[发明专利]双旋变信号处理系统

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及机器人一体化关节双旋变信号处理系统的设计。

背景技术

机器人关节是集机械、电子、传感器、控制于一体的机电系统。目前，机器人关节主要存在以下问题：关节内部集成度低造成的关节体积、重量的增加，精度降低；关节对外接口复杂所造成的布线困难、可靠性降低以及重复开发；由于关节的发热重要集中在电机和电机驱动器附近，导致关节变形，影响了关节精度。尤其在空间环境下，该问题将更加突出。为解决以上问题，2001年安装在国际空间站加拿大二臂，2005年安装在国际空间站的德国宇航中心双关节机器人ROKVIS，2007年哈尔滨工业大学与德国宇航中心联合研制了一种小型高集成度空间机械臂模块化关节和2007年北京邮电大学研制的空间机械臂构造模块，均采用了模块化设计方法。模块化机器人关节，可以组成不同结构的机械臂，同时采用大中心孔设计方法实现了关节的内部走线，避免了特殊环境对导线及其传输信号的影响。针对模块化关节的问题，提出对空间机械臂关节进行高内聚、低耦合一体化设计。

机器人一体化关节集电机，驱动器，控制器，传动机构，空间环境控制及布线于一体，具有高内聚，低耦合，高刚性和轻量化的特点。为了符合一体化关节的各项要求，要求电机驱动器，控制器符合微小型的特点。一体化关节电机采用永磁同步电机，位置传感器采用旋转变压器。旋转变压器是高精度位置检测绝对角位置传感器，输出信号为模拟信号，其特点是无需维护，使用可靠，寿命长，耐油污等。对于正余弦旋转变压器其输出为一个正弦信号和一个余弦信号，而转子的位置信号就包含在这个正-余弦信号中，要从两路模拟信号解码得到转子位置的高精度数字信号是不容易的。

在现有的技术中，很多公司针对旋转变压器解码复杂这一情况，开发了一系列的旋转变压器专用解码芯片：如ANALOG DEVICES公司开发的AD2S80系列和多摩川公司的Au6802系列等。这些专用解码芯片能够快速，高精度的解码得到转子的数字位置量。例如，使用ANALOG DEVICES公司开发的AD2S99作为供给旋转变压器激励信号的芯片和AD2S82作为旋转变压器解码芯片。但是，本发明的发明人发现此技术并不适于应用在一体化关节中：

由于一体化关节内部空间小，对电路板有微型化的要求，而解码双旋变输出信号需要两套解码芯片，即各两个AD2S99与AD2S82芯片，占用空间较大，并且同时需要使用正负12V电源，正负5V电源等多路电源，功耗较大，使得电路复杂。因为需要的电源模块和芯片过多，可靠性差。而一体化关节内部空间狭小，散热困难。所以此技术不符合一体化关节对电路板微型化的要求，并且他们普遍价格昂贵达过万元，采用这些专用解码芯片无疑将大大增加系统成本。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供一种体积小、精度高、成本低的双旋转变压器信号处理系统，以及应用了该系统的一体化关节，以解决现有技术的问题。本发明通过以下技术方案实现。

一种双旋转变压器信号处理系统，用于对机器人的关节进行控制，所述系统主要由两个旋转变压器、调理电路、解码DSP和控制DSP组成，所述解码DSP用于对来自所述两个旋转变压器的信号进行处理，并计算所述两个旋转变压器的角位置；所述控制DSP用于接收所述解码DSP求得的所述两个旋转变压器的角位置，其中：

所述解码DSP被配置为发送两路频率相同、相位相反的PWM信号，所述PWM信号经参考信号调理电路滤波和放大得到正弦激励信号，输送给所述两个旋转变压器；

所述两个旋转变压器的输出信号经过输出信号调理电路由所述解码DSP的A/D通道采样，所述解码DSP通过反正切运算得到所述两个旋转变压器的角位置。

优选地，所述解码DSP的A/D通道采样过程包括：

(1)以相对于参考频率，即旋转变压器额定频率，2K倍的频率对经过输出信号调理电路的所述输出信号进行采样；

(2)使用数字滤波器对采样结果进行处理；

(3)抽取数字序列，对使用数字滤波器处理后的采样结果每2K个采样值进行一次数据抽取。

优选地，所述正弦激励信号利用所述PWM信号脉宽调制输出加上模拟积分器来生成。

本发明还提供了一种用于机器人的一体化关节，包括电机和双旋转变压器信号处理系统，所述双旋转变压器信号处理系统主要由两个旋转变压器、调理电路、解码DSP和控制DSP组成，

所述两个旋转变压器用于测量所述电机的角位置和所述关节的角位置；