CN104104280A - 电机控制装置 - Google Patents

Abstract

用于进行串联控制以驱动一个可移动部件的电机控制装置，对于每个电机，所述电机控制装置包括位置控制器，速度控制器和电流控制器。此外，每个电极还具有用于向由速度控制器计算的扭矩指令Tm以及由速度控制器计算的扭矩指令Ts增加预载扭矩。预载控制器根据可移动部件的位置计算要消除齿隙所需的最小必要预载扭矩。

Description

电机控制装置

相关申请的交叉引用

本申请要求以于2013年4月12日提交的日本专利申请2013-083697为优先权，并在此以引用的方式并入该申请的全部内容。

技术领域

本发明涉及用于对多个电机进行串联驱动的控制装置，所述电机用在例如机床中；本发明尤其涉及一种控制方法，该方法通过利用在要施加给电机的扭矩指令值上具有不同极性的微扭矩进行补偿，来消除来自动力传递机构的、引起控制中的不稳定性的因素，所述动力传递机构通常包括位于电机与控制目标之间的皮带或齿轮。此外，本发明涉及对要施加给电机的电流进行控制，使该电流根据机器的状态而改变。

背景技术

当机器、例如机床，包括要移动的大型可移动部件，而又无法使用单一电机来驱动时，将移动指令提供给多个电机，以进行串联控制，其中，可移动部件在同一移动轴上的移动是通过多个电机来驱动和控制的。

JP 2003-079180 A公开了一种串联控制的电机控制装置的技术，其使用主电机和辅助电机来驱动一个可移动部件，所述串联控制的电机控制装置包括扭矩仲裁器，用于对主控制装置用的扭矩指令与辅助控制装置用的扭矩指令之间的差进行低通滤波，以校准辅助控制装置用的扭矩指令。图6是展示用在JP 2003-079180 A公开的串联控制中的主要部件的框图。参见图6，位置控制器（未图示）基于用于控制可移动部件的位置的共同位置指令，以及由位置探测器4探测的位置反馈信息，计算电机的速度指令。

速度控制器11和21基于从位置控制器接收到的速度指令，以及由速度探测器15和25探测的速度反馈信息，通过进行控制、如PI控制，分别计算扭矩指令Tm和Ts。扭矩仲裁器40对主控制装置用的扭矩指令Tm与辅助控制装置用的扭矩指令Ts之间的差进行低通滤波，并将结果添加至辅助控制装置用的扭矩指令。电流控制器12和22基于扭矩指令Tm和Ts以及电流反馈信息，计算电压指令。电流反馈信息在此不作描述。

基于电流控制器12和22输出的电压指令，伺服放大器13和23输出用于驱动电机14和24的驱动电流，并驱动电机14和24，这通过动力传递机构16和26使可移动部件3移动。

如上所述，多个电机14和24的位置、速度和电流环控制是基于共同位置指令进行的，且可移动部件是由从电机14和24输出的组合扭矩而驱动的。

JP 2010-172054 A公开了两个串联控制系统的技术：扭矩串联控制和位置串联控制，包括用于对扭矩指令施加预载扭矩值、以使两个电机之间的齿隙最小的校准器。图7的框图展示了基于JP 2003-079180 A中公开的串联控制的结构的主要部件，其包括用于施加JP 2010-172054 A中公开的预载扭矩值的校准器。参见图7，预载量输出器70将假定为恒定值的预载扭矩增加至主控制装置用的扭矩指令Tm中，并将极性反转的预载扭矩增加至辅助控制装置用的扭矩指令Ts中。

然而，JP 2010-172054 A中公开的向两个电机施加预载扭矩的技术不能应用在如JP 2003-079180 A中公开的具有扭矩仲裁器的串联控制的电机控制装置中，其原因是，如图7所示，如果应用了，则当施加或移除预载扭矩时，会产生扭矩仲裁值，并且可移动部件会产生位移。以下将描述当施加或移除预载扭矩时，产生位移的机制。速度控制器11和21输出扭矩指令Tm和Ts，每个用于基于速度探测器15或25的速度反馈信息，使速度偏差量变为零。在该时刻，如果忽略扭矩仲裁器40，则由于扭矩指令Tm和Ts是假定为极性不同、值相同的输出，那么，从电机输出的组合扭矩为零，且可移动部件不产生位移。然而实际上，由于扭矩仲裁器40使辅助电机用的扭矩指令Ts被认为是一个不同于主电机用的扭矩指令Tm的值，因此，从电机输出的组合扭矩不为零，并且可移动部件产生了位移。

