專利名稱：雙旋變信號處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及機器人技術(shù)領域，特別涉及機器人一體化關(guān)節(jié)雙旋變信號處理系統(tǒng)的設計。
背景技術(shù)：
機器人關(guān)節(jié)是集機械、電子、傳感器、控制于一體的機電系統(tǒng)。目前，機器人關(guān)節(jié)主要存在以下問題關(guān)節(jié)內(nèi)部集成度低造成的關(guān)節(jié)體積、重量的增加，精度降低；關(guān)節(jié)對外接口復雜所造成的布線困難、可靠性降低以及重復開發(fā)；由于關(guān)節(jié)的發(fā)熱重要集中在電機和電機驅(qū)動器附近，導致關(guān)節(jié)變形，影響了關(guān)節(jié)精度。尤其在空間環(huán)境下，該問題將更加突出。 為解決以上問題，2001年安裝在國際空間站加拿大二臂，2005年安裝在國際空間站的德國宇航中心雙關(guān)節(jié)機器人R0KVIS，2007年哈爾濱工業(yè)大學與德國宇航中心聯(lián)合研制了一種小型高集成度空間機械臂模塊化關(guān)節(jié)和2007年北京郵電大學研制的空間機械臂構(gòu)造模塊，均采用了模塊化設計方法。模塊化機器人關(guān)節(jié)，可以組成不同結(jié)構(gòu)的機械臂，同時采用大中心孔設計方法實現(xiàn)了關(guān)節(jié)的內(nèi)部走線，避免了特殊環(huán)境對導線及其傳輸信號的影響。針對模塊化關(guān)節(jié)的問題，提出對空間機械臂關(guān)節(jié)進行高內(nèi)聚、低耦合一體化設計。機器人一體化關(guān)節(jié)集電機，驅(qū)動器，控制器，傳動機構(gòu)，空間環(huán)境控制及布線于一體，具有高內(nèi)聚，低耦合，高剛性和輕量化的特點。為了符合一體化關(guān)節(jié)的各項要求，要求電機驅(qū)動器，控制器符合微小型的特點。一體化關(guān)節(jié)電機采用永磁同步電機，位置傳感器采用旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器是高精度位置檢測絕對角位置傳感器，輸出信號為模擬信號，其特點是無需維護，使用可靠，壽命長，耐油污等。對于正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器其輸出為一個正弦信號和一個余弦信號，而轉(zhuǎn)子的位置信號就包含在這個正-余弦信號中，要從兩路模擬信號解碼得到轉(zhuǎn)子位置的高精度數(shù)字信號是不容易的。在現(xiàn)有的技術(shù)中，很多公司針對旋轉(zhuǎn)變壓器解碼復雜這一情況，開發(fā)了一系列的旋轉(zhuǎn)變壓器專用解碼芯片dBANALOG DEVICES公司開發(fā)的AD2S80系列和多摩川公司的Au6802系列等。這些專用解碼芯片能夠快速，高精度的解碼得到轉(zhuǎn)子的數(shù)字位置量。例如，使用ANALOG DEVICES公司開發(fā)的AD2S99作為供給旋轉(zhuǎn)變壓器激勵信號的芯片和AD2S82作為旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片。但是，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)此技術(shù)并不適于應用在一體化關(guān)節(jié)中由于一體化關(guān)節(jié)內(nèi)部空間小，對電路板有微型化的要求，而解碼雙旋變輸出信號需要兩套解碼芯片，即各兩個AD2S99與AD2S82芯片，占用空間較大，并且同時需要使用正負12V電源，正負5V電源等多路電源，功耗較大，使得電路復雜。因為需要的電源模塊和芯片過多，可靠性差。而一體化關(guān)節(jié)內(nèi)部空間狹小，散熱困難。所以此技術(shù)不符合一體化關(guān)節(jié)對電路板微型化的要求，并且他們普遍價格昂貴達過萬元，采用這些專用解碼芯片無疑將大大增加系統(tǒng)成本
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明實施例提供一種體積小、精度高、成本低的雙旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理系統(tǒng)，以及應用了該系統(tǒng)的一體化關(guān)節(jié)，以解決現(xiàn)有技術(shù)的問題。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)?！