的控制精度及稳定性，降低抖动现象，提高了机器人的可控性。

Description

一种机器人用电机的位置传感器误差矫正系统及控制方法

技术领域

本发明属于电机控制及位置传感补偿领域，具体涉及一种机器人用电机的位置传感器误差矫正系统及控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，以及人工智能技术的发展，同时机器人产业的蓬勃兴起。电机成为了各个运动机构必须参与的执行机构，而机器人这种高集成度的产品，通常需要对每个指令进行反馈，而所有的这些反馈中，位置反馈是难点，也是重点。

现有技术中，为了提高位置精度及位置控制的准确度，一般会安装高精度的位置传感器，比如旋变解码器，绝对值位置传感器。但由于位置传感器自身精度、安装精度、解码电路精度、与电机的配合误差等多种因素影响，电机位置传感器检测并解码到的电机转子位置会有一定的误差存在。同时对采集的位置信息直接参与到控制中，所以会出现位置控制误差。机器人用电机转子位置误差会影响机器人执行机构的控制精度，增加电流使电机驱动器发热严重、转矩波动幅值，使机器人的执行指令不稳定，可能会出现抖动等现象。同时增加了电机功率损耗，使电机相线发热，最后导致电机损坏，甚至严重影响电机控制效果甚至失控，致使机器人控制失去原来的意图，降低了机器人的可控性。

同时机器人电机一般用方波控制或者是矢量控制，但是矢量控制算法数据多，致使内存容量增大，而方波控制，控制效果低。

因此针对这一现状，迫切需要设计和生产一种机器人用电机的位置传感器误差矫正系统及控制方法，以解决现有技术中机器人执行机构的控制精度低，会出现抖动的情况，严重影响电机控制效果甚至失控的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种机器人用电机的位置传感器误差矫正系统，可以有效的矫正机器人用电机的位置传感器的精度误差，提高机器人用电机的控制精度及稳定性，降低抖动现象，提高了机器人的可控性。

本发明的目的之二在于提供一种机器人用电机的控制方法，该方法应用于以上所述的机器人用电机的位置传感器误差矫正系统中。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种机器人用电机的位置传感器误差矫正系统，包括：一个位置矫正模块，一个类SVPWM模块，一个位置传感器，一个电磁传感器，一个MOS管驱动电路，一个所述机器人用电机；

所述位置传感器和电磁传感器的信号输入端分别和机器人用电机相连，信号输出端分别和位置矫正模块的信号输入端相连，位置矫正模块的信号输出端与类SVPWM模块的信号输入端相连，类SVPWM模块的信号输出端与MOS管驱动电路的信号输入端相连，MOS管驱动电路的信号输出端与机器人用电机相连；

所述电磁传感器用于检测机器人用电机的转子与定子之间的电磁强度信息，并将检测数据传递给位置矫正模块；

所述位置传感器用于检测机器人用电机的转子位置信息，并将检测数据传递给位置矫正模块；

所述位置矫正模块用于对位置传感器检测的机器人用电机的转子位置信息进行矫正，并将矫正后的转子位置信息发送给类SVPWM模块；

所述类SVPWM模块主要用于对位置矫正模块传输的数据进行处理和计算，并把处理好的数据传输给MOS管驱动电路；

所述的MOS管驱动电路用于接收类SVPWM模块的PWM信号，发送PWM驱动机器人用电机按照要求进行转动；

所述机器人用电机为执行结构，根据指令运动到指定的位置。

作为优选，所述位置矫正模块包含数据处理单元、数据存储单元及位置矫正单元；所述数据处理单元的信号输入端与位置传感器的信号输出端相连，数据处理单元的信号输出端分别与数据存储单元的信号输入端及位置矫正单元的信号输入端相连，位置矫正单元的信号输出端分别与类SVPWM模块的信号输入端和数据存储单元的信号输入端相连。

作为优选，所述位置矫正单元通过定子和转子之间的电磁强度信息、转子位置信息以及对应的检测时间得到矫正曲线。

作为优选，所述位置矫正单元通过拟合的矫正曲线公式(1)计算转子位置信息的矫正值，拟合的矫正曲线公式如下：

其中，B_SN为第n个的磁场强度，B_SN-1为第n-1个的磁场强度，B_SZ为转子磁场，B_SD为定子磁场，ΔL为转子位置信息的矫正值，T为计算周期。

作为优选，所述类SVPWM模块包含依次连接的Clark及park变化模块、PI模块、类SVPWM计算模块以及驱动控制模块，所述Clark及park变化模块的信号输入端与位置矫正单元的信号输出端相连，所述驱动控制模块的信号输出端与MOS管驱动电路的信号输入端相连。

