一种电机闭环控制系统及机器人的制作方法

本实用新型实施例涉及机器人驱动控制技术领域，尤其涉及一种电机闭环控制系统及机器人。

背景技术：

随着科技的发展，机器人逐渐被应用到各种行业中，机器人的驱动系统多采用闭环控制系统，闭环控制系统作为控制系统的一种类型，把控制系统输出量的一部分或全部，通过一定方法和装置反送回系统的输入端，然后将反馈信息与原输入信息进行比较，再将比较的结果施加于系统进行控制，避免系统偏离预定目标。

现有的电机闭环控制系统多采用光电编码器作为提供反馈信息的装置，光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，也是目前应用最多的传感器。光电编码器是由光栅码盘和光电检测装置组成。光栅码盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光栅码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅码盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。光电编码器只能检测出系统的相对位移，无法反馈光栅码盘的绝对位置信息，断电后无法保存光栅码盘的位置数据，所以每次系统重新上电后都要对其位置进行复位检测，或者是采用备用电池，当系统断电后，由备用电池供电，以保证在系统断电的情况下记录光栅位移数据，增加了系统成本。

技术实现要素：

本实用新型提供一种电机闭环控制系统及机器人，以实现电机的绝对位置检测功能。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种电机闭环控制系统，包括：

电机、光栅码盘、光电编码传感器、磁铁、磁编码传感器、控制电路板和传动装置；

所述光栅码盘与所述电机的后出轴固定连接，所述后出轴带动所述光栅码盘旋转，所述光电编码传感器与所述控制电路板电连接，所述光电编码传感器采集所述光栅码盘光栅信号；

所述磁铁与所述传动装置固定连接，所述传动装置带动所述磁铁转动，所述磁编码传感器与所述控制电路板电连接，所述磁编码传感器采集所述磁铁的磁信号；

所述控制电路板与所述电机电连接，所述电机与所述传动装置连接，所述传动装置与负载连接。

可选的，所述控制电路板包括处理器和电机驱动电路；

所述处理器与所述电机驱动电路电连接，所述电机驱动电路与所述电机电连接；

所述控制电路板还包括电流反馈电路；

所述电流反馈电路与所述电机驱动电路以及所述处理器电连接。

可选的，所述处理器为arm处理器，所述处理器包括dsp内核。

可选的，所述电机驱动电路为全桥式电机驱动电路。

可选的，所述传动装置包括减速器；

所述减速器与所述电机的输出轴连接，所述电机的输出轴带动所述减速器旋转。

可选的，所述传动装置还包括输出轴齿轮、负载轴和负载轴齿轮；

所述输出轴齿轮与所述减速器连接，所述负载轴齿轮与所述输出轴齿轮咬合，所述负载轴与所述负载轴齿轮连接；

所述磁铁与所述负载轴连接。

可选的，电机闭环控制系统还包括主支架和齿轮固定支架；

所述主支架与所述齿轮固定支架连接；

所述负载轴齿轮位于所述主支架与所述齿轮固定支架之间。

可选的，所述磁铁和所述磁编码传感器均位于所述负载轴的中轴线上。

可选的，所述光栅码盘位于所述电机的后出轴的中轴线上；

所述光电编码传感器包括光源和光敏器件，所述光栅码盘位于所述光源和所述光敏器件之间。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种机器人，所述机器人包括第一方面所述的任一电机闭环控制系统。

本实用新型实施例提供的技术方案，通过采用光电编码传感器和磁编码传感器两个编码传感器来获取电机的相对位置信息和绝对位置信息，其中光电编码传感器用于反馈电机的相对位置信息，分辨率高、响应时间短；磁编码传感器反馈电机的绝对位置，从而在保证系统响应速度和控制精度的同时，解决现有的电机闭环控制系统断电后无法保存光电编码传感器的位置数据，重新上电后需要对绝对位置进行复位检测的技术问题，实现了具有绝对位置检测功能的电极闭环控制系统。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种电机闭环控制系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种电机闭环控制系统的部分剖面结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种控制电路板的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种光电编码传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1为本实用新型实施例提供的一种电机闭环控制系统的结构示意图，图2为本实用新型实施例提供的一种电机闭环控制系统的部分剖面结构示意图，如图1和图2所示，本实用新型实施例提供的电机闭环控制系统包括：电机11、光栅码盘12、光电编码传感器13、磁铁14、磁编码传感器15、控制电路板16和传动装置17。光栅码盘12与电机11的后出轴111固定连接，后出轴111带动光栅码盘12旋转，光电编码传感器13与控制电路板16电连接，光电编码传感器13采集光栅码盘12的光栅信号。磁铁14与传动装置17固定连接，传动装置17带动磁铁14转动，磁编码传感器15与控制电路板16电连接，磁编码传感器15采集磁铁14的磁信号。控制电路板16与电机11电连接，电机11与传动装置17连接，传动装置17与负载18连接。