N雙旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理系統(tǒng)，用于對機器人的關(guān)節(jié)進行控制，所述系統(tǒng)主要由兩個旋轉(zhuǎn)變壓器、調(diào)理電路、解碼DSP和控制DSP組成，所述解碼DSP用于對來自所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的信號進行處理，并計算所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置；所述控制DSP用于接收所述解碼DSP求得的所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置，其中所述解碼DSP被配置為發(fā)送兩路頻率相同、相位相反的PWM信號，所述PWM信號經(jīng)參考信號調(diào)理電路濾波和放大得到正弦激勵信號，輸送給所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器；所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號經(jīng)過輸出信號調(diào)理電路由所述解碼DSP的A/D通道采樣，所述解碼DSP通過反正切運算得到所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置。優(yōu)選地，所述解碼DSP的A/D通道采樣過程包括 (I)以相對于參考頻率，即旋轉(zhuǎn)變壓器額定頻率，2K倍的頻率對經(jīng)過輸出信號調(diào)理電路的所述輸出信號進行采樣；(2)使用數(shù)字濾波器對采樣結(jié)果進行處理；(3)抽取數(shù)字序列，對使用數(shù)字濾波器處理后的采樣結(jié)果每2K個采樣值進行一次數(shù)據(jù)抽取。優(yōu)選地，所述正弦激勵信號利用所述PWM信號脈寬調(diào)制輸出加上模擬積分器來生成。本發(fā)明還提供了一種用于機器人的一體化關(guān)節(jié)，包括電機和雙旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理系統(tǒng)，所述雙旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理系統(tǒng)主要由兩個旋轉(zhuǎn)變壓器、調(diào)理電路、解碼DSP和控制DSP組成，所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器用于測量所述電機的角位置和所述關(guān)節(jié)的角位置；所述解碼DSP用于對來自所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的信號進行處理，并計算所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置，得到所述電機的角位置和所述關(guān)節(jié)的角位置；所述控制DSP用于用來接收解碼DSP求得的電機角位置和關(guān)節(jié)角位置，并對所述電機進行控制；其中所述解碼DSP被配置為發(fā)送兩路頻率相同、相位相反的PWM信號，所述PWM信號經(jīng)參考信號調(diào)理電路濾波和放大得到正弦激勵信號，輸送給所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器；所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號經(jīng)過輸出信號調(diào)理電路由所述解碼DSP的A/D通道采樣，所述解碼DSP通過反正切運算得到所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置。 優(yōu)選地，所述解碼DSP的A/D通道采樣過程包括(I)以相對于參考頻率2K倍的頻率對經(jīng)過輸出信號調(diào)理電路的所述輸出信號進行采樣；(2)使用數(shù)字濾波器對采樣結(jié)果進行處理；(3)抽取數(shù)字序列，對使用數(shù)字濾波器處理后的采樣結(jié)果每2K個采樣值進行一次數(shù)據(jù)抽取。優(yōu)選地，所述正弦激勵信號利用所述PWM信號脈寬調(diào)制輸出加上模擬積分器來生成。
所述控制DSP能夠接收解碼DSP求得的電機角位置和關(guān)節(jié)角位置，并對所述電機進行控制，采用的控制方法為三閉環(huán)控制，包括位置環(huán)，速度環(huán)和電流環(huán)。


圖I是本發(fā)明的雙旋變信號處理系統(tǒng)組成框圖。圖2是參考信號調(diào)理電路和相應波形。圖3是輸出信號調(diào)理電路和相應波形。圖4是本發(fā)明的總體軟件流程圖。圖5是控制DSP的三閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述?；贒SP —體化關(guān)節(jié)雙旋變信號處理系統(tǒng)的總體功能是獲得旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)字角位置，主要由兩個無接觸旋變發(fā)送機(雙旋變)，調(diào)理電路和雙DSP控制器組成。其中解碼DSP作為雙旋變信號處理的核心芯片，控制DSP用來接收解碼DSP求得的電機角位置和關(guān)節(jié)角位置，并對永磁同步電機進行控制，兩個DSP之間通過IO 口和SPI進行通訊。參見圖1，雙旋變信號處理系統(tǒng)的組成為控制DSP和調(diào)理電路。由解碼DSP芯片發(fā)送兩路頻率相同，相位相反的PWM信號經(jīng)調(diào)理電路(參見圖2)濾波和放大得到正弦激勵信號，輸送給兩個旋轉(zhuǎn)變壓器；旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正弦和余弦差分信號經(jīng)過調(diào)理電路(參見圖3)處理，輸入到解碼DSP的A/D模塊被采樣，然后采用軟件算法解算出旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)字角位置。