CN104813580A - 电机驱动系统以及电机控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种耐环境性能良好且能够以低成本构筑的电机驱动系统以及用于该电机驱动系统的电机控制装置。具备电机、设置在电机与负载之间的转矩传感器、以及控制电机的驱动的电机控制装置。电机控制装置具备根据由转矩传感器检测出的转矩检测信号、来推定电机的速度以及位置中的至少一方的推定部。

Description

电机驱动系统以及电机控制装置
技术领域
本发明涉及电机驱动系统以及电机控制装置。
背景技术
以往，在具备电机的系统中，在进行电机的驱动控制的情况下，通常采用编码器等的位置传感器对电机的位置、速度(旋转角、旋转速度)进行检测(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-095154号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，编码器等的位置传感器在振动、冲击这样的耐环境性能方面稍稍存在不足，且为高价格。另一方面，近年以来，已知根据电机的电压以及电流来求出电机的位置、速度的所谓采用了无编码器的电机的系统，但有可能无法充分地对转矩脉动进行补偿。
实施方式的一个方案就是鉴于上述的状况而作出的，其目的在于，提供耐环境性能良好且能够以低成本构筑的电机驱动系统以及电机控制装置。
用于解决课题的技术方案
实施方式的一个方案所涉及的电机驱动系统具备：电机；设置在该电机与负载之间的转矩传感器；以及控制所述电机的驱动的电机控制装置。所述电机控制装置具备根据所述转矩传感器的检测信号来推定所述电机的速度以及位置中的至少一方的推定部。
发明效果
根据实施方式的一个方案，能够以低成本实现耐环境性能良好并且能够提高动作性能的电机驱动系统以及电机控制装置。
附图说明
图1是表示适用了实施方式所涉及的电机驱动系统的机器人的一例的说明图。
图2A是表示上述电机驱动系统的一例的框图。
图2B是表示上述电机驱动系统的另一例的框图。
图3是表示实施方式所涉及的电机控制装置的说明图。
图4是表示电机控制装置的变形例的说明图。
图5是表示由上述电机控制装置所具有的推定部实现的推定功能的原理的说明图。
图6是表示由上述推定部实现的推定功能的原理的说明图。
图7是表示另一实施方式所涉及的电机驱动系统的说明图。
图8A是表示基于实施方式所涉及的转矩传感器的主视观察下的说明图。
图8B是图8A的I-I线的剖视图。
图9A是表示应变计的向上述转矩传感器的安装状态的一例的说明图。
图9B是表示由上述应变计组装而成的电桥电路的说明图。
图10A是表示应变计的向上述转矩传感器的安装状态的另一例的说明图。
图10B是表示由上述应变计组装而成的电桥电路的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图对本申请所公开的电机驱动系统以及电机控制装置的实施方式进行详细的说明。另外，本发明并不限于以下所示的实施方式。
图1是表示适用了实施方式所涉及的电机驱动系统的机器人1的一例的说明图。另外，以下，存在将相对于设置有机器人1的设置面G大致垂直的方向表现为上下方向的情况。
如图所示，机器人1具备：相对于固定设置在设置面G上的基台10而安装成经由回转部20向水平方向回转自如的主体部11；与该主体部11连动连结的臂部12；以及设于该臂部12的前端的肘节部13。在该肘节部13的前端适当地连结有适应于各种用途的末端执行器(未图示)。
另外，臂部12以及肘节部13分别构成为经由第一～第四关节部21～24而绕轴转动自如。臂部12具备：相对于主体部11而连结成经由第一关节部21上下摇动自如的第一臂部12a；以及经由第二关节部22而上下摇动自如地连结在该第一臂部12a的前端部的第二臂部12b。
肘节部13相对于第二臂部12b而连结成经由第三关节部23绕轴转动自如且经由第四关节部24而上下摇动自如。