作为优选，所述类SVPWM计算模块采用公式(2)计算PWM的值；

其中，ΔL为转子位置信息的矫正值，其值通过公式(1)计算得出，T为计算周期。

一种机器人用电机的控制方法，该方法适用于以上所述的机器人用电机的位置传感器误差矫正系统中，机器人用电机的控制方法包括以下步骤：

S1、检测机器人用电机的转子与定子之间的电磁强度信息转子位置信息，并将检测数据传递给位置矫正模块；

S2、数据处理单元对步骤S1中的检测信息进行处理，并存储；

S3、位置矫正单元，在每个矫正时刻，基于该矫正时刻对应的数据中存储的转子位置变量、磁场变量及时间变量，通过拟合的矫正曲线公式计算转子位置信息的矫正值；

S4、位置矫正单元将转子位置信息的矫正值传入类SVPWM模块中，类SVPWM模块利用公式(2)计算出控制MOS管驱动电路运动的PWM信号，对机器人用电机进行控制。

作为优选，在步骤S3中，位置矫正单元计算转子位置信息的矫正值包括一下步骤：

S31、通过定子和转子之间的电磁强度信息、转子位置信息以及对应的检测时间得到矫正曲线；

S32、利用采集的转子位置信息、转子与定子的相对磁场强度信息、对应的时间对转子位置信息进行拟合，得到拟合的矫正曲线公式(1)；

S33、利用本次对应的转子位置信息、转子与定子的相对磁场强度信息、相对时间和本次拟合得到的拟合的矫正曲线公式(1)计算转子位置信息的矫正值ΔL。

本发明的有益效果是：

本方案提供的机器人用电机的位置传感器误差矫正系统，采用了位置矫正模块，对机器人用电机的位置运动进行实时的控制及矫正，在每次矫正时，利用采集的转子位置信息、转子与定子的相对磁场强度信息、对应的时间对转子精确的位置进行拟合，然后利用本次对应的转子位置信息、转子与定子的相对磁场强度信息、相对时间和本次拟合得到的方程计算矫正后的转子位置。由于融合了多个计算周期的数据，以及电机本身的磁场数据，所以可以有效的矫正机器人用电机位置传感器各种原因带来的精度误差，提高机器人用电机的位置精度及稳定性，有效的改善机器人用电机运行功率损耗及噪音，提高机器人的执行机构控制精度，减少电流、降低转矩波动幅值，使机器人的执行指令稳定，降低出现抖动等现象，使机器人能够按照控制意图去实施，提高了机器人的可控性，保证了机器人用电机的运动性能。

附图说明

图1是本实施例提供的机器人用电机的位置传感器误差矫正系统的结构示意图；

图2是本实施例提供的位置矫正模块的结构示意图；

图3是本实施例提供的类SVPWM模块的结构示意图；

图4是本实施例提供的机器人用电机的控制方法流程图。

图中：

1、机器人用电机；2、位置传感器；3、电磁传感器；4、位置矫正模块；5、类SVPWM模块；6、MOS管驱动电路；

41、数据处理单元；42、位置矫正单元；43、数据存储单元；

51、Clark及park变化模块；52、PI模块；53、类SVPWM计算模块；54、驱动控制模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

装置实施例

如图1所示，本实施例提供的一种机器人用电机的位置传感器误差矫正系统包括一个位置矫正模块4，一个类SVPWM模块5，一个位置传感器2，一个电磁传感器3，一个MOS管驱动电路6，一个所述机器人用电机1。

所述位置传感器2和电磁传感器3的信号输入端分别和机器人用电机1相连，信号输出端分别和位置矫正模块4的信号输入端相连，位置矫正模块4的信号输出端与类SVPWM模块5的信号输入端相连，类SVPWM模块5的信号输出端与MOS管驱动电路6的信号输入端相连，MOS管驱动电路6的信号输出端与机器人用电机1相连。