系統(tǒng)中大部分功能全部由解碼DSP完成，編寫解碼DSP軟件程序，主要實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，更新兩路PWM值，數(shù)字濾波及抽取，反正切R/D角度結(jié)算和數(shù)據(jù)輸出功能，如圖4。旋轉(zhuǎn)變壓器需要的正弦波激勵信號生成如下利用PWM脈寬調(diào)制輸出加上模擬積分器來生成。采用事件管理器產(chǎn)生PWM信號模擬正弦波輸出，必須根據(jù)正弦信號的當前相位角實時地調(diào)整PWM輸出信號的脈沖寬度。為了產(chǎn)生完整的正弦信號，必須從O 360按照一定的遞增角度進行計算。在計算正弦信號的幅值時有2種方法直接計算和查表。實際在嵌入式應用設計中，絕大部分采用查表的方法計算正弦值。采用PWM信號模擬的正弦波的頻率主要取決于PWM本身的載波頻率和每個正弦波周期輸出的點數(shù)。兩路PWM信號頻率相同，相位相反。圖2示出的是參考信號的調(diào)理電路及輸入輸出波形。其中，Rl = R2，R3 = R4，R5=R6，采用Rl，C1 ;R3，C3組成的二階網(wǎng)絡對兩路反相PWM信號進行濾波；同時，使用運算放大器的放大，放大倍數(shù)為R5/R3 = R6/R4，將PWM信號范圍調(diào)整到-5V +5V，之后經(jīng)一運放構(gòu)成的Sallen_Key 二階濾波器,進一步減小正弦波的諧波失真,輸送給旋轉(zhuǎn)變壓器作為激勵信號。選用的旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比為O. 33。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的信號經(jīng)調(diào)理電路中運算放大器放大和濾波(如圖3所示)，以I. 5V為電壓基準，將信號的電壓范圍調(diào)節(jié)到O 3V，進入解碼DSP的A/D采樣模塊被采樣，進行軟件解碼算法?；镜腞/D解算算法為三角法通過求正、余弦信號的商的反正切函數(shù)值，并通過對象限的判斷求出該角度值。但為了避免混疊，采樣必須滿足奈奎斯特采樣定理，即采樣頻率必須為所關(guān)注信號的帶寬的兩倍。由于旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號帶寬較大，含噪聲較多。本系統(tǒng)采用過采樣技術(shù)來改善信噪比，提高采樣分辨率，降低對模擬抗混疊濾波器的限制，從而提高轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度。為了得到更高的精確度和更好的抑制噪聲，本系統(tǒng)采用過采樣和平均技術(shù)。旋變輸出的被軸角度調(diào)制過的正弦和余弦信號以2K倍參考頻率的采樣頻率被采樣，也就是K倍的過采樣。FIR低通濾波器作為數(shù)字抗混疊濾波器通過減少被采樣值的帶寬來提高精確度。之后，每2K個采樣值進行一次數(shù)據(jù)抽取，正相當于將采樣率降低為了參考頻率。數(shù)據(jù)抽取對采樣后獲得的原始數(shù)據(jù)以一種較低的速率重新進行采樣，有效地減少冗余數(shù)據(jù)量。此時，旋轉(zhuǎn)變壓器被濾波后的正弦和余弦值是可用的。角位置可以由解調(diào)過的正弦和余弦信號的商的反正切得到。一體化關(guān)節(jié)控制中的雙DSP通訊采用串行外設接口(SPI)通訊和IO 口通訊。SPI是一個高速同步的串行輸入輸出接口，通信速率和通信數(shù)據(jù)長度都是可編程的，可采用主/從模式實現(xiàn)多處理器間的數(shù)據(jù)交換。IO 口作為通用數(shù)字量輸入輸出端口，可以將16位的數(shù) 字角位置用16個IO 口進行傳遞，再使用一個IO信號作為觸發(fā)信號，即控制DSP的外部中斷信號，使控制DSP適時讀取，使解碼得到的數(shù)字角位置能夠精確傳遞，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p余度。一體化關(guān)節(jié)中的控制DSP用來接收解碼DSP求得的電機角位置和關(guān)節(jié)角位置并對所述電機進行控制，采用的控制方法為三閉環(huán)控制，包括位置環(huán)，速度環(huán)和電流環(huán)(如圖5所示)。首先控制系統(tǒng)給定位置信號Θ P轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測實際轉(zhuǎn)子位置信號0f，兩者比較后得到位置誤差信號Λ Θ =，該位置誤差信號經(jīng)過位置調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)后，輸出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定信號ω-實際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號經(jīng)實際轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)過差分運算得到cof，指令轉(zhuǎn)子速度與實際速度比較后形成速度誤差信號Aω =，速度誤差信號作為速度調(diào)節(jié)器的輸入，再經(jīng)過轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)輸出電流指令U電流傳感器對永磁同步電機三相電流和直流母線電壓進行檢測得到實際電流值if，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器控制算法確定功率開關(guān)器件導通的占空比，最后確定永磁同步電機定子繞組控制邏輯，輸出相應的PWM波形，使得轉(zhuǎn)子按照控制的要求運行。