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面向工业控制应用的伺服机器人:带编码器的永磁同步电机
作者:飞思卡尔
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工业机器人展厅
大负载机器人, 直角坐标机器人, 机械手, ...
机器人已经开始在工厂自动化处理中发挥着重要的作用,它们代替工人进行焊接、涂装、装配、切割、码垛堆积,和机器可以更经济、更快速和更准确完成的一些常规操作。本文从电机控制角度重点介绍了系统描述和需求。

需求

无论是线性的还是铰接式的机器人架构配置,大部分应用都要求高精度的机械臂运动。

因此,电机控制策略采用位置控制环路,其中实际位置由位置传感器来捕获,通常增量编码器或绝对编码器的分辨率都非常高。机器人系统的自由度(DOF)即移动关节数与所使用的电机数是相等的。结果是,DOF的值越高,每个电机的移动精度要求就越高,因为每个电机产生的位置误差是相乘的。在这些种类的应用中,需要具有数以百万计脉冲的编码器。与焊接或铣削数控机床相比,冲孔或钻孔数控机床的刀具夹的位置控制要求较低,因为焊接或铣削数控机床的关节运动必须精确地同步,以保持所需的运动轨迹。

newmaker.com

概念

图1所示的概念结构框图显示了一个简单机器人系统的组成,这是一个铣削数控机床的例子。机床控制结构的顶层是数控机床主控制器,通常需要使用多内核的MCU。 它必须执行的任务和服务包括:

人机界面/显示器应当能够输入、显示并编辑整个数控程序。

●系统管理器监控并指挥其它MCU,处理系统异常情况和中断信号,存储数控控制程序、刀具校准和刀具补偿参数,以及不同用户的补偿和其它设置。

●运动轴控制处理器解析数控程序并计算位置指令,将这些指令内插到各种坐标系统,并将消息发送给指定的电机控制器。

从外围设备要求角度来看,MCU应当能够处理各种工业通信协议,并包含一片大容量的片内内存。另一方面,无需特定的电机控制外设模块。

电机控制层的需求与上层不同。使用单颗MCU可能不会满足每种情况下的应用需求。这可能需要一颗额外的监控安全的MCU。除了通信外,主MCU执行电机控制算法并处理特定驱动器的故障状态。 电机控制算法包括位置、速度和电流(扭矩)控制环路的计算。

片上非易失性内存的最佳大小在数十KB范围内,且MCU必须有专用的电机控制外设模块,包括一个6通道的PWM产生定时器、一个快速精确的模数转换器以及一个处理编码器信号的接口。

有时,数控机床的主控制器和电机控制MCU之间的通信通过光总线来实现,以确保恶劣、嘈杂环境下位置信息的准确传递。

底层为功率模块,每个模块驱动一个电机。这些还不包括具体的MCU逻辑,但能够配备一个智能的IGBT或功率MOSFET驱动器,它可以进行故障保护和诊断功能。。功率模块测量控制算法中所用的反馈信号(相电流、电压),并通过快速通信接口传送给电机控制MCU。

机器人系统通常包括必须由MCU控制的附加组件,如自动换刀装置和刀具冷却控制,或者在数控车床情况中,需要主轴驱动控制。

基于飞思卡尔MCU的实现

控制链的每一层都可以配备飞思卡尔MCU产品。

如上所述,顶层要求强劲的计算能力执行多个任务,但它并不要求特定的电机控制外设。 飞思卡尔32位解决方案产品组合提供多种选择,满足这一需求:

●基于单核或双核ARM Cortex-A5/ Cortex-M4的Vybrid控制器解决方案
●基于Power Architecture内核的双核PXS20 MCU
●基于ARM Cortex-M4内核的Kinetis K70 MCU

这些MCU包括配备浮点单元的安全功能,具有高性能内核,非常适合轨迹计算。

下列飞思卡尔系列提供专用电机控制MCU:

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

这些解决方案有专用电机控制外设模块,包括与ADC同步的PWM模块。 但浮点单元是不需要的,因为内核性能足以执行矢量控制算法。

飞思卡尔支持工具

如需电机控制的参考设计、应用笔记和嵌入式软件库等其它信息,敬请访问freescale.com.cn/motorcontrol。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2014-8-25)
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