其中，所述电磁传感器3用于检测机器人用电机1的转子与定子之间的电磁强度信息，并将检测数据传递给位置矫正模块4。所述位置传感器2用于检测机器人用电机1的转子位置信息，并将检测数据传递给位置矫正模块4。位置矫正模块4用于对位置传感器2检测的机器人用电机1的转子位置信息进行矫正，并将矫正后的转子位置信息发送给类SVPWM模块5。类SVPWM模块5主要用于对位置矫正模块4传输的数据进行处理和计算，并把处理好的数据传输给MOS管驱动电路6。同时放弃了现有的矢量控制，采用数据量更少的类SVPWM，输出准确的PWM信号，减少了存储量，优化了控制性能，降低了电机的抖动。所述的MOS管驱动电路6用于接收类SVPWM模块5的PWM信号，发送PWM驱动机器人用电机1按照要求进行转动。机器人用电机1为执行结构，根据指令运动到指定的位置。

位置传感器2采用高精度的绝对值编码器或者双通道旋转变压器。电磁传感器3采用磁密度均匀，磁场测试准确的采集芯片。电磁传感器3及位置传感器2用于对电机反馈信号，位置和电磁信号的采集，提高了位置传感器2误差矫正系统的矫正精度，保证了矫正的准确性，提高了电机的控制性能。

如图2所示，所示位置矫正模块4包含数据处理单元41，数据存储单元43，位置矫正单元42。所述数据处理单元41的信号输入端与位置传感器2的信号输出端相连，数据处理单元41的信号输出端分别与数据存储单元43的信号输入端及位置矫正单元42的信号输入端相连，位置矫正单元42的信号输出端分别与类SVPWM模块5的信号输入端和数据存储单元43的信号输入端相连。

所述数据处理单元41主要是处理转子与定子之间的电磁强度信息及转子位置信息进行归一化处理，使数据统一，可靠，有利于数据的后续处理以及使用，提高了整个控制算法的效率，提高了矫正系统的数据存储能力及控制效率，优化了控制算法。

所述数据存储单元43用于将位置传感器2检测的转子位置信息以及电磁传感器3检测的转子与定子之间的电磁强度信息，对应的时间存储，同时数据的存储需要按照特定的顺序存储，保证数据与时间是一一对应的，有利于数据的调用和数据的处理，提高了数据的灵活性。

所述位置矫正单元42把数据存储到数据存储单元42，同时对转子位置信息进行处理存储，以及计算矫正，并将矫正后的数据信息发送给类SVPWM模块5，为类SVPWM模块5提供一个准确的控制数据。提高机器人用电机1控制精度及稳定性，有效的改善机器人用电机1运行功率损耗及噪音，提高机器人的执行机构控制精度，减少电流、降低转矩波动幅值，使机器人的执行指令稳定，降低出现抖动等现象，使机器人能够按照控制意图去实施，提高了机器人的可控性。

具体的转子位置信息过程为：位置矫正单元42用于在位置矫正时刻，基于该矫正时刻对应的转子位置变量、磁场变量及时间变量，规划出该矫正曲线。即矫正曲线主要是由定子和转子之间的电磁强度信息、转子位置信息以及对应的检测时间得到。在每个位置矫正时刻，根据矫正曲线，得到矫正后的转子位置信息。具体的，在每次矫正时，利用采集的转子位置信息、转子与定子的相对磁场强度信息、对应的时间对转子精确的位置进行拟合，得到拟合的矫正曲线公式。然后利用本次对应的转子位置信息、转子与定子的相对磁场强度信息、相对时间和本次拟合得到的拟合的矫正曲线公式计算矫正后的转子位置。位置矫正单元42是整个系统的核心之一，通过对转子位置信息的矫正，提高了位置传感器2误差矫正系统的矫正精度，保证了矫正的准确性，提高了电机的控制性能。本方案采用了高精度的位置传感器2提供的转子位置信息、电磁传感器3提供的转子与定子的相对磁场强度信息、及时间的拟合曲线矫正法，改变了以往只有位置及时间拟合的问题，提高了拟合曲线的可靠性，提升了电机控制的性能。

系统会按照预设的计算周期，根据转子与定子之间的电磁强度信息和转子位置信息进行转子位置信息的矫正值计算。其中，转子位置信息由位置模块测量得到；转子与定子之间的电磁强度信息根据转子磁场强度B_SZ和定子磁场强度B_DZ确定。

计算周期T根据需要进行确定，在每个矫正时刻，会对转子位置进行矫正，相邻偶数个矫正时刻或者相邻奇数个矫正时刻之间的时间即为一个计算周期。

因为电机是圆周运动，每次转动到相同的位置时，转子与定子之间的电磁强度信息和转子位置信息理论上是一个固定值，所以用转子与定子之间的电磁强度信息和转子位置信息的比较进行最后信息的拟合。所述位置矫正单元通过拟合的矫正曲线公式(1)计算转子位置信息的矫正值，拟合的矫正曲线公式如下：