因此，当机器的动力传递机构、如减速齿轮或齿轮具有大的齿隙或扭力矩时，由于速度和位置控制环的增益的增大使得电机震荡并导致产生振动或异常噪音，因此，应当降低增益，但这会降低后续表现。当使减速齿轮或齿轮的齿隙或扭力矩结构性地减小时，应当增大传递机构的刚度，并需要齿轮具有更高的精度（等级），而这提高了成本。

在具有如JP 2010-172054 A中公开的、用于施加预载扭矩值的校准器的串联控制的电机控制装置中，当轴结构在重力影响下需要支撑扭矩时，由于扭矩指令中增加了支撑扭矩和用于使齿隙最小化的预载扭矩，因此，电机产生更大的热量。于是，更大的热位移改变了轴的中心，导致加工精度的降低，或使机器响应过载告警而停止以保护电机，导致加工效率的降低。

可用水来冷却电机或机器，以作为一种使发热引起的热位移最小化的方法来解决问题；然而，这种方法提高了成本。此外，虽然可通过使用具有更大的连续额定功率的电机、以作为一种使电机发热最小化的方法来解决问题，但是，电机容量的增大提高了成本，而且，由于电机的容量增大了，这种方法使机器的尺寸变大并降低了机器的设计灵活性。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种电机控制装置，其使用主电机和辅助电机进行串联控制，以驱动一个可移动部件，对于该可移动部件，由重力引起的负载的量根据所述可移动部件的位置而改变，对于每个电机，所述电机控制装置包括：位置控制器，其用于基于共同位置指令计算相应电机的速度指令，所述共同位置指令用于控制所述可移动部件的位置；速度控制器，其用于基于由所述位置控制器计算的所述速度指令计算相应电机的扭矩指令；预载控制器，其用于向由所述速度控制器计算的所述扭矩指令施加预载扭矩，所述预载扭矩对于所述主电机和所述辅助电机具有相反的极性；以及电流控制器，其用于基于所述扭矩指令计算相应电机的电流指令；其中，所述预载控制器使得要施加的预负荷扭矩根据所述可移动部件的位置而改变。

进一步地，在根据本发明的电机控制装置中，预载控制器优选地施加作为预载扭矩的一个值，该值通过预定参考扭矩乘以一系数而得到，所述系数根据所述可移动部件的位置而改变，并且优选地，所述系数在关于给定原点对称的常系数范围之内是不变的，而在所述常系数范围之外随着与所述原点距离的增大而减小。

进一步地，在根据本发明的电机控制装置中，要施加的预载扭矩优选地与用于将所述可移动部件支撑在指令位置上的支撑扭矩之和保持恒定，而与所述可移动部件的位置无关，所述支撑扭矩根据所述可移动部件的位置而改变。

根据本发明的另一方面，提供了一种电机控制装置，其用于使用主电机和辅助电机进行串联控制，以驱动一个可移动部件，对于每个电机，所述电机控制装置包括：位置控制器，其用于基于共同位置指令计算用于相应电机的速度指令，所述共同位置指令用于控制所述可移动部件的位置；速度控制器，其用于基于由所述位置控制器计算的所述速度指令计算相应电机的扭矩指令；预载控制器，其用于向由所述速度控制器计算的所述扭矩指令施加预载扭矩，所述预载扭矩具有对于所述主电机和所述辅助电机的相反极性；以及电流控制器，其用于基于所述扭矩指令计算相应电机的电流指令；其中，所述电机控制装置进一步包括扭矩仲裁器，其用于计算扭矩仲裁值，该扭矩仲裁值用于根据从施加或移除预载扭矩后已过去的最少时间，对由主电机用的速度控制器所计算的扭矩指令与由辅助电机用的速度控制器所计算的扭矩指令之间的差进行仲裁，并在扭矩指令被输入辅助电机用的电流控制器之前，将扭矩仲裁值增加至扭矩指令中。

