一种电动关节驱动器电流可调式重构方法及系统与流程

本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种电动关节驱动器电流可调式重构方法。

背景技术

在机器人、机械臂、机械狗等领域，电动关节作为核心部组件越来越向小型化轻量化的方向发展。核心部组件作为关键器件影响着机器人整体的控制效果。由于需要对电动关节实施高精度，高稳定性控制，通常采用矢量控制技术，该技术的关键点是确保电流高精度采样以及能最大化的提高PWM波形的占空比。为了达到该设计理念，在硬件上通常搭配片外高精度AD转换芯片，以及在软件上通过可重构的设计理念尽可能高的优化PWM输出效率。

相电流的准确度保证了电机控制算法的顺利运行，由于电机的三相电流满足基尔霍夫定律，理论上只需要采样其中的两路电流值即可简单的重构出第三路电流的大小，所以在相对经济的场合下使用双路电流传感器甚至一路传感器来估算其余相的电流，但是简单的通过相加减的方式重构电流，并不能满足电机的精度控制，所以在要求不高的场合可以使用这种方法。如果不采用特殊的软件算法处理，又需要保证控制精度时，只能采取降低功率管的开关频率，扩大电流采样区域，确保电流满足重构的条件，但这样降低了相电压的有效值，使得电机无法高效率运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电动关节驱动器电流可调式重构方法，以解决目前电流采样精度差、永磁同步电机过调制效果差，电机利用率低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电动关节驱动器电流可调式重构方法，用于控制电机的运行电流，包括以下步骤：

S1：确定控制所述电机的PWM信号的最大PWM占空比；

S2：确定所述电机每一相的PWM占空比，并判断所述电机的三相中PWM占空比小于所述最大PWM占空比的相数；

S3：当所述电机的三相PWM占空比均小于所述最大PWM占空比时，对所述电机的每一相的相电流进行采集，得到各相的相电流；当所述电机只有一相的PWM占空比大于所述最大PWM占空比时，对小于所述最大PWM占空比的两相的相电流进行采集，得到该两相的相电流，并通过采集到的该两相的相电流重构出该一相的相电流；当所述电机有两相的PWM占空比大于所述最大PWM占空比时，将大于所述最大PWM占空比的两相中的一相设置为被补偿相，计算偏置值，对所述被补偿相进行偏置值补偿后，重复步骤S2其中，当所述被补偿相进行偏置值补偿后，所述被补偿相的PWM占空比不大于最大PWM占空比。

进一步地，在上述的一种电动关节驱动器电流可调式重构方法中，所述被补偿相为大于所述最大PWM占空比的两相中PWM占空比较小的一相。

进一步地，在上述的一种电动关节驱动器电流可调式重构方法中，所述偏置值为最大PWM占空比与所述被补偿相的PWM占空比之间的差值。

进一步地，在上述的一种电动关节驱动器电流可调式重构方法中，在重复步骤S2之前，所述S3还包括：当需要对所述被补偿相进行偏置值补偿时，对未被补偿的两相也进行偏置值补偿。

进一步地，在上述的一种电动关节驱动器电流可调式重构方法中，利用基尔霍夫电流定律，通过采集到的两相的相电流重构出剩余的一相的相电流。

进一步地，在上述的一种电动关节驱动器电流可调式重构方法中，步骤S1包括：基于所述电机的PWM信号的周期和所述电机的每一相的最小电流采样时间得出最大PWM占空比；当所述电机的某相PWM信号处于所述最大PWM占空比时，在一个所述电机的PWM信号的周期内所述电机的PWM信号处于低电平时间等于该相的最小电流采样时间。

进一步地，在上述的一种电动关节驱动器电流可调式重构方法中，所述最小电流采样时间由采集所述电机的相电流的电流采样信号调理模块中的运算放大器的的硬件参数确定，所述硬件参数包括：电压输出范围和摆率。

另一方面，提供了一种电动关节驱动器电流可调式重构系统，其特征在于，包括电流采样信号调理模块、电流重构模块、控制和驱动模块和编码器模块，所述控制和驱动模块与电机电连接，所述控制和驱动模块通过发出PWM信号控制所述电机，所述编码器与所述电机电连接，所述编码器能够检测所述电机的转子的角度，所述编码器将检测到的所述电机的转子的角度传入至所述控制和驱动模块中，所述电流采样信号调理模块用于采集所述电机的相电流，并将采集到的相电流的信息传输至所述电流重构模块中，所述电流重构模块将所述电机的相电流信息处理后传输至控制和驱动模块中，所述控制和驱动模块根据所述电流重构模块传入的信号对发出的PWM信号进行调整；其中，所述电流重构模块用于执行上述任一项的电动关节驱动器电流可调式重构方法。

