无位置永磁无刷电机带载启动定位方法、装置和机器人

摘要

本发明提供了一种无位置永磁无刷电机带载启动定位方法、装置和机器人，所述方法包括以下步骤：给定逐级递增的d轴电流值和转子电角度，并实时判断转子是否发生转动；获取在转子发生转动时刻的当前d轴电流值和当前转子电角度；获取负载重力；根据当前d轴电流值和负载重力计算偏差角度；根据当前转子电角度和偏差角度计算转子的实际角度。本发明启动与定位可同时完成，能够提高程序启动效率，简单易于实现且定位精度较高，并且适用于机械臂等应用场合，通过软启动的方式在启动过程各关节没有明显的抖动。

权利要求

1.一种无位置永磁无刷电机带载启动定位方法，其特征在于，包括以下步骤：给定逐级递增的d轴电流值和转子电角度，并实时判断转子是否发生转动；

获取在所述转子发生转动时刻的当前d轴电流值和当前转子电角度；

获取负载重力；

根据所述当前d轴电流值和所述负载重力计算偏差角度；

根据所述当前转子电角度和所述偏差角度计算所述转子的实际角度，给定逐级递增的d轴电流值和转子电角度，并实时判断转子是否发生转动，具体包括：a、给定初始d轴电流值；

b、给定从0至360°逐级递增的转子电角度；

c、实时判断转子是否发生转动；

d、如果转子未发生转动，则增大给定的d轴电流值；

e：重复步骤b～d，直至转子发生转动。

2.根据权利要求1所述的无位置永磁无刷电机带载启动定位方法，其特征在于，通过光栅编码器判断转子是否发生转动。

3.根据权利要求1所述的无位置永磁无刷电机带载启动定位方法，其特征在于，通过机器人关节末端位置传感器获取所述负载重力。

4.一种无位置永磁无刷电机带载启动定位装置，其特征在于，包括：启动模块，所述启动模块用于给定逐级递增的d轴电流值和转子电角度，并实时判断转子是否发生转动；

电流角度获取模块，所述电流角度获取模块用于获取在所述转子发生转动时刻的当前d轴电流值和当前转子电角度；

重力获取模块，所述重力获取模块用于获取负载重力；

计算模块，所述计算模块用于根据所述当前d轴电流值和所述负载重力计算偏差角度，并根据所述当前转子电角度和所述偏差角度计算所述转子的实际角度，所述启动模块执行以下步骤：a、给定初始d轴电流值；

b、给定从0至360°逐级递增的转子电角度；

c、实时判断转子是否发生转动；

d、如果转子未发生转动，则增大给定的d轴电流值；

e：重复步骤b～d，直至转子发生转动。

5.根据权利要求4所述的无位置永磁无刷电机带载启动定位装置，其特征在于，所述启动模块通过光栅编码器判断转子是否发生转动。

6.根据权利要求4所述的无位置永磁无刷电机带载启动定位装置，其特征在于，所述重力获取模块包括机器人关节末端位置传感器。

7.一种机器人，其特征在于，包括根据权利要求4-6中任一项所述的无位置永磁无刷电机带载启动定位装置。

说明书

无位置永磁无刷电机带载启动定位方法、装置和机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人控制技术领域，具体涉及一种无位置永磁无刷电机带载启动定位方法、一种无位置永磁无刷电机带载启动定位装置和一种机器人。

背景技术

[0002] 永磁无刷直流电机拥有体积小、力矩大、动态响应快等优点使得其在伺服控制系统得到广泛的应用。在位置伺服控制系统中，永磁无刷直流电机转子位置的确定是非常重要的，如果位置确定错位，电机可能会出现堵转甚至失步飞车等危险，因此确定转子位置是控制系统的第一步，也是非常重要的一步。目前，旋转变压器和绝对式光电编码器等位置传感器是能够确定转子初始位置角，但是带来了成为的提升一级结构上面的扩大。对于机器人来说，关节没有较大的空间容纳旋转变压器。而增量式光电编码盘这样高精度的位置传感器断电后，不能保存位置信息，因此不能判断转子静止时的位置。目前无位置永磁同步电机转子初始位置的确定通常使用脉冲电压注入法以及通入AB两相电流，强迫转子永磁磁极与定子磁场对齐，来确定转子位置。这类方法适用于空载或轻载情况下转子初始位置的校正。而且在机器人关节上都会存在刹车片，以防止断电后，机械臂无法立住等问题。存在刹车片后，一个很大的问题就是启动时转子只能向一个方向运动，所以以上方式不适用于机械臂上的定位方法。对于增量码盘这样的位置传感器，测得的转子位置为相对位置，得不到其绝对位置。常用的方法是在驱动电机之前用将增量码盘的零位与电机零位对齐，这种方式增加了安装的难度。

