機(jī)器人在實(shí)際工作中對(duì)位置精度的要求很高，高的位置精度是機(jī)器人智能化的體現(xiàn)，那么和機(jī)器人位置精度控制相關(guān)的技術(shù)有哪些呢，一起來(lái)看下吧！

　　永磁同步馬達(dá)(PMSM)通常用于高效能、低功耗的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。高效能馬達(dá)控制的特征為可在整個(gè)速度范圍內(nèi)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，零速度時(shí)有完全的扭矩 (Torque)控制，且能達(dá)到快速加速和減速。為了達(dá)到上述要求，PMSM采用向量控制技術(shù)，該技術(shù)通常還被稱為磁場(chǎng)定向控制(FOC)技術(shù)。向量控制演算法的基本思路是將一個(gè)定子電流分解為磁場(chǎng)生成的分量和扭矩生成的分量，分解后，這兩個(gè)分量能單獨(dú)進(jìn)行控制；而馬達(dá)控制器(亦即向量控制控制器)的結(jié)構(gòu)幾乎與一個(gè)他勵(lì)直流馬達(dá)(DCMotor)相同，這樣便簡(jiǎn)化了PMSM的控制程序。

　　一、扭矩生成定理

　　PMSM的電磁扭矩分別由定子及轉(zhuǎn)子兩個(gè)磁場(chǎng)交互作用生成。定子磁場(chǎng)由磁通量或定子電流表示，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由恒定的永久磁鐵(弱磁情況除外)的磁通量表示。 若將這兩個(gè)磁場(chǎng)比喻為兩個(gè)條形磁鐵，則可以想像當(dāng)磁鐵互相垂直時(shí)，吸引/排斥磁鐵的力是最大的。這意味著，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該要依此定理控制定子電流，也就是要 創(chuàng)建垂直于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定子向量。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，也就必須更新定子電流，使定子磁通向量與轉(zhuǎn)子磁鐵保持90度垂直。

　　當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)垂直時(shí)，內(nèi)嵌式PMSM的電磁扭矩方程式為：扭矩=33ppPMIqs(pp為磁極對(duì)的數(shù)目，PM為永久磁鐵的磁通，Iqs則為交軸的電流幅值。)當(dāng)磁場(chǎng)垂直 時(shí)，電磁扭矩與q軸電流的幅值成正比。微控制器(MCU)須調(diào)節(jié)定子相電流強(qiáng)度，同時(shí)調(diào)節(jié)相位/角度，但這不像直流馬達(dá)控制那樣容易達(dá)成。

　　簡(jiǎn)化電流控制創(chuàng)造最佳FOC效能

　　直流馬達(dá)控制很簡(jiǎn)單，因?yàn)槠渌惺芸氐牧慷际欠€(wěn)定狀態(tài)的直流電(DC)值，而且電流相位/角度受機(jī)械換向器的控制；但在PMSM領(lǐng)域中，要如何才能實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制技術(shù)？

　　二、DC值/角度控制

　　首先，須知道轉(zhuǎn)子的位置，其常常與A相有關(guān)。我們可使用絕對(duì)位置感測(cè)器(如解析器)或相對(duì)位置感測(cè)器(如編碼器)，并處理所謂的「對(duì)齊」。對(duì)齊過(guò)程中， 將轉(zhuǎn)子與A相軸線對(duì)齊，如此一來(lái)A相軸線與直軸(勵(lì)磁分量所在軸)就對(duì)齊。在這種狀態(tài)中，轉(zhuǎn)子位置設(shè)為0；亦即，構(gòu)建靜態(tài)電壓向量，令所需的電壓在d軸， 位置設(shè)為0，這導(dǎo)致定子磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子，并將直軸與A相軸線對(duì)齊。三相量可通過(guò)Clarke變換轉(zhuǎn)換成等效的二相量。接著，再透過(guò)Park變換將兩相靜止參 照系中的量轉(zhuǎn)換成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，這期間要用到轉(zhuǎn)子位置。

　　轉(zhuǎn)子的電氣位置是轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置再乘以極對(duì)數(shù)pp。經(jīng)過(guò)一系列控制之后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在馬達(dá)端子上生成三相交流電壓，因此所需/生成電壓的直流值應(yīng)當(dāng)通過(guò)反Park/Clarke變換進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　三、幅值控制