其中，光电编码传感器13通过采集光栅码盘12的光栅信号产生第一电信号，控制电路板16根据光电编码传感器13的第一电信号获取电机11的相对位置信息，磁编码传感器15通过采集磁铁14的磁信号产生第二电信号，控制电路板16根据磁编码传感器15的第二电信号获取电机11的绝对位置信息。

本实用新型实施例提供的技术方案，通过采用光电编码传感器13和磁编码传感器15两个编码传感器来获取电机11的相对位置信息和绝对位置信息，其中光电编码传感器13用于反馈电机11的相对位置信息，分辨率高、响应时间短；磁编码传感器15反馈电机11的绝对位置，从而在保证系统响应速度和控制精度的同时，解决现有的电机闭环控制系统断电后无法保存光电编码传感器13的位置数据，重新上电后需要对绝对位置进行复位检测的技术问题，实现了对电机11的绝对位置检测功能。

图3为本实用新型实施例提供的一种控制电路板的结构示意图，如图3所示，可选的，控制电路板16包括处理器161和电机驱动电路162。处理器161与电机驱动电路162电连接，电机驱动电路162与电机11电连接。控制电路板16还包括电流反馈电路163，电流反馈电路163与电机驱动电路162以及处理器161电连接。

其中，处理器161根据光电编码传感器13的第一电信号获取电机11的相对位置信息，处理器161根据磁编码传感器15的第二电信号获取电机11的绝对位置信息，并根据电机11的相对位置信息和绝对位置信息向电机驱动电路162发送控制信号，电机驱动电路162根据处理器161的控制信号控制电机11的速度和位置。

可选的，处理器161的控制信号为脉冲宽度调制信号(pulsewidthmodulation，pwm)，处理器161根据光电编码传感器13和磁编码传感器15的反馈，通过内部算法，输出脉冲宽度调制信号，通过调整脉冲宽度调制信号的占空比及频率控制电机11的旋转速度，处理器161控制电机驱动电路162的开关顺序及方向，从而控制电机11的旋转方向。

为了实时监测电机的运行情况，可选的，控制电路板16还包括电流反馈电路163，电流反馈电路163与电机驱动电路162以及处理器161电连接，电流反馈电路163采集电机驱动电路162的电压变化信息并转换为电流信息，并将电流信息传输至处理器161，处理器161根据该电流信息调整输出的控制信号，从而实现对电机11的精确控制。

可选的，本实用新型实施例提供的电机闭环控制电路，在电机11正常运行时，通过光电编码传感器13获取电机11的相对位置信息，并根据相对位置信息控制电机11的运行；当系统出现故障断电后再重新上电时，启动磁编码传感器15来获取电机的绝对位置信息，从而解决现有的电机闭环控制系统断电后无法保存光电编码传感器13的位置数据，重新上电后需要对绝对位置进行复位检测的技术问题，实现了对电机11的绝对位置检测功能。

可选的，本实用新型实施例提供的电机闭环控制电路，在电机11正常运行时，处理器161通过光电编码传感器13获取电机11的相对位置信息，并根据相对位置信息控制电机11的旋转速度；同时，处理器161通过磁编码传感器15获取电机11的绝对位置信息，并根据绝对位置信息控制电机11的旋转角度和位置，从而解决只依据相对位置信息控制电机11运行时可能会出现的掉步的问题，通过采用双编码器同时保证了系统响应速度和控制精度。当系统出现故障断电后再重新上电时，通过磁编码传感器15来获取电机的绝对位置信息，从而解决现有的电机闭环控制系统断电后无法保存光电编码传感器13的位置数据，重新上电后需要对绝对位置进行复位检测的技术问题，实现了对电机11的绝对位置检测功能。

可选的，处理器161为arm处理器，处理器161包括dsp内核。

其中，处理器161采用arm处理器，内部嵌有dsp内核，从而进行计算转换及逻辑控制，arm(advancedriscmachine)是高级精简指令集的简称，arm处理器体积小、功耗低、成本低且性能高；dsp(digitalsignalprocessing)内核为数字信号处理器，是一种专用于实时的数字信号处理的微处理器，运算能力强、速度快、体积小并且成本低、功耗低，能够辅助arm处理器进行计算。

可选的，电机驱动电路162为全桥式电机驱动电路。

其中，全桥式电机驱动电路能够实现电机11的正转、正转制动、反转、反转制动，控制电机11的旋转速度，效率高且电路简单。

继续参考图1和图2所示，可选的，传动装置17包括减速器171，减速器171与电机11的输出轴连接，电机11的输出轴带动减速器171旋转。

其中，减速器171是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动所组成的独立部件，用于将电机11高速运转的动力通过减速器171的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的，用于匹配电机11和传动装置17之间的转速，并起到传递转矩的作用。