以上所述僅為本發(fā)明的幾種具體實施例，以上實施例僅用于對本發(fā)明的技術(shù)方案和發(fā)明構(gòu)思做說明而非限制本發(fā)明的權(quán)利要求范圍。凡本技術(shù)領域中技術(shù)人員在本專利的發(fā)明構(gòu)思基礎上結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，通過邏輯分析、推理或有限實驗可以得到的其他技術(shù)方案，也應該被認為落在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理系統(tǒng)，用于對機器人的關(guān)節(jié)進行控制，所述系統(tǒng)主要由兩個旋轉(zhuǎn)變壓器、調(diào)理電路、解碼DSP和控制DSP組成，所述解碼DSP用于對來自所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的信號進行處理，并計算所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置；所述控制DSP用于接收所述解碼DSP求得的所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置，其特征在于 所述解碼DSP被配置為發(fā)送兩路頻率相同、相位相反的PWM信號，所述PWM信號經(jīng)參考信號調(diào)理電路濾波和放大得到正弦激勵信號，輸送給所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器； 所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號經(jīng)輸出信號調(diào)理電路由所述解碼DSP的A/D通道采樣，所述解碼DSP通過反正切運算得到所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述解碼DSP的A/D通道采樣過程包括 (1)以相對于參考頻率，即旋轉(zhuǎn)變壓器額定頻率，的2K倍的頻率對經(jīng)過輸出信號調(diào)理電路的所述輸出信號進行采樣； (2)使用數(shù)字濾波器對采樣結(jié)果進行處理； (3)抽取數(shù)字序列，對使用數(shù)字濾波器處理后的采樣結(jié)果每2K個采樣值進行一次數(shù)據(jù)抽取。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述正弦激勵信號利用所述PWM信號脈寬調(diào)制輸出加上模擬積分器來生成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制DSP能夠接收解碼DSP求得所述關(guān)節(jié)的電機角位置和關(guān)節(jié)角位置，并對所述關(guān)節(jié)的電機進行控制，采用的控制方法為三閉環(huán)控制，包括位置環(huán)，速度環(huán)和電流環(huán)；所述控制DSP被配置為執(zhí)行以下步驟 給定位置信號Θ_Γ，檢測實際轉(zhuǎn)子位置信號e_f，兩者比較后得到位置誤差信號Λ Θ=Θ_Γ-Θ_ ·，該位置誤差信號經(jīng)過位置調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)后，輸出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定信號ω_Γ; 實際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號經(jīng)實際轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)過差分運算得到ω_ ·，指令轉(zhuǎn)子速度與實際速度比較后形成速度誤差信號Λω = ω_ι·-ω_ ·，速度誤差信號作為速度調(diào)節(jié)器的輸入，再經(jīng)過轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)輸出電流指令i_r ； 檢測得到所述電機的實際電流值i_f，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器控制算法確定功率開關(guān)器件導通的占空比，最后確定電機定子繞組控制邏輯，輸出相應的PWM波形，使得轉(zhuǎn)子按照控制的要求運行。