发明内容

[0003] 本发明为解决目前永磁无刷直流电机转子定位难度大、不适用于机械臂电机的技术问题，提供了一种无位置永磁无刷电机带载启动定位方法、装置和机器人。

[0004] 本发明采用的技术方案如下：

[0005] 一种无位置永磁无刷电机带载启动定位方法，包括以下步骤：给定逐级递增的d轴电流值和转子电角度，并实时判断转子是否发生转动；获取在所述转子发生转动时刻的当前d轴电流值和当前转子电角度；获取负载重力；根据所述当前d轴电流值和所述负载重力计算偏差角度；根据所述当前转子电角度和所述偏差角度计算所述转子的实际角度。

[0006] 给定逐级递增的d轴电流值和转子电角度，并实时判断转子是否发生转动，具体包括：a、给定初始d轴电流值；b、给定从0至360°逐级递增的转子电角度；c、实时判断转子是否发生转动；d、如果转子未发生转动，则增大给定的d轴电流值；e：重复步骤b～d，直至转子发生转动。

[0007] 通过光栅编码器判断转子是否发生转动。

[0008] 通过机器人关节末端位置传感器获取所述负载重力。

[0009] 一种无位置永磁无刷电机带载启动定位装置，包括：启动模块，所述启动模块用于给定逐级递增的d轴电流值和转子电角度，并实时判断转子是否发生转动；电流角度获取模块，所述电流角度获取模块用于获取在所述转子发生转动时刻的当前d轴电流值和当前转子电角度；重力获取模块，所述重力获取模块用于获取负载重力；计算模块，所述计算模块用于根据所述当前d轴电流值和所述负载重力计算偏差角度，并根据所述当前转子电角度和所述偏差角度计算所述转子的实际角度。

[0010] 所述启动模块执行以下步骤：a、给定初始d轴电流值；b、给定从0至360°逐级递增的转子电角度；c、实时判断转子是否发生转动；d、如果转子未发生转动，则增大给定的d轴电流值；e：重复步骤b～d，直至转子发生转动。

[0011] 所述启动模块通过光栅编码器判断转子是否发生转动。

[0012] 所述重力获取模块包括机器人关节末端位置传感器。

[0013] 一种机器人，包括上述无位置永磁无刷电机带载启动定位装置。

[0014] 本发明的有益效果：

[0015] 本发明通过给定逐级递增的d轴电流值和转子电角度，并在转子发生转动时获取当前d轴电流值和当前转子电角度，然后根据当前d轴电流值和负载重力计算偏差角度，并根据当前转子电角度和偏差角度计算转子的实际角度，由此，启动与定位可同时完成，能够提高程序启动效率，简单易于实现且定位精度较高，并且适用于机械臂等应用场合，通过软启动的方式在启动过程各关节没有明显的抖动。

附图说明

[0016] 图1为本发明实施例的无位置永磁无刷电机带载启动定位方法的流程图；

[0017] 图2为本发明一个实施例的dq轴与αβ轴关系图示意图；

[0018] 图3为本发明一个实施例的转子定位偏差示意图；

[0019] 图4为本发明另一个实施例的电机受力分析示意图；

[0020] 图5为本发明一个具体实施例的无位置永磁无刷电机带载启动定位方法的流程图；

[0021] 图6为本发明实施例的无位置永磁无刷电机带载启动定位装置的方框示意图。

具体实施方式

[0022] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0023] 本发明实施例的无位置永磁无刷电机带载启动定位方法和装置优选适用于带有机械臂的机器人。

[0024] 如图1所示，本发明实施例的无位置永磁无刷电机带载启动定位方法，包括以下步骤：

[0025] S1，给定逐级递增的d轴电流值和转子电角度，并实时判断转子是否发生转动。

[0026] 步骤S1具体包括：a、给定初始d轴电流值；b、给定从0至360°逐级递增的转子电角度；c、实时判断转子是否发生转动；d、如果转子未发生转动，则增大给定的d轴电流值；e：重复步骤b～d，直至转子发生转动。

[0027] 其中，给定的初始d轴电流值较小，在电机带载时该电流值一般不能使电机成功启动。转子电角度、d轴电流值每次增大的量以及每个转子电角度下的通电时间可根据具体情况进行设置。

