一种智能驱动单元及驱动单元输出端绝对位置测算方法与流程

1.本发明涉及驱动电机技术领域，尤其涉及一种智能驱动单元及驱动单元输出端绝对位置测算方法。


背景技术：

2.目前，一般的驱动电机包括电机、减速器和控制板，控制板设置在电机端，控制板上设有磁编码器，通过电机端的磁编码器记录机轴旋转位置、圈数和减速比推算减速器输出端的位置，这种方案的缺点是电机掉电后，机轴因外力发生旋转，控制板无法获得减速器输出端的初始位置，因而只能得到相对旋转位置，无法获得输出端的绝对位置。
3.为了解决这个问题，现有技术中采用了双位置编码器，即在电机端和减速器输出端都设有位置编码器，电机端的编码器用于电机控制，减速器输出端的编码器用于检测减速器的位置，从而获得减速器输出端的绝对位置。
4.该方案有如下几种常见类型：1.两端均采用磁编码芯片，由于磁编码芯片需要安装在旋转轴正中心，两端均安装磁编码器后，减速器只能由中间位置输出，该方式会限制输出端旋转范围使其小于360
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，即输出端无法连续多圈旋转，会限制电机的应用场景；2.减速器输出端采用磁栅编码器，其优点编码器是中空的，不会影响减速器轴的输出旋转范围，但磁栅编码器成本较高；3. 减速器输出端采用一对极的磁环编码器，方案成本远低于磁栅编码器，但精度较低，虽然可以结合电机端的编码器推算出输出端的绝对位置，但仅仅适应于减速比较低的场合。


