带编码器的永磁同步电机

需求

无论是线性的还是铰接式的机器人架构配置，大部分应用都要求高精度的机械臂运动。

因此，电机控制策略采用位置控制环路，其中实际位置由位置传感器来捕获，通常增量编码器或绝对编码器的分辨率都非常高。机器人系统的自由度(DOF)即移动关节数与所使用的电机数是相等的。结果是，DOF的值越高，每个电机的移动精度要求就越高，因为每个电机产生的位置误差是相乘的。在这些种类的应用中，需要具有数以百万计脉冲的编码器。与焊接或铣削数控机床相比，冲孔或钻孔数控机床的刀具夹的位置控制要求较低，因为焊接或铣削数控机床的关节运动必须精确地同步，以保持所需的运动轨迹。

概念

图1所示的概念结构框图显示了一个简单机器人系统的组成，这是一个铣削数控机床的例子。机床控制结构的顶层是数控机床主控制器，通常需要使用多内核的MCU。 它必须执行的任务和服务包括：

●人机界面/显示器应当能够输入、显示并编辑整个数控程序。

●系统管理器监控并指挥其它MCU，处理系统异常情况和中断信号，存储数控控制程序、刀具校准和刀具补偿参数，以及不同用户的补偿和其它设置。

●运动轴控制处理器解析数控程序并计算位置指令，将这些指令内插到各种坐标系统，并将消息发送给指定的电机控制器。

从外围设备要求角度来看，MCU应当能够处理各种工业通信协议，并包含一片大容量的片内内存。另一方面，无需特定的电机控制外设模块。

电机控制层的需求与上层不同。使用单颗MCU可能不会满足每种情况下的应用需求。这可能需要一颗额外的监控安全的MCU。除了通信外，主MCU执行电机控制算法并处理特定驱动器的故障状态。 电机控制算法包括位置、速度和电流（扭矩）控制环路的计算。

片上非易失性内存的最佳大小在数十KB范围内，且MCU必须有专用的电机控制外设模块，包括一个6通道的PWM产生定时器、一个快速精确的模数转换器以及一个处理编码器信号的接口。

有时，数控机床的主控制器和电机控制MCU之间的通信通过光总线来实现，以确保恶劣、嘈杂环境下位置信息的准确传递。

底层为功率模块，每个模块驱动一个电机。这些还不包括具体的MCU逻辑，但能够配备一个智能的IGBT或功率MOSFET驱动器，它可以进行故障保护和诊断功能。。功率模块测量控制算法中所用的反馈信号（相电流、电压），并通过快速通信接口传送给电机控制MCU。

机器人系统通常包括必须由MCU控制的附加组件，如自动换刀装置和刀具冷却控制，或者在数控车床情况中，需要主轴驱动控制。

基于飞思卡尔MCU的实现

控制链的每一层都可以配备飞思卡尔MCU产品。

如上所述，顶层要求强劲的计算能力执行多个任务，但它并不要求特定的电机控制外设。 飞思卡尔32位解决方案产品组合提供多种选择，满足这一需求：

●基于单核或双核ARM Cortex-A5/ Cortex-M4的Vybrid控制器解决方案
●基于Power Architecture内核的双核PXS20 MCU
●基于ARM Cortex-M4内核的Kinetis K70 MCU

这些MCU包括配备浮点单元的安全功能，具有高性能内核，非常适合轨迹计算。

下列飞思卡尔系列提供专用电机控制MCU：

●基于56800EX内核的MC56F84xxx，32位/100 MHz DSC
●基于ARM Cortex-M4内核的Kinetis K40、K60 MCU

这些解决方案有专用电机控制外设模块，包括与ADC同步的PWM模块。 但浮点单元是不需要的，因为内核性能足以执行矢量控制算法。

飞思卡尔支持工具