　　所有變數(shù)現(xiàn)在都是直流值，可以輕松控制，但是要如何控制它們的幅值呢？對(duì)于幅值控制，建議使用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的PI控制器，且可以像直流馬達(dá)那樣控制許多狀態(tài)量，如相電流(扭矩環(huán))、轉(zhuǎn)速和位置。

　　四、FOC步驟

　　首先，須測(cè)量馬達(dá)的相電流，并使用Clarke變換將它們轉(zhuǎn)換為兩相系統(tǒng)，及計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角；接著，再使用Park變換將定子電流轉(zhuǎn)換為d、q坐標(biāo)系統(tǒng) 上；此時(shí)，定子電流扭矩(isq)分量和磁通量(isd)生成分量由控制器單獨(dú)控制；最后，透過(guò)逆向Park變換，輸出定子電壓空間向量從d、q坐標(biāo)系轉(zhuǎn) 換回兩相靜止坐標(biāo)系，并使用空間向量調(diào)制，生成三相輸出電壓。

　　五、無(wú)感測(cè)器控制

　　設(shè)計(jì)人員需要轉(zhuǎn)子的位置資訊，才能高效地控制永磁同步馬達(dá)，然而在一些應(yīng)用中于傳動(dòng)軸上安裝轉(zhuǎn)子位置感測(cè)器，會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的耐用性和可靠性。因此，設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)不是使用這個(gè)機(jī)械感測(cè)器直接測(cè)量位置，而是利用一些間接的技術(shù)估算轉(zhuǎn)子位置。

　　低速時(shí)，須高頻率注入或開環(huán)啟動(dòng)(效率不高)等特殊技術(shù)來(lái)啟動(dòng)馬達(dá)并使之達(dá)到某一個(gè)轉(zhuǎn)速，在這個(gè)轉(zhuǎn)速下對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)已足夠。通常，5%的基本速度足以使無(wú)感測(cè)器模式正常運(yùn)行。

　　中/高速時(shí)，使用d/q參照系中的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器。內(nèi)部脈寬調(diào)變(PWM)頻率和控制環(huán)路頻率必需夠高，才能獲得合理數(shù)量的相電流和直流母線電壓的樣 本。反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器的計(jì)算要求乘累加、除法、正弦/余弦(sin/cos)、開方等數(shù)學(xué)計(jì)算，適合使用基于安謀國(guó)際(ARM)內(nèi)核的KinetisMCU 或PowerArchitecture系列的數(shù)位訊號(hào)控制器(DSC)。

　　六、弱磁控制

　　超過(guò)馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速的作業(yè)要求，PWM逆變器提供的輸出電壓高于直流母線電壓所限制的 輸出能力。要克服速度限制，可實(shí)施弱磁演算法。負(fù)的d軸給定電流將提高速度范圍，但由于定子電流的限制，可得到的最大扭矩會(huì)相對(duì)地降低。在同樣的直流母線 電壓限制下，控制d軸電流可以起到弱化轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的效果，這降低了反電動(dòng)勢(shì)電壓，允許更高的定子電流流入馬達(dá)。

　　七、PMSM/MCU相輔相成提升工業(yè)機(jī)器人自由度

　　機(jī)器人已開始在工廠自動(dòng)化處理中發(fā)揮著重要作用，其代替工人進(jìn)行焊接、涂裝、裝配等可藉由機(jī)器人達(dá)到更經(jīng)濟(jì)、快速和準(zhǔn)確完成標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)作業(yè)。以下將從馬達(dá)控制角度介紹系統(tǒng)描述和需求。

　　無(wú)論是線性的還是鉸接式的機(jī)器人架構(gòu)配置，大部分應(yīng)用都要求高精度的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。因此，馬達(dá)控制策略采用位置控制環(huán)路，其中實(shí)際位置由位置感測(cè)器捕獲， 通常增量編碼器或絕對(duì)編碼器的解析度都非常高。機(jī)器人系統(tǒng)的自由度(DOF)，即移動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)與所使用的馬達(dá)數(shù)是相等的，因此DOF的值越高，每個(gè)馬達(dá)的位 移精準(zhǔn)度要求就越高，因?yàn)槊總€(gè)馬達(dá)產(chǎn)生的位置誤差是相乘的。在這些應(yīng)用中，需要具有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)脈沖的編碼器。與焊接或銑削數(shù)控機(jī)床相比，沖孔或鉆孔數(shù)控機(jī) 床的刀具夾的位置控制要求較低，因?yàn)楹附踊蜚娤鲾?shù)控機(jī)床的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)必須精確地同步進(jìn)行，才能保持所需的運(yùn)動(dòng)軌跡。