其中，B_SN为第n个的磁场强度，B_SN-1为第n-1个的磁场强度，B_SZ为转子磁场强度，B_SD为定子磁场强度，ΔL为转子位置信息的矫正值，T为计算周期，n为大于等于1的自然数。

在位置矫正模块4的位置矫正单元42中得到拟合的矫正曲线，将当前矫正时刻对应的相对时间、磁场强度代入公式(1)中，从而计算得到转子位置信息的矫正值，进行存储。同时在下一个计算周期，可重复位置矫正模块4进行的补偿动作，输出新一周期矫正后的转子位置信息。这样电机控制模型能够使用位置传感器2误差补偿模型输出的补偿后的转子位置信息进行电机控制。

如图3所示，所述类SVPWM模块5包含依次连接的Clark及park变化模块51，PI模块52，类SVPWM计算模块53以及驱动控制模块54，Clark及park变化模块51的信号输入端与位置矫正单元42的信号输出端相连，驱动控制模块54的信号输出端与MOS管驱动电路6的信号输入端相连。

所述类SVPWM模块5用于对位置矫正模块4传输的数据进行处理计算。同时放弃了现有的矢量控制，采用数据量更少的类SVPWM，输出准确的PWM信号，减少了存储量，优化了控制性能，降低了电机的抖动。

所述类SVPWM模块5的工作流程为：Clark及park变化模块51接收位置矫正模块4中位置矫正单元的传输数据，并将数据传给PI模块52，PI模块52将数据传给类SVPWM计算模块53，计算好的数据发送给驱动控制模块54，计算PWM，传给MOS管驱动电路6。

所述类SVPWM计算模块53主要根据PI模块52调节后的数据，对整个采集的电机的信号进行处理，是此系统的另一个核心，使机器人用电机1的控制变为类SVPWM控制，采用数据量更少的类SVPWM，输出准确的PWM信号，具有平滑的控制曲线，减少了数据的存储量，节省了存储空间，优化了控制性能，降低了电机的抖动，减少了电机的损耗，减少了转矩波动，提高了电机的性能，增加了电机效率。

所述类SVPWM计算模块53计算PWM的算法可以归结为公式(2)。

其中，ΔL为转子位置信息的矫正值，其值通过公式(1)计算得出，T为计算周期。

方法实施例

如图4所示，本方案还提供了一种机器人用电机的控制方法，该方法应用与上述的机器人用电机的位置传感器误差矫正系统中，机器人用电机的控制方法包括以下步骤：

S1、电磁传感器3检测机器人用电机1的转子与定子之间的电磁强度信息，并将检测数据传递给位置矫正模块4，位置传感器2检测机器人用电机1的转子位置信息，并将检测数据传递给位置矫正模块4；

S2、位置矫正模块4中的数据处理单元41对步骤S1中的检测信息进行处理，并存储；

S3、位置矫正模块4中的位置矫正单元42，在每个矫正时刻，基于该矫正时刻对应的数据中存储的转子位置变量、磁场变量及时间变量，通过拟合的矫正曲线公式计算转子位置信息的矫正值；

S4、位置矫正单元42将转子位置信息的矫正值传入类SVPWM模块5中，类SVPWM模块5利用公式(2)计算出控制MOS管驱动电路6运动的PWM信号，对机器人用电机1进行控制。

作为优选方案，在步骤S3中，位置矫正单元计算转子位置信息的矫正值包括一下步骤：

S31、通过定子和转子之间的电磁强度信息、转子位置信息以及对应的检测时间得到矫正曲线；

S32、利用采集的转子位置信息、转子与定子的相对磁场强度信息、对应的时间对转子位置信息进行拟合，得到拟合的矫正曲线公式(1)；

S33、利用本次对应的转子位置信息、转子与定子的相对磁场强度信息、相对时间和本次拟合得到的拟合的矫正曲线公式(1)计算转子位置信息的矫正值ΔL。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种机器人用电机的位置传感器误差矫正系统，其特征在于，包括：一个位置矫正模块，一个类SVPWM模块，一个位置传感器，一个电磁传感器，一个MOS管驱动电路，一个所述机器人用电机；