以回转部20为首，第一～第四关节部21～24内置有对作为可动部件的主体部11、臂部12、肘节部13进行驱动的致动器。本实施方式所涉及的机器人1具备作为致动器的电机2以及转矩传感器3。并且，如图所示，所述电机2以及转矩传感器3与对该电机2的驱动进行控制的电机控制装置4电连接。
在此，对所述电机控制装置4进行说明，并且对具备该电机控制装置4的电机驱动系统进行具体的说明。
图2A是表示电机驱动系统的一例的框图。例如，当将电机驱动系统适用于第一关节部21时，如图所示，在第一关节部21设有作为对第一臂部12a进行驱动的驱动源的电机2和电机2驱动时对转矩进行检测的转矩传感器3。
转矩传感器3设置在电机2和作为可动部件的一例且成为电机2的负载的第一臂部12a之间。在此，示出了电机2和转矩传感器3一体构成的例子，来作为在电机2中一体装入转矩传感器3而成的传感器一体型电机2a。
图2B是表示电机驱动系统的另一例的框图，如图所示，在第一关节部21设有电机2以及、与该电机2连动连结的减速器5和转矩传感器3一体构成的传感器一体型减速器5a。
即，在图1所示的机器人1的第一关节部21配设有传感器一体型电机2a、或者电机2和传感器一体型减速器5a，从而使第一臂部12a进行摇动。另外，虽然省略了图示，但也可以代替不具备减速器5的传感器一体型电机2a、与电机2分体的传感器一体型减速器5a，而采用电机2、减速器5以及转矩传感器3一体构成的传感器一体型致动器。
如图2A以及图2B所示，控制电机2的驱动的电机控制装置4具备：电流控制部41；位置/速度控制部42；推定部43。
详细情况在后叙述，推定部43根据从转矩传感器3反馈的转矩检测信号Tfb，推定电机2的速度或者位置中的任一方，并将作为推定结果的机械角速度向位置/速度控制部42输出，并将推定电角度向电流控制部41输出。另外，位置/速度控制部42根据来自推定部43的机械角速度和速度指令，将电流指令向电流控制部41输出。这样，电流控制部41根据作为由电流检测器检测到向电机2供给的输出电流的信号的反馈电流Ifb、来自推定部43的电机2的推定电角度、以及来自位置/速度控制部42的电流指令来对电机2进行控制。
如此，本实施方式中的电机控制装置4无需采用如编码器等那样高价且在振动、冲击这样的耐环境性能存在不足的位置检测器，而采用耐环境性能良好的转矩传感器3来进行电机2的控制。因而，可以实现虽然为低成本但能够提高动作性能的电机驱动系统以及电机控制装置4。
在此，对电机控制装置4进行更加具体的说明。图3是更加具体表示电机控制装置4的说明图。
如图所示，电机控制装置4具备高频电流指令器45，该高频电流指令器45产生叠加于向电机2的输出电流的高频电流指令Idhfi。即，电机控制装置4的推定部43根据高频电流指令Idhfi以及转矩检测信号Tfb，对电机2的速度以及位置中的至少一方进行推定。另外，高频电流指令器45未必非要电机控制装置4所具备，也可以设为与电机控制装置4不同的外部装置。
电流控制部41具备：ACRd(d轴电流控制器)51；ACRq(q轴电流控制器)52；三相/dq坐标转换器55；d轴电流运算器65；加法器66、67；dq/三相坐标转换器44。三相/dq坐标转换器55为电机控制装置4所具备的坐标转换部，对与电机2同步的d-q轴旋转坐标系的d轴成分以及q轴成分进行运算，从而针对来自电机2的三相的电流Iuvw而分别导出d轴电流以及q轴电流。dq/三相坐标转换器44具备dq坐标转换部53，根据d轴电压指令Vd以及q轴电压指令Vq而导出三相电压指令Vuvw。
另外，电流控制部41具备：未图示的PWM控制器；开关元件(功率元件)；电流检测器。PWM控制器进行所谓的载波比较运算、空间矢量运算，将三相电压指令转换为PWM控制信号，并向开关元件(功率元件)输出。开关元件(功率元件)例如为IPM(Intelligent Power Module：智能功率模块)，将与来自PWM控制器的PWM控制信号相应的电流向电机供给。电流检测器配置在向电机的电流供给线上，输出检测电流信号Iuvw。
