機(jī)器人在實際工作中對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。高效能馬達(dá)控制的特征為可在整個速度范圍內(nèi)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，零速度時有完全的扭矩 (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)通常還被稱為磁場定向控制(FOC)技術(shù)。向量控制演算法的基本思路是將一個定子電流分解為磁場生成的分量和扭矩生成的分量，分解后，這兩個分量能單獨(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)幾乎與一個他勵直流馬達(dá)(DCMotor)相同，這樣便簡化了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)子兩個磁場交互作用生成。定子磁場由磁通量或定子電流表示，轉(zhuǎn)子磁場由恒定的永久磁鐵(弱磁情況除外)的磁通量表示。 若將這兩個磁場比喻為兩個條形磁鐵，則可以想像當(dāng)磁鐵互相垂直時，吸引/排斥磁鐵的力是最大的。這意味著，設(shè)計人員應(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)子磁場的定子向量。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，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)子磁場垂直時，內(nèi)嵌式PMSM的電磁扭矩方程式為：扭矩=33ppPMIqs(pp為磁極對的數(shù)目，PM為永久磁鐵的磁通，Iqs則為交軸的電流幅值。)當(dāng)磁場垂直 時，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。

　　簡化電流控制創(chuàng)造最佳FOC效能

　　直流馬達(dá)控制很簡單，因為其所有受控的量都是穩(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，要如何才能實現(xiàn)磁場定向控制技術(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)。我們可使用絕對位置感測器(如解析器)或相對位置感測器(如編碼器)，并處理所謂的「對齊」。對齊過程中， 將轉(zhuǎn)子與A相軸線對齊，如此一來A相軸線與直軸(勵磁分量所在軸)就對齊。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)致定子磁場吸引轉(zhuǎn)子，并將直軸與A相軸線對齊。三相量可通過Clarke變換轉(zhuǎn)換成等效的二相量。接著，再透過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)械位置再乘以極對數(shù)pp。經(jīng)過一系列控制之后，設(shè)計人員應(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？對于幅值控制，建議使用級聯(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，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、無感測器控制

　　設(shè)計人員需要轉(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)用中于傳動軸上安裝轉(zhuǎn)子位置感測器，會降低整個系統(tǒng)的耐用性和可靠性。因此，設(shè)計人員的目標(biāo)不是使用這個機(jī)械感測器直接測量位置，而是利用一些間接的技術(shù)估算轉(zhuǎn)子位置。

　　低速時，須高頻率注入或開環(huán)啟動(效率不高)等特殊技術(shù)來啟動馬達(dá)并使之達(dá)到某一個轉(zhuǎn)速，在這個轉(zhuǎn)速下對于反電動勢觀測器來說，反電動勢已足夠。通常，5%的基本速度足以使無感測器模式正常運(yùn)行。

　　中/高速時，使用d/q參照系中的反電動勢觀測器。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。反電動勢觀測器的計算要求乘累加、除法、正弦/余弦(sin/cos)、開方等數(shù)學(xué)計算，適合使用基于安謀國際(ARM)內(nèi)核的KinetisMCU 或PowerArchitecture系列的數(shù)位訊號控制器(DSC)。

　　六、弱磁控制

　　超過馬達(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相對地降低。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)子磁場的效果，這降低了反電動勢電壓，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。因此，馬達(dá)控制策略采用位置控制環(huán)路，其中實際位置由位置感測器捕獲， 通常增量編碼器或絕對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，每個馬達(dá)的位 移精準(zhǔn)度要求就越高，因為每個馬達(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)以百萬計脈沖的編碼器。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，因為焊接或銑削數(shù)控機(jī)床的關(guān)節(jié)運(yùn)動必須精確地同步進(jìn)行，才能保持所需的運(yùn)動軌跡。

　　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 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，存儲數(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)動軸控制處理器解析數(shù)控程式并計算位置指令，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)生計時器、快速精確的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及處理編碼器訊號的介面。

　　有時，數(shù)控機(jī)床的主控制器和馬達(dá)控制MCU之間的通訊透過光纖匯流排來實現(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，每個模組驅(qū)動一個馬達(dá)。這些還不包括具體的MCU邏輯，但能夠配備一個智慧的絕緣閘雙極性電晶體(IGBT)或功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體 (MOSFET)驅(qū)動器，它可以進(jìn)行故障保護(hù)和診斷功能。功率模組測量控制演算法中所用的回饋訊號(相電流、電壓)，并通過快速通訊介面?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)動控制。如 上所述，頂層要求強(qiáng)勁的計算能力執(zhí)行多個任務(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，但浮點單元是不需要的，因為內(nèi)核性能足以執(zhí)行向量控制演算法。