进一步地，在上述的一种电动关节驱动器电流可调式重构系统中，所述电流采样信号调理模块包括三个电流采样传感器，三个所述电流采样传感器分别于所述电机的三相连接。

进一步地，在上述的一种电动关节驱动器电流可调式重构系统中，所述电流采样信号调理模块还包括调理电路，所述调理电路与所述电流采样传感器连接，所述调理电路能够限制所述电流采样传感器的输入电压。

分析可知，本发明公开一种电动关节驱动器电流可调式重构方法及系统，本发明解决目前电流采样精度差、永磁同步电机过调制效果差，电机利用率低的问题。采用单参数调节的方式零活调整最大占空比，使电机实现全速范围运转。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1本发明一实施例的一种电动关节驱动器电流可调式重构系统的系统框图。

图2本发明一实施例的调理电路的电路图。

图3本发明一实施例的当电机有两相的PWM占空比大于最大PWM占空比时的波形分析图。

图4本发明一实施例的对电机的一相进行补偿后的波形分析图。

图5本发明一实施例的流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，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的具体含义。

所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”、“第三”以及“第四”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。

如图1-5所示，根据本发明的实施例，提供了一种电动关节驱动器电流可调式重构方法，用于控制电机的运行电流，包括以下步骤：

S1：确定控制电机的PWM信号的最大PWM占空比；

S2：通过电机的每一相的相电压的大小确定电机每一相的PWM占空比，并判断电机的三相中PWM占空比小于最大PWM占空比的相数；

S3：当电机的三相PWM占空比均小于最大PWM占空比时，对电机的每一相的相电流直接进行采集，得到各相的相电流；当电机只有一相的PWM占空比大于最大PWM占空比时，对小于最大PWM占空比的两相的相电流直接进行采集(即通过电流采样信号调理模块采集电流)，得到该两相的相电流，并通过采集到的该两相的相电流重构出该一相的相电流；当电机有两相的PWM占空比大于最大PWM占空比时，对大于最大PWM占空比的两相中的一相设置为被补偿相，计算偏置值，对被补偿相进行偏置值补偿后，重复步骤S2，其中当被补偿相进行偏置值补偿后，被补偿相的PWM占空比小于最大PWM占空比。

电流重构模块提供电流重构方法，首先根据硬件参数设定最大PWM占空比。在图3中，Vmin、Vmiddle、Vmax分别表示当前时刻三相PWM的占空比值由小到大的三个值，占空比对在图3上通过这三条线来描述，Vlim表示预设的最大占空比，图3为逆变器三相桥臂的上桥臂PWM波形，三相电流采样发生在上桥臂关断，下桥臂导通的时候，所以当上桥臂为低电平时，下桥臂开启并对电流进行采样。上桥臂关断时低电平持续的时间决定了电流采样的时间。假设电流采样信号调理模块的运算放大器的摆率为2V/us，以及当前时刻PWM周期为40us，根据上述电流采样原则、AD接口允许的电压范围以及图2所示的电流调理方案可知运算放大器的实际信号输出摆幅为1.65V。根据运算放大器本身参数以及出于可靠性设计的角度，再考虑1us死区的影响，可将采样时间定为2us，此时的PWM占空比达到了95％。当某一相PWM波形占空比过高，导致采样时间低于2us时，运算放大器对该相电流的采样值作废，需要使用重构技术重构该相电流。电流重构采样类型判断依据即为根据95％占空比来确定，具体分为：三相PWM波形占空比均小于95％，不使用电流重构技术，直接对三相电流实时采样；三相PWM波形有1相占空比大于95％，对该相通过基尔霍夫电流定率进行重构；三相PWM波形有2相占空比大于95％，对其中的一相波形做补偿，确保有两相PWM波形占空比不大于95％，依次比较三相占空比的大小，将中间大小占空比的相作为被补偿相并计算补偿偏置值。三相PWM占空比均减去上一步骤计算出的偏置值，确保线电压保持同步变化。