ACRd51根据来自高频电流指令器45的检波用的高频电流指令Idhfi和d轴电流指令I* d由d轴电流运算器65合成出的指令、以及从三相/dq坐标转换器55输出的d轴电流值Id，对d轴电压指令进行调整并输出。另外，ACRd 51以将d轴电流指令I* d与经由三相/dq坐标转换器55输入的d轴电流值的偏差设为零的方式对d轴电压指令进行调整。被输出的d轴电压指令利用加法器66与d轴补偿电压Vdff进行合成，并输入到PMW控制器44的dq坐标转换部53。
ACRq52根据来自位置/速度控制部42的q轴电流指令I* q和从三相/dq坐标转换器55输出的q轴电流值Iq，对q轴电压指令进行调整并输出。被输出的q轴电压指令利用加法器67与q轴补偿电压Vqff进行合成，并输入到PMW控制器44的dq坐标转换部53。
位置/速度控制部42具备：对速度指令ω*与作为来自推定部43的机械角速度的推定机械角速度ω^ m进行比较而获取偏差的减法器68；向电流控制部41的ACRq52输出q轴电流指令I* q的ASR(自动速度调整装置)56。
在此，图3所示的形态为电机控制装置4对电机2进行速度控制的情况。另一方面，电机控制装置4对电机2进行位置控制的情况如图4所示那样，进而也可以设为具备积分器71、减法器72以及APR(自动位置调整装置)73的结构。积分器71对作为来自推定部43的机械角速度的推定机械角速度ω^ m进行积分而输出推定机械角P^ m。减法器72对位置指令P*与推定机械角P^ m进行比较而获取偏差。APR(自动位置调整装置)73向ASR(自动速度调整装置)56输出速度指令ω*。另外，图4是表示电机控制装置的变形例的说明图，除了具备积分器71、减法器72以及APR(自动位置调整装置)73以外均与图3所示的结构相同。另外，积分器71也可以设置在推定部43内。由此，推定部43能够对电机的速度以及位置中的至少一方进行推定。
推定部43具备：BPF(带通滤波器)57；乘法器64；LPF(低通滤波器)58、63；减法器59；PI控制器60；积分器61；机械角运算部62。
乘法器64对从转矩传感器3反馈的转矩检测信号Tfb和从高频电流指令器45输入的高频电流指令Idhfi进行相乘。此时的转矩检测信号Tfb为利用BPF57抽取了的转矩的振动成分，将其输入到乘法器64。高频电流指令Idhfi为叠加于电机2的d轴的指令，BPF57作为对将高频电流指令Idhfi叠加于d轴时的转矩的振动成分进行抽取的振动成分抽取部来发挥功能。
由乘法器64相乘了的频率成为利用LPF58施加平均化处理而表示相位误差的信息。将其输入到减法器59，并以其振幅成为零的方式对电角速度进行调整。然后，通过PI控制器60导出推定电角速度ω^ e，由积分器61对其进行积分而获得推定电角度θ^ e。所获得的推定电角度θ^ e向电流控制部41的三相/dq坐标转换器55输出，转换为旋转坐标上的d轴电流值Id以及q轴电流值Iq并向ACRd 51以及ACRq52输出。
另一方面，推定电角速度ω^ e在利用LPF63除去噪音之后，被输入到机械角运算部62并除以极数而导出推定机械角速度ω^ m。然后，将该推定机械角速度ω^ m输出到位置/速度控制部42的减法器68。
这样，本实施方式所涉及的电机控制装置4能够直接地推定电机2的推定机械角速度ω^ m。另外，如果对该推定机械角速度ω^ m进行积分，则能够获得推定机械角P^ m，其结果是，能够推定电机2的速度或者位置的至少任一方。显然，也能够求出电机2的速度以及位置。
在此，参照图5以及图6，对由推定部43实现的速度推定或者位置推定的原理进行说明。图5以及图6是表示由电机控制装置4所具有的推定部43实现的推定功能的原理的说明图。