此外，在根据本发明的电机控制装置中，扭矩仲裁器优选地输出零作为扭矩仲裁值，直到从施加或移除预载扭矩后过去的时间达到了预定参考时间段；并当从施加或移除预载扭矩后过去的时间超过了预定参考时间段时，输出通过对由主电机用的速度控制器所计算的扭矩指令与由辅助电机用的速度控制器所计算的扭矩指令之间的差进行低通滤波而获得的值作为扭矩仲裁值。

利用本发明，包括扭矩仲裁控制器和用于施加预载扭矩的预载控制器的串联控制电机控制装置计算扭矩仲裁值，用于根据从施加或移除了预载扭矩后已过去的时间对辅助电机用的扭矩指令进行校准。因此，有可能使预载扭矩引起的可移动部件的位移最小化。

此外，通过使预载扭矩依据可移动部件的位置而改变，当轴在重力作用下需要支撑扭矩时，有可能避免电机发出更多热量的情形，这是因为扭矩指令中增加了支撑扭矩和预载扭矩；并且，由于热位移最小化了，有可能防止加工精度的降低，或响应过载告警而停止机器以保护电机。

附图说明

以下将结合附图，详细描述本发明的优选实施例，其中：

图1是根据本发明一个实施例的串联控制电机控制装置的控制系统框图，该控制系统具有扭矩仲裁控制器和用于施加预载扭矩的预载控制器；

图2A和2B是应用本发明的动力传递机构的模型图；

图3展示了应用本发明的、在重力作用下的轴；

图4是展示图1所示的扭矩仲裁控制器的框图；

图5示例了用于计算要施加至重力作用下的机构上的预载可变量的一个函数，该预载可变量由图1所示的预载量计算器6计算；

图6是展示现有技术串联控制用的主要部件的框图；

图7是展示施加了预载扭矩的现有技术串联控制用的主要部件的框图。

具体实施方式

参考附图，以下将描述本发明的一个实施例。除非另有所指，否则标示有相同附图标记或数字的元件、信号等具有相同的功能和相同的性能。

图1是根据本发明一个实施例的串联控制电机控制装置的控制系统框图，该控制系统具有扭矩仲裁控制器和用于施加预载扭矩的预载控制器。与现有技术相对应的部件在此不重复描述。

参见图1，预载控制器10包括预载量控制器6，用于基于位置探测器4探测的位置信息计算和输出预载量，还包括预载固定量输出器5，用于输出预载固定量。预载控制器10具有这样的功能：确定预载量改变功能——即改变预载量的功能——是开还是关，以选择要输出的预载扭矩。通过在可移动部件不受重力影响时关闭预载量改变功能，机构能通过施加恒定的预载而使齿隙最小化；而通过在可移动部件正处于重力影响下打开预载量改变功能，可根据要被驱动的机构来选择预载扭矩。用于预载量的可变值根据可移动部件（例如机器状态或旋转轴角度）的位置而改变。已输出的预载扭矩被添加至速度控制器11计算出的扭矩指令值Tm，并在反相器8将极性反转后添加至扭矩指令值Ts。

图4是展示图1所示的扭矩仲裁控制器9的框图。该扭矩仲裁控制器9包括如JP 2003-079180 A中公开的扭矩仲裁器40、用于输出零的零值输出器41、以及开关47，所述开关47用于根据预载扭矩应用计数器从扭矩仲裁器40和零值输出器41的输出中选择一个。

当预载扭矩应用计数器小于或等于设定的计数器上限值时，开关47选择来自零值输出器41的输出；当预载扭矩应用计数器超出设定的计数器上限值时，开关47选择来自扭矩仲裁器40的输出。

预载扭矩应用计数器从0开始，在预载扭矩未改变时不增大，从开始施加或移除预载扭矩的时刻开始增大，并在预载扭矩应用计数器超过设定的计数器上限值后停止增大。当开始移除或施加预载扭矩时，计数器重置为0。在开始施加预载扭矩后，计数器上限值设定一段时间，直到电机14或24的速度偏差归于0。