所述位置传感器和电磁传感器的信号输入端分别和机器人用电机相连，信号输出端分别和位置矫正模块的信号输入端相连，位置矫正模块的信号输出端与类SVPWM模块的信号输入端相连，类SVPWM模块的信号输出端与MOS管驱动电路的信号输入端相连，MOS管驱动电路的信号输出端与机器人用电机相连；

所述电磁传感器用于检测机器人用电机的转子与定子之间的电磁强度信息，并将检测数据传递给位置矫正模块；

所述位置传感器用于检测机器人用电机的转子位置信息，并将检测数据传递给位置矫正模块；

所述位置矫正模块用于对位置传感器检测的机器人用电机的转子位置信息进行矫正，并将矫正后的转子位置信息发送给类SVPWM模块；

所述类SVPWM模块主要用于对位置矫正模块传输的数据进行处理和计算，并把处理好的数据传输给MOS管驱动电路；

所述的MOS管驱动电路用于接收类SVPWM模块的PWM信号，发送PWM驱动机器人用电机按照要求进行转动；

所述机器人用电机为执行结构，根据指令运动到指定的位置。

2.如权利要求1所述的机器人用电机的位置传感器误差矫正系统，其特征在于，所述位置矫正模块包含数据处理单元、数据存储单元及位置矫正单元；所述数据处理单元的信号输入端与位置传感器的信号输出端相连，数据处理单元的信号输出端分别与数据存储单元的信号输入端及位置矫正单元的信号输入端相连，位置矫正单元的信号输出端分别与类SVPWM模块的信号输入端和数据存储单元的信号输入端相连。

3.如权利要求2所述的机器人用电机的位置传感器误差矫正系统，其特征在于，所述位置矫正单元通过定子和转子之间的电磁强度信息、转子位置信息以及对应的检测时间得到矫正曲线。

4.如权利要求3所述的机器人用电机的位置传感器误差矫正系统，其特征在于，所述位置矫正单元通过拟合的矫正曲线公式(1)计算转子位置信息的矫正值，拟合的矫正曲线公式如下：

其中，B_SN为第n个的磁场强度，B_SN-1为第n-1个的磁场强度，B_SZ为转子磁场，B_SD为定子磁场，ΔL为转子位置信息的矫正值，T为计算周期。

5.如权利要求4所述的机器人用电机的位置传感器误差矫正系统，其特征在于，所述类SVPWM模块包含依次连接的Clark及park变化模块、PI模块、类SVPWM计算模块以及驱动控制模块，所述Clark及park变化模块的信号输入端与位置矫正单元的信号输出端相连，所述驱动控制模块的信号输出端与MOS管驱动电路的信号输入端相连。

6.如权利要求5所述的机器人用电机的位置传感器误差矫正系统，其特征在于，所述类SVPWM计算模块采用公式(2)计算PWM的值；

其中，ΔL为转子位置信息的矫正值，其值通过公式(1)计算得出，T为计算周期。

7.一种机器人用电机的控制方法，其特征在于，该方法适用于权利要求1至6任一项所述的机器人用电机的位置传感器误差矫正系统中，机器人用电机的控制方法包括以下步骤：

S1、检测机器人用电机的转子与定子之间的电磁强度信息转子位置信息，并将检测数据传递给位置矫正模块；

S2、数据处理单元对步骤S1中的检测信息进行处理，并存储；

S3、位置矫正单元，在每个矫正时刻，基于该矫正时刻对应的数据中存储的转子位置变量、磁场变量及时间变量，通过拟合的矫正曲线公式计算转子位置信息的矫正值；

S4、位置矫正单元将转子位置信息的矫正值传入类SVPWM模块中，类SVPWM模块利用公式(2)计算出控制MOS管驱动电路运动的PWM信号，对机器人用电机进行控制。

8.如权利要求7所述的机器人用电机的控制方法，其特征在于，

在步骤S3中，位置矫正单元计算转子位置信息的矫正值包括一下步骤：

S31、通过定子和转子之间的电磁强度信息、转子位置信息以及对应的检测时间得到矫正曲线；

S32、利用采集的转子位置信息、转子与定子的相对磁场强度信息、对应的时间对转子位置信息进行拟合，得到拟合的矫正曲线公式(1)；

S33、利用本次对应的转子位置信息、转子与定子的相对磁场强度信息、相对时间和本次拟合得到的拟合的矫正曲线公式(1)计算转子位置信息的矫正值ΔL。

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