　　以銑削數(shù)控機(jī)床的例子 而言，機(jī)床控制結(jié)構(gòu)的頂層是數(shù)控機(jī)床主控制器，通常須要使用多內(nèi)核的MCU，它必須執(zhí)行的任務(wù)和服務(wù)，包括人機(jī)介面/顯示器應(yīng)當(dāng)能夠輸入、顯示并編輯整個(gè) 數(shù)控程式；系統(tǒng)管理器監(jiān)控并指揮其他MCU，處理系統(tǒng)異常情況和中斷訊號(hào)，存儲(chǔ)數(shù)控控制程式、刀具校準(zhǔn)和刀具補(bǔ)償參數(shù)，以及不同用戶的補(bǔ)償和其他設(shè)置；以 及運(yùn)動(dòng)軸控制處理器解析數(shù)控程式并計(jì)算位置指令，將這些指令內(nèi)插到各種坐標(biāo)系統(tǒng)，并將消息發(fā)送給指定的馬達(dá)控制器。

　　從周邊設(shè)備要求來(lái)看，MCU應(yīng)當(dāng)能夠處理各種工業(yè)通訊協(xié)議，包含大容量的片內(nèi)記憶體且無(wú)需特定的馬達(dá)控制外設(shè)模組。

　　馬達(dá)控制層的需求與上層不同。使用單顆MCU可能不會(huì)滿足每種情況下的需求，因此需要一顆額外監(jiān)控安全的MCU。除通訊外，主MCU執(zhí)行馬達(dá)控制演算法并處理特定驅(qū)動(dòng)器的故障狀態(tài)。

　　馬達(dá)控制演算法包括位置/速度/電流(扭矩)控制環(huán)路的計(jì)算。片上非易失性記憶體的最佳大小在數(shù)十KB范圍內(nèi)，且MCU必需有專用的馬達(dá)控制周邊模組，包括六通道的PWM產(chǎn)生計(jì)時(shí)器、快速精確的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及處理編碼器訊號(hào)的介面。

　　有時(shí)，數(shù)控機(jī)床的主控制器和馬達(dá)控制MCU之間的通訊透過(guò)光纖匯流排來(lái)實(shí)現(xiàn)，以確保惡劣、嘈雜環(huán)境下位置資訊能夠準(zhǔn)確傳遞。馬達(dá)控制MCU底層為功率模 組，每個(gè)模組驅(qū)動(dòng)一個(gè)馬達(dá)。這些還不包括具體的MCU邏輯，但能夠配備一個(gè)智慧的絕緣閘雙極性電晶體(IGBT)或功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體 (MOSFET)驅(qū)動(dòng)器，它可以進(jìn)行故障保護(hù)和診斷功能。功率模組測(cè)量控制演算法中所用的回饋訊號(hào)(相電流、電壓)，并通過(guò)快速通訊介面?zhèn)魉徒o馬達(dá)控制 MCU。

　　機(jī)器人系統(tǒng)通常包含必須由MCU控制的附加元件，如自動(dòng)換刀裝置和刀具冷卻控制，或者在數(shù)控車床情況中，須要主軸驅(qū)動(dòng)控制。如 上所述，頂層要求強(qiáng)勁的計(jì)算能力執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，但并不要求特定的馬達(dá)控制周邊。目前已有廠商提供多種32位元解決方案產(chǎn)品組合，如基于單核或雙核 Cortex-A5/Cortex-M4的Vybrid控制器解決方案，或基于Cortex-M4內(nèi)核的KinetisK70MCU，以滿足上述設(shè)計(jì)需 求。這些解決方案有專用馬達(dá)控制周邊模組，包括與ADC同步的PWM模組，但浮點(diǎn)單元是不需要的，因?yàn)閮?nèi)核性能足以執(zhí)行向量控制演算法。