在施加或移除预载后，在电机14或24仍有速度偏差量时，扭矩仲裁控制器9将扭矩仲裁值设定为零。从速度偏差量开始变为零的时刻开始，扭矩仲裁控制器9将扭矩仲裁器40输出的扭矩仲裁值增加至辅助电机用的扭矩指令。这样，可防止可移动部件产生位移。

图2A和2B是应用本发明的动力传递机构的模型图。图2A展示了用于将动力从电机经齿轮传递至可移动部件的机构，其中齿隙存在于可移动部件齿轮20与主电机齿轮28之间，以及可移动部件齿轮20与辅助电机齿轮29之间。在这样的机构中，当图6所示的现有技术中的速度和位置控制环的增益增大时，由于齿隙使电机振荡以产生振动或异常噪音，因此无法增大增益。

图2B展示的是施加具有针对主电机和辅助电机的不同极性的预载，因而可使齿隙最小化。在图7所示的现有技术，以及图1所示的本发明中，通过将具有不同极性的预载扭矩增加至扭矩指令Tm和Ts，来使齿隙最小化。

图3展示了应用本发明的、在重力作用下的轴。图3示意了耳轴结构的操作，该耳轴结构用在例如机床中。耳轴结构通过向旋转轴的中央30施加动力，经臂31驱动物体32。在轴驱动方向上的重力的影响取决于旋转角度而有所不同，并且，施加了用于抵消重力影响的支撑扭矩。在轴驱动方向上重力影响为最小的位置假定是在0度时，支撑扭矩由M × g × sinθ表示，其中M表示物体32的质量，g表示重力加速度，θ表示旋转角度。

当耳轴结构受使用齿轮作为动力传递机构的串联控制电机控制装置驱动和控制时，由于用于电机的扭矩指令包括支撑扭矩和预载扭矩，因此，施加预载扭矩以使齿隙最小化的行为增大了发热量。因此，可能产生过载告警来保护电机。此外，由于对主电机和辅助电机施加了具有不同极性的预载扭矩，因此，电机的发热可能不平衡，这会导致驱动轴不再对齐。因此，为使电机发热最小化，以及使重力影响下的机构中的齿隙最小化，有必要控制要施加的预载扭矩，从而将支撑扭矩与要施加的预载扭矩之和调节为等于消除齿隙的最小必要扭矩。以耳轴结构为例，预载扭矩理想地是从To中减去M × g × sinθ得到的值，其中θ表示旋转角度，To表示在0度角度时施加的预载扭矩。此处，当假定在角度θ处施加的支撑扭矩是K _θ 时，由于等式K _θ  = M x g x sinθ，因此，在角度θ处要施加的预载扭矩                                               由等式 = To - 确定，并且，还可考虑到，预载扭矩T _θ 与支撑扭矩K _θ 之和理想地保持为等于恒定值To。

图5展示了函数的一个例子，所述函数用于计算要施加至重力作用下的机构上的预载可变量，其由图1所示的预载控制器10来计算。图5所示的函数表示可变系数K（K ≤ 1），预载扭矩乘以该系数。可变系数K在位于(-θp)和θp之间范围的区域A为1，在区域A外的范围发生改变，形成正弦波，其中，在θ = 90度的位置处可变系数K最小。下式1表示可变系数K：

K = 1 ((-θp) < θ < θp)

       K = 1 - α x sinθa ((-90) ≤ θ < (-θp), 和 θp ≤ θ ≤ 90)

       其中，θa = (θ - θp) x 90 / (90 - θp)

在此，θ表示可移动部件的角度，θp表示恒定预载范围，表示α最小校正系数值(0 ≤ α ≤ 1)。参见图5，函数“a”，即51，表示通过将等式1中的α替换为1而得到的可变系数K，而函数“b”，即50，表示通过将等式1中的α替换为非1的值而得到的可变系数K。