如图5所示，在向q轴输入有q轴(转矩)电流指令I* q时，将作为高频电流指令的检波用的高频电流指令Idhfi叠加于d轴。如果推定电角度θ^ e中不存在误差，则如(b)所示那样，转矩表示正确的波形。但是，当推定电角度θ^ e中存在误差时，由于d轴的振动成分叠加于转矩，故如(a)所示那样，转矩发生振动。如此，当推定电角度θ^ e发生偏移时，利用转矩的振动，由BPF57(参照图3以及图4)对其振动成分进行抽取。
另外，作为推定电角度θ^ e的偏移和转矩的振动的关系，在推定电角度θ^ e滞后的情况下，如图6(a)所示，d轴电流和转矩的振动成为反相位。另一方面，在推定电角度θ^ e提前的情况下，如图6(b)所示，d轴电流和转矩的振动成为同相位。
在推定电角度θ^ e或滞后或提前的情况均能够通过对作为叠加于d轴的检波信号的高频电流指令Idhfi、和由BPF57(参照图3)抽取出的振动成分进行相乘而判别。即，由检波信号与转矩振动的相乘结果所示的相位误差如图所示那样，表现为向正或者负的方向偏置的状态。
如前述那样，在导出推定电角速度ω^ e的情况下，以相位误差的振幅成为零的方式来对电角速度进行调整，但在该调整之际，在相位滞后的情况下提高电角速度、反之在相位提前的情况下降低电角速度即可。
这样，以相位误差的振幅成为零的方式调整好的推定电角速度ω^ e为在利用LPF63除去噪音之后被输入到机械角运算部62并除以极数的、图3以及图4所示的推定机械角速度ω^ m，如果对其进行积分的话，则能够获得推定机械角P^ m(图4)。
(另一实施方式)
在此，对电机驱动系统的另一实施方式进行说明。图7是表示另一实施方式所涉及的电机驱动系统的说明图。
如图所示，在该实施方式所涉及的电机驱动系统中，除了转矩传感器3以外，还具备作为对电机2的位置进行检测的位置检测器的编码器6，并且电机控制装置4具备对编码器6是否为通常驱动进行判定的判定部7。
即，判定部7一边监视编码器6的动作，一边输入来自编码器6的位置检测信号和根据来自位置/速度控制部42的转矩检测信号Tfb推定运算出的推定机械角P^ m。然后，判定部7对来自编码器6的检测信号和来自位置/速度控制部42的推定机械角P^ m进行比较，在产生规定值以上的差异的情况下，能够判定为编码器异常。
在编码器6的动作没有异常的情况下，位置/速度控制部42能够将来自编码器6的位置检测信号作为位置反馈信号来利用，并且将来自转矩传感器3的转矩检测信号Tfb作为转矩补偿信号来利用。另一方面，在判定出编码器6的异常的情况下，位置/速度控制部42能够将推定机械角P^ m作为位置反馈信号来利用。
采用这样的结构，电机控制装置4在通常驱动时，根据编码器6的检测信号来控制电机2的驱动，根据转矩传感器3的转矩检测信号Tfb来进行转矩补偿，而在编码器6异常时，能够使推定部43根据转矩传感器3的转矩检测信号Tfb来推定电机2的速度以及位置中的至少一方。
通过设为这样的结构，即便用于电机控制的编码器6产生不正常状况，也能够实现基于转矩传感器3的电机控制。因而，能够以低成本实现电机驱动系统中的失效保护功能。另外，能够始终进行对由电机构造、减速器发生的转矩脉动进行直接检测并加以抑制这样的转矩补偿，故能够期待提高电机驱动系统的动作性能。
接着，对上述电机驱动系统所具备的转矩传感器3的具体结构进行说明。图7A是转矩传感器3的主视观察下的说明图，图8B是图8A的I-I线的剖视图。另外，图9A是表示应变计A1～A4、B1～B4的向转矩传感器3的安装状态的一例的说明图，图9B是表示由上述应变计A1～A4、B1～B4组装而成的电桥电路的说明图。
如图8A以及图8B所示，转矩传感器3呈现具有规定的厚度和直径的大致圆板状的外观。并且，具备多个延伸体31，该多个延伸体31能够安装应变计A1～A4、B1～B4，且相对于电机2的输出轴(未图示)或者与电机2连动连结的减速器5的输出轴(未图示)而向外方延伸。
