【摘 要】
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在物流机器人、机械臂等存在关节电机的设备中,电机控制的精度以及实时性决定了最终产品的性能,其中关节电机转子位置与速度检测起关键性作用。随着高精度光电编码器等产品的不断更新,电机控制的精度能够得到保证,但增加的传感器会引入额外的数据读取时间,降低处理的实时性;且无论是安装额外的光电编码器还是霍尔传感器进行速度与位置检测,都会增加电机控制系统的体积和成本,使得产品的性价比下降。针对以上问题,本文基于滑
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在物流机器人、机械臂等存在关节电机的设备中,电机控制的精度以及实时性决定了最终产品的性能,其中关节电机转子位置与速度检测起关键性作用。随着高精度光电编码器等产品的不断更新,电机控制的精度能够得到保证,但增加的传感器会引入额外的数据读取时间,降低处理的实时性;且无论是安装额外的光电编码器还是霍尔传感器进行速度与位置检测,都会增加电机控制系统的体积和成本,使得产品的性价比下降。针对以上问题,本文基于滑模观测器算法将传统滑模趋近律函数改进为S形函数,能够对永磁同步电机转子速度与位置实现高精度实时检测,且无需传感器既节省了成本同时减轻了产品的体积。本文首先针对传统滑模观测器算法以及无传感器的转子位置与速度估算原理进行研究,对传统算法固有抖振产生的原因进行分析,针对性提出改进型S形滑模观测器算法;针对不同参数a下的S形函数分别进行simulink仿真建模分析,确定最合适的参数a,然后对改进的滑模观测器依据李雅普诺夫稳定性定理做稳定性分析;最后与传统算法以及反电动势自适应算法进行仿真数据对比证明算法的可行性与性能优势。接着基于改进算法进行了控制系统的硬件结构设计,为了优化面积、降低电路复杂程度,在保证算法精度的同时使用了最小的寄存器位宽;针对控制系统中一些复杂运算如S形函数的实现和正余弦函数值的计算等,采用流水线的方式来实现,大大提高了运算的速度。完成电路设计后经过了功能仿真与FPGA验证,验证结果表明在预设转速为1000rpm时,转速误差均值仅为5.7,角度误差均值仅为1.42°;在预设转速为800rpm时,转速误差均值仅为4.51,角度误差均值仅为1.13°,每进行一次转速与位置信息估算仅需要0.78,完成一次完整运算输出SVPWM波仅需3.1,保证了控制系统的实时性并提高了转速与位置的估算精度。经过在HHGRACE 110nm工艺下进行ASIC综合,电路能够工作在50MHz的频率下,电路面积为49617398)~2,功耗为82.2691m W。
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