5.一種用于機器人的一體化關(guān)節(jié)，包括電機和雙旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理系統(tǒng)，所述雙旋轉(zhuǎn)變壓器信號處理系統(tǒng)主要由兩個旋轉(zhuǎn)變壓器、調(diào)理電路、解碼DSP和控制DSP組成， 所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器用于測量所述電機的角位置和所述關(guān)節(jié)的角位置； 所述解碼DSP用于對來自所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的信號進行處理，并計算所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置，得到所述電機的角位置和所述關(guān)節(jié)的角位置； 所述控制DSP用于用來接收解碼DSP求得的電機角位置和關(guān)節(jié)角位置，并對所述電機進行控制；其中， 所述解碼DSP被配置為發(fā)送兩路頻率相同、相位相反的PWM信號，所述PWM信號經(jīng)參考信號調(diào)理電路濾波和放大得到正弦激勵信號，輸送給所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器； 所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號經(jīng)過輸出信號調(diào)理電路由所述解碼DSP的A/D通道采樣，所述解碼DSP通過反正切運算得到所述兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的角位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的關(guān)節(jié)，其特征在于，所述解碼DSP的A/D通道采樣過程包括(1)以相對于參考頻率2K倍的頻率對經(jīng)過輸出信號調(diào)理電路的所述輸出信號進行采樣； (2)使用數(shù)字濾波器對采樣結(jié)果進行處理； (3)抽取數(shù)字序列，對使用數(shù)字濾波器處理后的采樣結(jié)果每2K個采樣值進行一次數(shù)據(jù)抽取。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的關(guān)節(jié)，其特征在于，所述正弦激勵信號利用所述PWM信號脈寬調(diào)制輸出加上模擬積分器來生成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的關(guān)節(jié)，其特征在于，所述控制DSP能夠接收解碼DSP求得所述關(guān)節(jié)的電機角位置和關(guān)節(jié)角位置，并對所述關(guān)節(jié)的電機進行控制，采用的控制方法為三閉環(huán)控制，包括位置環(huán)，速度環(huán)和電流環(huán)；所述控制DSP被配置為執(zhí)行以下步驟 給定位置信號Θ_Γ，檢測實際轉(zhuǎn)子位置信號e_f，兩者比較后得到位置誤差信號Λ Θ=Θ_Γ-Θ_ ·，該位置誤差信號經(jīng)過位置調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)后，輸出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定信號ω_Γ; 實際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號經(jīng)實際轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)過差分運算得到ω_ ·，指令轉(zhuǎn)子速度與實際速度比較后形成速度誤差信號Λω = ω_ι·-ω_ ·，速度誤差信號作為速度調(diào)節(jié)器的輸入，再經(jīng)過轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)輸出電流指令i_r ； 檢測得到所述電機的實際電流值i_f，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器控制算法確定功率開關(guān)器件導通的占空比，最后確定電機定子繞組控制邏輯，輸出相應的PWM波形，使得轉(zhuǎn)子按照控制的要求運行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙旋變信號處理系統(tǒng)，利用DSP芯片作為旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片?；贒SP一體化關(guān)節(jié)雙旋變信號處理系統(tǒng)主要由兩個無接觸旋變發(fā)送機，調(diào)理電路和雙DSP控制器組成。其中解碼DSP作為雙旋變信號處理的核心芯片，控制DSP用來接收解碼DSP求得的電機角位置和關(guān)節(jié)角位置，并對永磁同步電機進行控制，兩個DSP之間通過IO口和SPI進行通訊。
文檔編號G05B19/04GK102937787SQ201110262510
公開日2013年2月20日 申請日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者黃強, 李丹鳳, 蔣志宏, 李輝 申請人:北京理工大學