帶編碼器的永磁同步電機

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

需求

無論是線性的還是鉸接式的機器人架構配置，大部分應用都要求高精度的機械臂運動。

因此，電機控制策略采用位置控制環(huán)路，其中實際位置由位置傳感器來捕獲，通常增量編碼器或絕對編碼器的分辨率都非常高。機器人系統(tǒng)的自由度(DOF)即移動關節(jié)數(shù)與所使用的電機數(shù)是相等的。結果是，DOF的值越高，每個電機的移動精度要求就越高，因為每個電機產(chǎn)生的位置誤差是相乘的。在這些種類的應用中，需要具有數(shù)以百萬計脈沖的編碼器。與焊接或銑削數(shù)控機床相比，沖孔或鉆孔數(shù)控機床的刀具夾的位置控制要求較低，因為焊接或銑削數(shù)控機床的關節(jié)運動必須精確地同步，以保持所需的運動軌跡。

概念

圖1所示的概念結構框圖顯示了一個簡單機器人系統(tǒng)的組成，這是一個銑削數(shù)控機床的例子。機床控制結構的頂層是數(shù)控機床主控制器，通常需要使用多內(nèi)核的MCU。 它必須執(zhí)行的任務和服務包括：

●人機界面/顯示器應當能夠輸入、顯示并編輯整個數(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，存儲數(shù)控控制程序、刀具校準和刀具補償參數(shù)，以及不同用戶的補償和其它設置。

●運動軸控制處理器解析數(shù)控程序并計算位置指令，將這些指令內(nèi)插到各種坐標系統(tǒng)，并將消息發(fā)送給指定的電機控制器。

從外圍設備要求角度來看，MCU應當能夠處理各種工業(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，無需特定的電機控制外設模塊。

電機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應用需求。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)行電機控制算法并處理特定驅動器的故障狀態(tài)。 電機控制算法包括位置、速度和電流（扭矩）控制環(huán)路的計算。

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必須有專用的電機控制外設模塊，包括一個6通道的PWM產(chǎn)生定時器、一個快速精確的模數(shù)轉換器以及一個處理編碼器信號的接口。

有時，數(shù)控機床的主控制器和電機控制MCU之間的通信通過光總線來實現(xiàn)，以確保惡劣、嘈雜環(huán)境下位置信息的準確傳遞。

底層為功率模塊，每個模塊驅動一個電機。這些還不包括具體的MCU邏輯，但能夠配備一個智能的IGBT或功率MOSFET驅動器，它可以進行故障保護和診斷功能。。功率模塊測量控制算法中所用的反饋信號（相電流、電壓），并通過快速通信接口傳送給電機控制MCU。

機器人系統(tǒng)通常包括必須由MCU控制的附加組件，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，需要主軸驅動控制。

基于飛思卡爾MCU的實現(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，頂層要求強勁的計算能力執(zhí)行多個任務，但它并不要求特定的電機控制外設。 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包括配備浮點單元的安全功能，具有高性能內(nèi)核，非常適合軌跡計算。

下列飛思卡爾系列提供專用電機控制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控制外設模塊，包括與ADC同步的PWM模塊。 但浮點單元是不需要的，因為內(nèi)核性能足以執(zhí)行矢量控制算法。