[0028] 在本发明的一个实施例中，可通过光栅编码器判断转子是否发生转动。如果光栅编码器的输出至变化一定值，则可判断转子发生转动。

[0029] S2，获取在转子发生转动时刻的当前d轴电流值和当前转子电角度。

[0030] 在转子发生转动的时刻，即电机启动成功的时刻，可获取并保存当前d轴电流值和当前转子电角度，此时可进行压刹车片操作。

[0031] S3，获取负载重力。

[0032] 应当理解的是，在空载状态下，给定较小的d轴电流值，即可带动转子转动，如图2所示，只要存在分力且没有刹车片的阻挡，转子最终会稳定在给定的位置，此位置即为转子位置，此时根据给定的转子电角度θ以及光栅编码器线数计算出光栅编码器值，并将此值写入到DSP的QEP(Quadrature Encoder Pulse，正交编码脉冲电路)模块初始值寄存器中，用于后续的计算。

[0033] 而在带载情况下，如图3所示，由于存在负载力矩，根据力矩分解，转子磁极始终无法与d轴重合，始终存在偏差角θ1，而给定d轴电流值和θ角度均在逐级递增，能够拉动转子转动的给定电流值越大，说明负载越大。

[0034] 在本发明的一个实施例中，可通过机器人关节末端位置传感器获取负载重力。其中，机器人关节末端位置传感器可为磁编码器，即在转子发生转动时刻，可根据磁编码器的值，计算出此时的重力负载大小。进一步地，可将机器人各个关节末端位置传感器值上传至机器人的整机控制器，整机控制器根据动力学方程可得到每个关节在启动时刻所受到的重力负载大小，然后通过通讯接口下发至各个关节。

[0035] S4，根据当前d轴电流值和负载重力计算偏差角度。

[0036] 由于α轴方相不一定与重力方向垂直，所以忽略α轴作出图4所示的受力分析图，根据图4可以得出关系式Fd'cosθ2＝G，即可以求得θ2的值。其中，Fd'可根据当前d轴电流值和电流与力矩的关系得到。进一步地，再根据关系式G·cos(90°-θ1-θ2)＝F sinθ1求出偏差角度θ1。

[0037] S5，根据当前转子电角度和偏差角度计算转子的实际角度。

[0038] 将给定的当前转子电角度θ与偏差角度θ1作差即可求得转子的实际角度。

[0039] 最后，将计算得到的实际角度反算成光栅编码器的值写入到QEP模块的初始值寄存器中，完成启动与定位操作。

[0040] 在本发明的一个具体实施例中，如图5所示，无位置永磁无刷电机带载启动定位方法可包括以下步骤：

[0041] S101，给定初始d轴电流值和初始角度0°。其中，d轴电流值可通过占空比形式给定，并以占空比形式进行大小的调整。

[0042] S102，调节占空比。电机输入占空比可根据d轴电流值和转子电角度，通过Park逆变换+SVPWM计算得到。

[0043] S103，判断位置是否偏移。即转子是否转动。

[0044] 如果否，则执行步骤S104；如果是，则执行步骤S105。

[0045] S104，判断是否有角度＞360°。

[0046] 如果是，则执行步骤S108；如果否，则执行步骤S109。。

[0047] S105，保存当前电流值和角度。

[0048] S106，计算重力。

[0049] S107，计算偏差角度和实际角度。该步骤后结束流程。

[0050] S108，Count++；角度清零；增加d轴电流给定。其中，Count为占空比递增数。该步骤后返回步骤S102。

[0051] S109，增加给定角度。给定角度的增量值可根据实际情况进行调整，增量值越小，最终的定位精度越高。

[0052] 根据本发明实施例的无位置永磁无刷电机带载启动定位方法，通过给定逐级递增的d轴电流值和转子电角度，并在转子发生转动时获取当前d轴电流值和当前转子电角度，然后根据当前d轴电流值和负载重力计算偏差角度，并根据当前转子电角度和偏差角度计算转子的实际角度，由此，启动与定位可同时完成，能够提高程序启动效率，方法简单易于实现且定位精度较高，并且适用于机械臂等应用场合，通过软启动的方式在启动过程各关节没有明显的抖动。