技术实现要素：

5.本发明提出一种能够适应多种电机应用场景和高减速比的减速器，可实现输出端多圈绝对位置编码，同时不会限制输出端转动范围，制造成本相对更低的智能驱动单元及驱动单元输出端绝对位置测算方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种智能驱动单元，其特征包括电机、减速器、电机控制板、多对极磁环和磁环编码器；所述的电机用于输出带动所述减速器转动的扭力，电机靠近所述的电机控制板一侧的机轴顶端上设有磁铁；所述的减速器用于将电机输出的高速转速扭力按照减速比转化为低转速扭力并提升扭矩；所述的电机控制板包括磁编码芯片、控制芯片和电机驱动电路，所述的磁编码芯片设置在电机机轴的磁铁上方，用于对电机机轴上磁铁随电机机轴旋转时的实时行程和位置信号进行磁编码，所述的控制芯片用于对磁编码芯片和磁环编码器发送的数据信号进行
解算，得出减速器输出端的转动行程和实时位置，所述的电机驱动电路用于配合控制芯片驱动电机完成力矩控制、转动位置控制、速度控制等控制指令；所述的多对极磁环固接在减速器输出端上，与减速器输出端同轴转动，减速器输出端旋转时会带动多对极磁环旋转，多对极磁环旋转时会改变磁场方向和强度，所述的磁环编码器搭载有磁环编码芯片，用于监测磁场变化产生的磁信号进行位置编码；所述的磁环编码器与电机控制板通过信号导线通信连接，用于将磁环编码器的编码数据发送到电机控制板上的控制芯片进行解算。
7.进一步的方案是：所述的控制芯片型号为stm32f103r8t6。
8.进一步的方案是：所述的磁编码芯片型号为as5047。
9.进一步的方案是：所述的磁环编码器的磁环编码芯片型号为mt6818或mt6828。
10.一种驱动单元输出端绝对位置测算方法其特征包含以下步骤：步骤1、首先算出减速器输出端、磁编码器、磁环编码器数据的周期关系，其对应算式如下：设减速比为k：1，电机机轴旋转一周对应减速器输出端角度变化值α，即α=360/k，此为等式1；设磁环编码器所用磁环极对数为j，编码芯片电角度变化一周对应的输出端角度变化值β，即β=360/j，此为等式2；设输出端至少变化γ度后电机端编码器和磁环编码器数据重合一次，即为α*m=β*l=γ，其中m、l为正整数且公约数仅为1，γ取满足等式中最小值，此为等式3；步骤2、在有旋转限位的场景下，需要对减速器输出轴位置值实现绝对位置编码时，选择j、k值使得γ满足γ≥θ，其中θ为电机输出端最大机械角度变化值；步骤3、当需要实现单圈绝对位置编码时选择j、k值，使得γ满足γ=360，联合步骤1中的等式1至3，可得等式：(360/k) *m=(360/j)*l=γ=360，化简后可得m/k=l/j=1，其中m、l为正整数且公约数仅为1，即k，j为正整数且公约数仅为1；步骤4、当需要实现多圈绝对位置编码时选择j、k值使得γ满足γ=360*h，其中h为需要编码的圈数，联合步骤1中等式1至3可得等式：(360/k)*m=(360/j)*l=γ=360*h，化简后可得m/k=l/j=h，其中m、l为正整数且公约数仅为1；得m=k*h，l=j*h，其中m、l为正整数且公约数仅为1，此为方程组1， k、j取值满足方程组1即可；步骤5、根据步骤2至4中对应的应用场景，各自结合步骤1中的周期关系，可得驱动单元输出端掉电重启后的初始位置计算公式如下：q=n*d1 d1= [(n*d1 d1)/d2]*d2 d2n为满足上式的正整数，且n《m,n《l求解时先算出n值，再计算出q；其中d1为α和β中较大的值（如：α》β d1=α，反之则 d1=β）；d2为α和β中较小的值（如：α《β d2=α，反之则 d2=β）；d1为d1对应编码单元读取的角度值；d2为d2对应编码单元读取的角度值；q为减速器输出端绝对位置角度；
[]代表的取整运算，例如：[x]表示取不大于x的最大整数；步骤6.获取输出端动态位置，读取并计算磁编码芯片或磁环编码芯片的位置并计算输出端对应位置增量，其中:输出端位置变化角度=磁编码器角度变化/k, 输出端位置变化角度=磁环编码器读取的角度变化/j;依据公式：输出端动态位置=初始位置 增量位置，计算出电机输出端动态位置，即可测算出驱动单元输出端的绝对位置。
[0011]
进一步的方案是：由于磁环编码器、磁编码器量化误差以及机械加工误差的存在，依据编码器读出的数据于输出轴真实位置会存在一定误差，在误差不可忽略的情况下的步骤5中的计算公式及方法如下：设d1对应的编码器测量值推算的输出轴位置为q1误差为δ
1 ，d2对应的编码器测量值推算的输出轴位置为q2误差为δ2，则以下等式成立：q= q
1-δ1= q
2-δ2根据上式，得到输出轴位置计算公式如下：q=n*d1 d1-δ1= [(n*d1 d1-δ1 δ2) /d2]* d2 d2-δ2n为满足上式的正整数，且n《m,n《l
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等式1f=n*d1 d1-δ1 δ
2-[(n*d1 d1-δ1 δ2) /d2]* d2
ꢀ‑
d2n为满足上式的正整数，且n《m,n《l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式2在δ
1、
δ2均可得到时，可以直接代入等式1，算出减速器输出端位置q值。
[0012]
在只能得到δ1和/或δ2取值范围时，可将δ
1、
δ2可能取值按两个编码器中的最高精度和可能的n值逐个代入上式中，取n和-δ1 δ2使得f最小，代入等式1即可获取减速器输出轴含有误差项的位置q的取值。为取得更加精确的q，可以通过校准获得更加准确的δ
1，
δ
2 范围或值。
[0013]
本发明的有益效果是：能够适应多种电机应用场景和高减速比的减速器，可实现输出端多圈绝对位置编码，同时不会限制输出端转动范围，制造成本相对更低，具有推广应用价值。
附图说明
[0014]
图1为本发明实施例1结构示意图；图2为本发明实施例2结构示意图。
具体实施方式
[0015]
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。
[0016]
实施例1一种智能驱动单元，其特征包括电机1、减速器2、电机控制板3、多对极磁环4和磁环编码器5；所述的电机1用于输出带动所述减速器2转动的扭力，电机1靠近所述的电机控制板3一侧的机轴顶端上设有磁铁；所述的减速器2用于将电机1输出的高速转速扭力按照减速比转化为低转速扭力并提升扭矩；
所述的电机控制板3包括磁编码芯片31、控制芯片32和电机驱动电路33，所述的磁编码芯片31设置在电机1机轴的磁铁上方，用于对电机1机轴上磁铁随电机1机轴旋转时的实时行程和位置信号进行磁编码，所述的控制芯片32用于对磁编码芯片31和磁环编码器5发送的数据信号进行解算，得出减速器2输出端的转动行程和实时位置，所述的电机驱动电路33用于配合控制芯片32驱动电机1完成力矩控制、转动位置控制、速度控制等控制指令；所述的多对极磁环4固接在减速器2输出端上，与减速器2输出端同轴转动，减速器2输出端旋转时会带动多对极磁环4旋转，多对极磁环4旋转时会改变磁场方向和强度，所述的磁环编码器5搭载有磁环编码芯片，用于监测磁场变化产生的磁信号进行位置编码；所述的磁环编码器5与电机控制板3通过信号导线通信连接，用于将磁环编码器5的编码数据发送到电机控制板3上的控制芯片32进行解算。
[0017]
所述的控制芯片32型号为stm32f103r8t6。
[0018]
所述的磁编码芯片31型号为as5047。
[0019]
所述的磁环编码器5的磁环编码芯片型号为mt6818或mt6828。
[0020]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。