帶編碼器的永磁同步電機

機器人已經(jīng)開(kāi)始在工廠(chǎng)自動(dòng)化處理中發(fā)揮著(zhù)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，和機器可以更經(jīng)濟、更快速和更準確完成的一些常規操作。本文從電機控制角度重點(diǎn)介紹了系統描述和需求。

需求

無(wú)論是線(xiàn)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(dòng)。

因此，電機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編碼器的分辨率都非常高。機器人系統的自由度(DOF)即移動(dòng)關(guān)節數與所使用的電機數是相等的。結果是，DOF的值越高，每個(gè)電機的移動(dòng)精度要求就越高，因為每個(gè)電機產(chǎn)生的位置誤差是相乘的。在這些種類(lèi)的應用中，需要具有數以百萬(wàn)計脈沖的編碼器。與焊接或銑削數控機床相比，沖孔或鉆孔數控機床的刀具夾的位置控制要求較低，因為焊接或銑削數控機床的關(guān)節運動(dòng)必須精確地同步，以保持所需的運動(dòng)軌跡。

概念

圖1所示的概念結構框圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單機器人系統的組成，這是一個(gè)銑削數控機床的例子。機床控制結構的頂層是數控機床主控制器，通常需要使用多內核的MCU。 它必須執行的任務(wù)和服務(wù)包括：

●人機界面/顯示器應當能夠輸入、顯示并編輯整個(gè)數控程序。

●系統管理器監控并指揮其它MCU，處理系統異常情況和中斷信號，存儲數控控制程序、刀具校準和刀具補償參數，以及不同用戶(hù)的補償和其它設置。

●運動(dòng)軸控制處理器解析數控程序并計算位置指令，將這些指令內插到各種坐標系統，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(lái)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內存。另一方面，無(wú)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(huì )滿(mǎn)足每種情況下的應用需求。這可能需要一顆額外的監控安全的MCU。除了通信外，主MCU執行電機控制算法并處理特定驅動(dòng)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?xún)却娴淖罴汛笮≡跀凳甂B范圍內，且MCU必須有專(zhuān)用的電機控制外設模塊，包括一個(gè)6通道的PWM產(chǎn)生定時(shí)器、一個(gè)快速精確的模數轉換器以及一個(gè)處理編碼器信號的接口。

有時(shí)，數控機床的主控制器和電機控制MCU之間的通信通過(guò)光總線(xiàn)來(lái)實(shí)現，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(gè)模塊驅動(dòng)一個(gè)電機。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驅動(dòng)器，它可以進(jìn)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(guò)快速通信接口傳送給電機控制MCU。

機器人系統通常包括必須由MCU控制的附加組件，如自動(dòng)換刀裝置和刀具冷卻控制，或者在數控車(chē)床情況中，需要主軸驅動(dòng)控制。

基于飛思卡爾MCU的實(shí)現

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行多個(gè)任務(wù)，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(mǎn)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內核的雙核PXS20 MCU
●基于A(yíng)RM Cortex-M4內核的Kinetis K70 MCU

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

下列飛思卡爾系列提供專(zhuān)用電機控制MCU：

●基于56800EX內核的MC56F84xxx，32位/100 MHz DSC
●基于A(yíng)RM Cortex-M4內核的Kinetis K40、K60 MCU

這些解決方案有專(zhuān)用電機控制外設模塊，包括與ADC同步的PWM模塊。 但浮點(diǎn)單元是不需要的，因為內核性能足以執行矢量控制算法。