确定补偿哪一相后，补偿偏置值的计算方法是将中间大小的占空比与95％相减，所得的值为偏置值，将被补偿相的占空比减去偏置值，使其占空比降低至95％。图3中表示有两相PWM波形占空比超过了设定的大小，如图3中的从上往下数第三条线和第四条线所示，最小采样区间由Vlim设定，采样时间为Tmin。在本实施例中，Tmin为2us。图3中从上往下数的第三条线所对应的相即为待补偿相，确定该条线所对应的相电压需要被补偿。将该相电压占空比与95％相减后求得偏置值offset。图4为三相PWM占空比均减去上一时刻计算出的偏置值，保证线电压同步变化。补偿占空比后需要在PWM周期一半的位置更新新的占空比值，如图4所示，在PWM三角形计数的顶点更新，则PWM周期结束时就可以对电流实现重构采样，所以该算法需要在具有PWM双更新功能的处理器上实现。图4所示Vmax相的相电流I’A可根据I’A＝-IB-IC重构，其中IB和IC分别为其余两项的相电流，目前该算法已经在TMS320F2812芯片上验证通过，但该方案并不仅限于该处理器。

最后，在PWM周期的下溢(计时为0)时触发电流采样信号调理模块采集电流值，由于确保了两相电流满足最小采样区间，所以可以精确地采集到的相电流值。本发明给出了一种在解决精确采样前提下最大化PWM信号调制比的方法，电流重构算法如图5所示。

优选地，被补偿相为大于最大PWM占空比的两相中PWM占空比较小的一相。

优选地，所述偏置值为最大PWM占空比与所述被补偿相的PWM占空比之间的差值。

优选地，S3还包括：当需要对被补偿相进行偏置值补偿时，对未被补偿的两相也进行偏置值补偿。

优选地，利用基尔霍夫电流定律，通过采集到的两相的相电流重构出剩余的一相的相电流。当电机的A相的PWM占空比大于最大PWM，但B相和C相均不大于最大PWM占空比时(包含进行偏置值补偿后的情况)，获取B相和C相的相电流IB和IC，通过IB和IC确定重构后的A相电流I’A的大小，重构的相电流I’A＝-IB-IC。

优选地，最大PWM占空比基于电机的PWM信号的周期和电机的每一相的最小电流采样时间得出，当电机的某相的PWM信号处于最大PWM占空比时，在一个电机的PWM信号的周期内电机的PWM信号处于低电平时间等于该相的最小电流采样时间。通常各相的最小电流采样时间相同。

优选地，最小电流采样时间由采集电机的相电流的电流采样信号调理模块中的运算放大器的的硬件参数确定，硬件参数包括：电压输出范围和摆率。根据电压输出范围和摆率可以计算出在某个采样时刻，运算放大器能够以什么样的速度输出多大的电压。由摆率可直接推导出最小采样时间，最小采样时间确定后，最大PWM占空比即可确定。

本发明还公开了一种电动关节驱动器电流可调式重构系统，包括电流采样信号调理模块、电流重构模块、控制和驱动模块和编码器模块，控制和驱动模块与电机电连接，控制和驱动模块通过发出PWM信号控制电机，编码器与电机电连接，编码器能够检测电机的转子的角度，编码器将检测到的电机的转子的角度传入至控制和驱动模块中，电流采样信号调理模块用于采集电机的相电流，并将采集到的相电流的信息传输至电流重构模块中，电流重构模块将电机的相电流信息处理后传输至控制和驱动模块中，控制和驱动模块根据电流重构模块传入的信号对发出的PWM信号进行调整，其中，电流重构模块用于执行上述的电动关节驱动器电流可调式重构方法。

