[发明专利]一种永磁同步电机伺服系统高精度定位的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机的高精度定位方法，方法简单，精度高。

背景技术

永磁交流电机根据驱动电源波形分为方波和正弦波，前者称为直流无刷电机，后者称为永磁同步电机。正弦波驱动永磁同步电机的电机转子采用永磁材料，定子绕组为对称多相正弦分布绕组。如果通以对称的多相交流电，会产生恒定的旋转磁场和平稳的电磁转矩。

伺服系统中位置伺服系统是最复杂的，因为对位置信号的响应进一步体现在速度和加速度的响应上，而且位置伺服最重要的是精确定位。由于永磁同步电机的功率密度高，效率高，动态响应快，定位精确等优点使得永磁同步电机作为交流伺服电机在位置伺服控制系统中已经日益受到广泛的重视和应用。永磁同步电机位置伺服系统由外部位置给定，位置传感器，电流传感器，电压源逆变器，三相永磁同步电机以及DSP控制器组成。DSP控制器完成检测信号的A/D转换，完成位置调节器，速度调节器，电流调节器以及逆变器驱动SVPWM信号计算，即采用位置环，速度环和电流环的三闭环控制方式。

齿轮传动作为最常用的机械传动机构，其中存在着许多非线性因素，齿隙就是其中不可忽略的一个因素，它既是机械传递过程正常进行不可缺少的一种非线性，同时也是影响系统动态性能和稳态精度的重要因素。齿轮啮合必须满足一定的齿隙最小间距才能保证不发生滞塞现象，而齿轮在加工中也存在一定的加工误差，随着使用时间的延长，齿轮磨损加大也会造成齿隙加大。齿隙的存在一方面对于存在可逆运转的传动装置造成了回差，引起具有滞环形式的非单值非线性。另一方面，系统也会因极限环振荡或冲击而降低性能甚至变得不稳定，并且齿轮刚性的碰撞将会产生严重的振荡和噪音。

另外，在永磁同步电机的三闭环控制中，位置的测量常使用精度高，线形度好的光电编码器，而速度则由位置信号经差分运算得到。常用的测速方法有M法，T法等。在电机的精确定位控制中，由于电机速度很低，采用M法测速时，一个甚至几个采样周期才能采进一个脉冲，由此速度的估计是很不准确的。而当电机速度较高时，光电编码器的脉冲周期很小，采用T法测速时计算一个分辨率单位的角度只能计入很少的时钟周期数，从而导致很低的速度分辨率。

综上所述，在永磁同步电机的高精度定位中，存在着研究齿隙所带来的非线性影响、消除齿隙所带来的影响以及实现电机的超低速精确定位的技术问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种能够高精度定位的永磁同步电机伺服系统，以解决现有技术的问题。

一种用于机器人关节的永磁同步电机伺服系统的定位方法，所述永磁同步电机伺服系统包括永磁同步电机、减速器、关节输出端、霍尔传感器、码盘、制动器、旋转变压器和正弦波驱动控制器，所述霍尔传感器用于电机初始定位方波驱动时检测电机的位置信息；所述码盘用于正弦波驱动时检测电机的位置信息和速度信息；所述制动器用于硬锁紧时电机的锁紧定位；所述旋转变压器用于检测关节的位置信息；所述定位方法使用位置环、速度环和电流环三闭环系统控制电流运转，其中所述方法包括如下步骤：

所述位置环的控制器不是采用传统的PID控制器，而是根据不同的关节位置误差给出不同的位置环输出值，即速度给定值；

当关节实际位置与期望位置越近，即位置误差越小时，速度给定值越小，使电机转动的越慢，直到位置误差达到定位精度要求；

在关节实际位置与期望位置的误差达到精度范围内时，提供软锁紧和硬锁紧两种定位方式：软锁紧方式为使位置调节器的输出为零，即速度给定值为零，从而使电机立即停止转动；硬锁紧方式为当位置误差达到精度要求时，使用关节控制器输出给制动器一个电平信号，利用制动器锁紧，使电机立即停止转动。

优选地，所述速度环和电流环的控制器采用PID控制方法。

优选地，所述电机的速度检测传感器使用码盘，所述检测电机的速度信息包括：在对反映转速ω的码盘输出脉冲个数m₁计数的同时，对反映测速时间的时基脉冲个数m₂也进行计数；在测速时间T_c内，测得电机转速平均值为：