帶編碼器的永磁同步電機(jī)

機(jī)器人已經(jīng)開始在工廠自動(dòng)化處理中發(fā)揮著重要的作用，它們代替工人進(jìn)行焊接、涂裝、裝配、切割、碼垛堆積，和機(jī)器可以更經(jīng)濟(jì)、更快速和更準(zhǔn)確完成的一些常規(guī)操作。本文從電機(jī)控制角度重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)描述和需求。

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，電機(jī)控制策略采用位置控制環(huán)路，其中實(shí)際位置由位置傳感器來(lái)捕獲，通常增量編碼器或絕對(duì)編碼器的分辨率都非常高。機(jī)器人系統(tǒng)的自由度(DOF)即移動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)與所使用的電機(jī)數(shù)是相等的。結(jié)果是，DOF的值越高，每個(gè)電機(jī)的移動(dòng)精度要求就越高，因?yàn)槊總€(gè)電機(jī)產(chǎn)生的位置誤差是相乘的。在這些種類的應(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，以保持所需的運(yùn)動(dòng)軌跡。

概念

圖1所示的概念結(jié)構(gòu)框圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單機(jī)器人系統(tǒng)的組成，這是一個(gè)銑削數(shù)控機(jī)床的例子。機(jī)床控制結(jié)構(gòu)的頂層是數(shù)控機(jī)床主控制器，通常需要使用多內(nèi)核的MCU。 它必須執(zhí)行的任務(wù)和服務(wù)包括：

●人機(jī)界面/顯示器應(yīng)當(dāng)能夠輸入、顯示并編輯整個(gè)數(shù)控程序。

●系統(tǒng)管理器監(jiān)控并指揮其它MCU，處理系統(tǒng)異常情況和中斷信號(hào)，存儲(chǔ)數(shù)控控制程序、刀具校準(zhǔn)和刀具補(bǔ)償參數(shù)，以及不同用戶的補(bǔ)償和其它設(shè)置。

●運(yùn)動(dòng)軸控制處理器解析數(shù)控程序并計(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)送給指定的電機(jī)控制器。

從外圍設(shè)備要求角度來(lái)看，MCU應(yīng)當(dāng)能夠處理各種工業(yè)通信協(xié)議，并包含一片大容量的片內(nèi)內(nèi)存。另一方面，無(wú)需特定的電機(jī)控制外設(shè)模塊。

電機(jī)控制層的需求與上層不同。使用單顆MCU可能不會(huì)滿足每種情況下的應(yīng)用需求。這可能需要一顆額外的監(jiān)控安全的MCU。除了通信外，主MCU執(zhí)行電機(jī)控制算法并處理特定驅(qū)動(dòng)器的故障狀態(tài)。 電機(jī)控制算法包括位置、速度和電流（扭矩）控制環(huán)路的計(jì)算。

片上非易失性內(nèi)存的最佳大小在數(shù)十KB范圍內(nèi)，且MCU必須有專用的電機(jī)控制外設(shè)模塊，包括一個(gè)6通道的PWM產(chǎn)生定時(shí)器、一個(gè)快速精確的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)處理編碼器信號(hào)的接口。

有時(shí)，數(shù)控機(jī)床的主控制器和電機(jī)控制MCU之間的通信通過(guò)光總線來(lái)實(shí)現(xiàn)，以確保惡劣、嘈雜環(huán)境下位置信息的準(zhǔn)確傳遞。

底層為功率模塊，每個(gè)模塊驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)。這些還不包括具體的MCU邏輯，但能夠配備一個(gè)智能的IGBT或功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，它可以進(jìn)行故障保護(hù)和診斷功能。。功率模塊測(cè)量控制算法中所用的反饋信號(hào)（相電流、電壓），并通過(guò)快速通信接口傳送給電機(jī)控制MCU。

機(jī)器人系統(tǒng)通常包括必須由MCU控制的附加組件，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，需要主軸驅(qū)動(dòng)控制。

基于飛思卡爾MCU的實(shí)現(xiàn)

控制鏈的每一層都可以配備飛思卡爾MCU產(chǎn)品。

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)，但它并不要求特定的電機(jī)控制外設(shè)。 飛思卡爾32位解決方案產(chǎn)品組合提供多種選擇，滿足這一需求：

●基于單核或雙核ARM Cortex-A5/ Cortex-M4的Vybrid控制器解決方案
●基于Power Architecture內(nèi)核的雙核PXS20 MCU
●基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的Kinetis K70 MCU

這些MCU包括配備浮點(diǎn)單元的安全功能，具有高性能內(nèi)核，非常適合軌跡計(jì)算。

下列飛思卡爾系列提供專用電機(jī)控制MCU：

●基于56800EX內(nèi)核的MC56F84xxx，32位/100 MHz DSC
●基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的Kinetis K40、K60 MCU

這些解決方案有專用電機(jī)控制外設(shè)模塊，包括與ADC同步的PWM模塊。 但浮點(diǎn)單元是不需要的，因?yàn)閮?nèi)核性能足以執(zhí)行矢量控制算法。