优选地，电流采样信号调理模块包括三个电流采样传感器，三个电流采样传感器分别于电机的三相连接。

优选地，电流采样信号调理模块还包括调理电路，调理电路与电流采样传感器连接，调理电路能够限制电流采样传感器的输入电压。

优选地，电流采样传感器的输入电压的上限为3.3V。

本发明整体硬件框架包括电流采样信号调理模块，编码器模块，控制和驱动模块，以及永磁同步电机。其中电流采样信号调理模块包括电流传感器以及调理电路，控制和驱动模块包含核心控制算法，控制和驱动模块输出6路PWM信号，电流重构模块与采样模块共同配合输出三相重构电流至控制和驱动模块，供该模块完成核心控制算法。编码器模块用于给控制和驱动模块提供转子角度信息。所有模块组合成一套完整的伺服电机驱动方案。本发明的整个系统中的编码器模块、控制和驱动模块、永磁同步电机是必要的组成部分，控制和驱动模块整合了常规clark、park、逆clark、逆park运算，并包含了通用的SVPWM解算以及6路PWM输出接口用于直接驱动永磁同步电机。控制和驱动模块用于接收外部输入的指令以及重构后的电流值以及编码器信号，实时控制电机的运转。编码器模块实时检测转子当前的电角度，用于park与逆park运算。电流采样信号调理模块，其中调理部分是增益为10的电流差分放大电路，反馈电阻均采用高精度低温漂电阻，并在电路输出端添加比较功能，限制电流采样输出至不得高于3.3V，3.3V为处理器AD接口允许的上限电压。调理部分的输入信号为逆变器下桥臂的采样电阻电压，当逆变器所有下桥臂关断时电机三相电流流过采样电阻，本发明使用该采样方式。

根据电机控制以及SVPWM控制算法理论可知，功率管的开关周期一定的情况下，需要在全部下桥臂功率管导通时对电流采样，所以上桥臂的PWM驱动信号占空比不能无限制增高，大多场合并未考虑该占空比可以增加的极限值是多少。此外，占空比大小的选取又与电流的采样运算放大器的参数有关，所以电流重构技术应该结合软硬件两方面考虑才能确保控制精度，本发明可根据硬件参数来计算最大PWM最大占空比，硬件参数与最小电流采样时间相关，整体算法需提前确定最小电流采样时间。该方法避免了调整PWM周期，可防止由于PWM周期的变化导致整体伺服控制执行效率降低。电流采集部分搭配三路电流采样传感器，根据电机额定相电流选用合适的采样电阻，通常电流采样电阻为毫欧级别的大功率金属薄膜贴片电阻。通过三相电流同时采样的方式来重构真实电流值，确保了电流采样的准确性。由于使用电流重构技术，电流采样信号调理模块所使用的运算放大器可降低选型要求，可使用通用的运算放大器代替高速运算放大器，进一步降低方案的设计难度。

本发明提供了一种可以通过给定的参数来精确判断当前采样电流的类型，具体包括采样区间满足三相电流采样、满足两相电流采样以及仅仅满足一相电流采样。本发明用于伺服控制技术，要求电流采样必须精确，所以本发明不考虑采样单相电流的情况，如果出现仅仅单相电流满足采样时，需要做PWM占空比补偿以确保满足两相同时采样的要求。首先根据控制软件参数判断当前采样情况，具体可分为以下步骤：根据电流采样信号调理模块的硬件参数设计采样区间的大小以及根据采样区间的大小以及PWM周期确定PWM最大占空比。

其次，根据FOC调速原理，电机运行过程可分为以下三类：情况1：不出现过调制，电机的三相PWM波形的低电平满足三相电流同时采样，此时采样精度最高情况；情况2：临界过调制，电机有一相PWM波形的低电平不满足最小采样时间，该相电流需要重构；情况3：过调制，有两相PWM波形的低电平不满足最小采样时间，需要对其中一相波形补偿，确保至少有两相PWM信号满足采样要求。在情况1和情况2下可以直接对电流值采样或者重构，在情况3下补偿的步骤包括：当前控制周期计算每一相的PWM占空比，并分别与软件参数预设的占空比相比较，判断哪两相电源无法满足采样需求。根据三相PWM波形占空比的大小，判断哪一相的占空比处于三相占空比的中间大小。最大占空比和当前占空比的差值，记为offset，作为PWM偏置补偿项也就是偏置值。三相PWM占空比均减去offset，保持线电压不变。

其次，将重构后的电流值以及编码器模块的信息输入至控制和驱动模块，通过内部运算实现期望的PWM波形输出，完成电机速度控制。本发明提供了一种能确保最小采样区间的前提下，最大化占空比输出的方法，不必修改PWM周期，通过提前人为预设来指定占空比的上限，与一般的电流重构相比具有采样可靠性以及避免了单电流传感器的复杂算法。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：一种结合硬件参数的电流重构技术，并搭配片外高精度AD采集芯片，以解决目前电流采样精度差、永磁同步电机过调制效果差，电机利用率低的问题。采用单参数调节的方式零活调整最大占空比，使电机实现全速范围运转

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。