继续参考图1和图2所示，可选的，传动装置17还包括输出轴齿轮172、负载轴173和负载轴齿轮174。输出轴齿轮172与减速器171连接，负载轴齿轮174与输出轴齿轮174咬合，负载轴173与负载轴齿轮174连接，磁铁14与负载轴173连接。

其中，减速器171的输出轴上安装输出轴齿轮172，通过输出轴齿轮172带动负载轴齿轮174旋转，负载轴齿轮174安装在负载轴173上，从而带动负载轴173转动。磁铁14固定在负载轴173朝向电机11的一端，负载18固定在负载轴的另一端。电机11工作时，电机11旋转带动减速器171旋转，减速器171带动输出轴齿轮172旋转，输出轴齿轮172带动负载轴齿轮174转动，负载轴齿轮174带动负载轴173转动，负载轴173带动负载18转动。

继续参考图1和图2所示，可选的，本实用新型实施例提供的电机闭环控制系统还包括主支架191和齿轮固定支架192，主支架191与齿轮固定支架192连接，负载轴齿轮174位于主支架191与齿轮固定支架192之间。

其中，将减速器171和负载轴173固定安装在主支架191上，主支架191用于固定减速器171、输出轴齿轮172、负载轴齿轮174和负载轴173的位置，齿轮固定支架192起到固定负载轴齿轮174和负载轴173位置的作用、并防止工作人员夹伤，起到保护作用。

可选的，磁铁14和磁编码传感器15均位于负载轴173的中轴线上。

其中，磁铁14安装在负载轴173的一端，负载轴173转动带动磁铁14转动，从而使磁铁14的磁极方向随着负载18的转动而改变。磁编码传感器15安装在主支架191上，磁编码传感器15的中心与磁铁14对齐，当负载轴173带动磁铁14旋转时，磁编码传感器15能够准确的检测出磁铁14的磁场偏移角度，从而确认当前负载18的角度或位置，磁编码传感器15产生的数据为绝对值，即绝对位置信息，即使检测过程中受到外力干扰也依然可以准确检测出负载18的旋转位置。磁铁14安装在负载轴173的一端的中轴线上，从而使得磁编码传感器15的检测结果更加精确，磁编码传感器15通过导线与控制电路板16相连，从而向控制电路板16反馈电机11的绝对位置信息。

可选的，光栅码盘12位于电机11的后出轴111的中轴线上。图4为本实用新型实施例提供的一种光电编码传感器的结构示意图，如图4所示，光电编码传感器13包括光源131和光敏器件132，光栅码盘12位于光源131和光敏器件32之间。

其中，光栅码盘12安装于电机11的后出轴111上，电机11旋转带动光栅码盘12旋转，光电编码传感器13固定安装在电机11朝向后出轴111一端的尾部，光电编码传感器13包括光源131和光敏器件132，光源131发出的光经过光栅码盘12照射到光敏器件132上，光敏器件132根据光栅码盘12的透射光产生第一电信号。电机11和光电编码传感器13均通过导线与控制电路板16相连，控制电路板16根据光电编码传感器13的第一电信号获取电机11的相对位置信息，并根据相对位置信息控制电机11的旋转。光栅码盘12安装于电机11的后出轴111的中轴线上，保证光电编码传感器13检测电机11相对位置信息的精确度。

本实用新型实施例提供的技术方案，通过采用光电编码传感器13和磁编码传感器15两个编码传感器来获取电机11的相对位置信息和绝对位置信息，其中光电编码传感器13用于反馈电机11的相对位置信息，分辨率高、响应时间短；磁编码传感器15通过检测磁场角度或者位移测量技术反馈电机11的绝对位置，从而在系统故障后，不再需要上电后处理或采用备用电池的方式来保证位置数据不丢失，提高了系统的可靠性，在保证系统响应速度和控制精度的同时，解决现有的电机闭环控制系统断电后无法保存光电编码传感器13的位置数据，重新上电后需要对绝对位置进行复位检测的技术问题，实现了对电机11的绝对位置检测功能。

基于同样的发明构思，本实用新型实施例还提供了一种机器人，该机器人包括上述实施例提供的任一电机闭环控制系统，与上述实施例相同或相应的结构以及术语的解释在此不再赘述。

本实用新型实施例提供的机器人能够根据光电编码传感器13和磁编码传感器15反馈的电机11的相对位置信息和绝对位置信息，实时控制机器人的行走速度和位移，使得机器人的运动更加精确。通过磁编码传感器15反馈电机11的绝对位置，在保证系统响应速度和控制精度的同时，解决现有的电机闭环控制系统断电后无法保存光电编码传感器13的位置数据，重新上电后需要对绝对位置进行复位检测的技术问题，实现了对电机11的绝对位置检测功能。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。