[0053] 对应上述实施例的无位置永磁无刷电机带载启动定位方法，本发明还提出一种无位置永磁无刷电机带载启动定位装置。

[0054] 如图6所示，本发明实施例的无位置永磁无刷电机带载启动定位装置，包括启动模块10、电流角度获取模块20、重力获取模块30和计算模块40。其中，启动模块10用于给定逐级递增的d轴电流值和转子电角度，并实时判断转子是否发生转动；电流角度获取模块20用于获取在转子发生转动时刻的当前d轴电流值和当前转子电角度；重力获取模块30用于获取负载重力；计算模块40用于根据当前d轴电流值和负载重力计算偏差角度，并根据当前转子电角度和偏差角度计算转子的实际角度。

[0055] 在本发明的一个实施例中，启动模块10可执行以下步骤：a、给定初始d轴电流值；b、给定从0至360°逐级递增的转子电角度；c、实时判断转子是否发生转动；d、如果转子未发生转动，则增大给定的d轴电流值；e：重复步骤b～d，直至转子发生转动。

[0056] 其中，给定的初始d轴电流值较小，在电机带载时该电流值一般不能使电机成功启动。转子电角度、d轴电流值每次增大的量以及每个转子电角度下的通电时间可根据具体情况进行设置。

[0057] 在本发明的一个实施例中，启动模块10可通过光栅编码器判断转子是否发生转动。如果光栅编码器的输出至变化一定值，则启动模块10可判断转子发生转动。

[0058] 在转子发生转动的时刻，即电机启动成功的时刻，电流角度获取模块20可获取并保存当前d轴电流值和当前转子电角度，此时可进行压刹车片操作。

[0059] 应当理解的是，在空载状态下，给定较小的d轴电流值，即可带动转子转动，如图2所示，只要存在分力且没有刹车片的阻挡，转子最终会稳定在给定的位置，此位置即为转子位置，此时根据给定的转子电角度θ以及光栅编码器线数计算出光栅编码器值，并将此值写入到DSP的QEP(Quadrature Encoder Pulse，正交编码脉冲电路)模块初始值寄存器中，用于后续的计算。

[0060] 而在带载情况下，如图3所示，由于存在负载力矩，根据力矩分解，转子磁极始终无法与d轴重合，始终存在偏差角θ1，而给定d轴电流值和θ角度均在逐级递增，能够拉动转子转动的给定电流值越大，说明负载越大。

[0061] 在本发明的一个实施例中，重力获取模块30包括机器人关节末端位置传感器。其中，机器人关节末端位置传感器可为磁编码器，即在转子发生转动时刻，重力获取模块30可根据磁编码器的值，计算出此时的重力负载大小。进一步地，机器人关节末端传感器值可上传至机器人的整机控制器，整机控制器根据动力学方程可得到每个关节在启动时刻所受到的重力负载大小，然后通过通讯接口下发至各个关节。

[0062] 由于α轴方相不一定与重力方向垂直，所以忽略α轴作出图4所示的受力分析图，根据图4可以得出关系式Fd'cosθ2＝G，计算模块40即可根据该关系式求得θ2的值。其中，Fd'可根据当前d轴电流值和电流与力矩的关系得到。进一步地，计算模块40再根据关系式G·cos(90°-θ1-θ2)＝F sinθ1求出偏差角度θ1。最后，计算模块40将给定的当前转子电角度θ与偏差角度θ1作差即可求得转子的实际角度。

[0063] 将计算得到的实际角度反算成光栅编码器的值写入到QEP模块的初始值寄存器中，完成启动与定位操作。

[0064] 根据本发明实施例的无位置永磁无刷电机带载启动定位装置，通过启动模块给定逐级递增的d轴电流值和转子电角度，并通过电流角度获取模块在转子发生转动时获取当前d轴电流值和当前转子电角度，计算模块可根据当前d轴电流值和负载重力计算偏差角度，并根据当前转子电角度和偏差角度计算转子的实际角度，由此，启动与定位可同时完成，能够提高程序启动效率，装置简单易于实现且定位精度较高，并且适用于机械臂等应用场合，通过软启动的方式在启动过程各关节没有明显的抖动。

[0065] 对应上述实施例的无位置永磁无刷电机带载启动定位装置，本发明还提出一种机器人。

[0066] 本发明实施例的机器人包括上述任一实施例的无位置永磁无刷电机带载启动定位装置，其具体实施方式可参照上述无位置永磁无刷电机带载启动定位方法和装置的实施例，在此不再赘述。

[0067] 根据本发明实施例的机器人，其电机的启动与定位可同时完成，能够提高程序启动效率，简单易于实现且定位精度较高，在启动过程各关节没有明显的抖动。

[0068] 在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0069] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0070] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0071] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0072] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。