在图5所示的函数“a”51或函数“b”50中，可根据例如动力传递机构中的齿隙或扭力矩来设定区域A，即(-θp) < θ < θp的范围。由于在接近0度时重力影响小，因此，上述方法在需要大的预载扭矩量的机构中是有效的。例如，在一个需要使0度到接近45度的角度处可变系数K ≥ 0.5的机构中，基于式1，θp可设定为大于或等于22.5 (θp ≥ 22.5)。自然地，如果例如在接近0度的角度处齿隙或扭力矩不明显，则无需提供区域A。在函数“b”、即50中，可根据例如接近90度角度处的反冲或扭力矩来设定90度角度处设置的偏移量B (1 - α)。在一个接近90度角度处的支撑扭矩不足以使齿隙最小化的机构中，上述方法是有效的。例如，在一个在90度角度处施加的支撑扭矩为要消除齿隙需要的预载扭矩的0.7倍的机构中，可将α设定为等于0.3 (α = 0.3)。自然地，如果仅利用接近90度角度处的支撑扭矩便可消除齿隙，则没有必要提供偏移量B。

通过使用函数“a”、即51，或函数“b”、即50来计算预载扭矩，将支撑扭矩与要施加的预载扭矩之和调节为等于要消除齿隙的最小必要扭矩，并且，有可能使电机发热最小化并消除齿隙。

尽管前述说明中未描述，然而，可通过在主机控制设备、主控制设备或辅助控制设备其中一个进行的计算来执行预载控制器10。此外，尽管描述的是利用来自位置探测器的位置反馈信息计算预载可变量，然而，也可从主机控制设备中的位置指令来计算预载可变量。

Claims (5)

1.电机控制装置，其使用主电机和辅助电机进行串联控制来驱动一个可移动部件，对于该可移动部件，由重力引起的负载量根据可移动部件的位置而改变，对于每个电机，所述电机控制装置包括：

位置控制器，其基于共同位置指令来计算相应电机的速度指令，所述共同位置指令用于控制所述可移动部件的位置；

速度控制器，其用于基于由所述位置控制器计算的所述速度指令来计算相应电机的扭矩指令；

预载控制器，其用于向由所述速度控制器计算的所述扭矩指令施加预载扭矩，所述预载扭矩对所述主电机和所述辅助电机具有相反极性；以及

电流控制器，其用于基于所述扭矩指令计算用于相应电机的电流指令；

其中，所述预载控制器使得要施加的预载扭矩根据所述可移动部件的位置而改变。

2.根据权利要求1所述的电机控制装置，其中，所述预载控制器施加所述预载扭矩，该预载扭矩是由预定参考扭矩乘以一系数得到的值，所述系数根据所述可移动部件的位置而改变，并且所述系数在关于给定原点对称的常系数范围内是不变的，而在所述常系数范围外随着到所述原点的距离增大而减小。

3.根据权利要求2所述的电机控制装置，其中，要施加的预载扭矩与用于将所述可移动部件支撑在指令位置上的支撑扭矩之和保持恒定，而与所述可移动部件的位置无关，其中，所述支撑扭矩根据所述可移动部件的位置而改变。

4.电机控制装置，其使用主电机和辅助电机进行串联控制以驱动一个可移动部件，对于每个电机，所述电机控制装置包括：

位置控制器，其用于基于共同位置指令计算相应电机的速度指令，所述共同位置指令用于控制所述可移动部件的位置；

速度控制器，其用于基于由所述位置控制器计算的所述速度指令计算相应电机的扭矩指令；

预载控制器，其用于向由所述速度控制器计算的所述扭矩指令施加预载扭矩，所述预载扭矩对于所述主电机和所述辅助电机具有相反极性；以及

电流控制器，其用于基于所述扭矩指令计算相应电机的电流指令；

其中，所述电机控制装置进一步包括扭矩仲裁器，其用于根据从施加或移除所述预载扭矩后已过去的最少时间，对由所述主电机用的速度控制器所计算的扭矩指令与由所述辅助电机用的速度控制器所计算的扭矩指令之间的差进行仲裁，并在所述扭矩指令被输入所述辅助电机用的电流控制器之前，将扭矩仲裁值增加至所述扭矩指令中。

5.根据权利要求4所述的电机，其中，

所述扭矩仲裁器输出零作为扭矩仲裁值，直到从施加或移除所述预载扭矩后过去的时间达到预定参考时间段；并当从施加或移除所述预载扭矩后过去的时间超过预定参考时间段时，输出通过对由所述主电机用的速度控制器所计算的扭矩指令与由所述辅助电机用的速度控制器所计算的扭矩指令之间的差进行低通滤波而获得的值作为扭矩仲裁值。