即，如图所示，多个(在此为12根)延伸体31的基端分别隔开一定间隔地设置在内侧环状体34的周方向上，并从圆孔30的中心30a呈放射状延伸，由该内侧环状体34形成供电机2或者减速器5的输出轴嵌入安装的圆孔30。并且，延伸体31的前端彼此分别与外侧环状体32连结。另外，外侧环状体32即便没有也可以，但通过使延伸体31与外侧环状体32连结，能够构成更加坚固的转矩传感器3。
应变计A1～A4、B1～B4均为相同的结构，如图9A所示那样，分别设置在相隔180度而相互呈轴对称的两组延伸体31的两侧。即，在一个延伸体31的两侧配置有成对的应变计A1、A2，在与其对置的延伸体31的两侧配置有一对应变计A3、A4。并且，在另一组延伸体31、31同样地配置有应变计B1～B4。如此，应变计A1～A4、B1～B4分别呈所谓的正交配置。
通过构成图9B所示那样的电桥电路的应变计A1～A4和应变计B1～B4，能够获得应变计A1～A4的电桥A输出和应变计B1～B4的电桥B输出的平均值，从而能够减少各电桥中的输出误差的影响。
不过，转矩传感器3也可以作为图10A所示那样的正交配置而构成图10B所示那样的电桥电路。图10A是表示应变计的向转矩传感器3的安装状态的另一例的说明图，图10B是表示由应变计A1～A4组装而成的电桥电路的说明图
即，将四个应变计A1～A4(或者B1～B4)以相隔90度间隔而分别设置在四个延伸体31上。此时，各自成对的应变计A1和应变计A2、应变计A3和应变计A4配置成位于延伸体31的一侧和另一侧。在这样构成的转矩传感器3中，也能够没有问题地检测电机2的转矩。
此外，在上述圆板状的转矩传感器3形成有由各延伸体31、外侧环状体32以及内侧环状体34围绕而成的空间33。利用这样的空间33，例如可以设置具有应变计A放大器、能够进行与电源的连接、AD转换或与外部的通信的端子等的基板(未图示)。
另外，如图8A所示，延伸体31形成为从输出轴的中心沿半径方向的距离越远前端逐渐变细的形状。例如，将延伸体31的前端部宽度t2设为基端部宽度t1的大致1/2。另外，在将各延伸体31形成为尖端变细的情况下，既可以形成与离圆孔30的中心30a的距离成反比例的形状、或者形成从基端侧直到前端侧适当变化缩小率(从基端侧到中途使缩小率大等)的形状。
另外，延伸体31的宽度至少比转矩传感器3的厚度小。例如，延伸体31最大宽度(在此为基端部宽度t1)设定为不足延伸体31、外侧环状体32以及内侧环状体34的厚度的1/2或者1/2以下即可。另外，所述宽度、厚度的尺寸比等能够根据应变计A1～A4、B1～B4的灵敏度等而适当设定。采用这样的结构，在向延伸体31安装应变计A1～A4(B1～B4)之际，无需进行严格的对位等而能够容易且可靠地进行转矩检测。另外，采用这样的结构，能够输出相对叠加于d轴的高频电流指令而灵敏度高的转矩检测信号。
关于上述转矩传感器3的配设位置而言，例如在将由电机2驱动的对象作为可动部件、而将与该可动部件连动连结的部件相对作为固定部件的情况下，转矩传感器3能够安装在该固定部件上。并且，将电机2安装在可动部件上。
如上所述，转矩传感器3具备将多个延伸体31的各前端分别连结的外侧环状体32，故经由这样的外侧环状体32而安装在固定部件上即可。如此，通过将转矩传感器3安装在固定部件上而将电机2安装在可动部件上，在转矩传感器3中经由外侧环状体32来利用基于电机2的驱动力的反作用力，从而能够有效地进行转矩检测。
固定部件和可动部件为相对概念，如果是图1所示的机器人1，若将基台10设为固定部件则主体部11成为可动部件，若将主体部11设为固定部件则第一臂部12a成为可动部件。同样地，若将第一臂部12a设为固定部件，则肘节部13成为可动部件。
如以上说明那样，上述实施方式所涉及的电机驱动系统具备电机控制装置4，该电机控制装置4具有推定部43，该推定部43根据由设置在电机2与成为负载的可动部件之间的转矩传感器3检测出的转矩检测信号Tfb，对速度以及位置中的至少一方进行推定。另外，这样的电机控制装置4的推定部43能够接收来自高频电流指令器45的高频电流指令Idhfi，并能够根据高频电流指令Idhfi和转矩检测信号Tfb，来推定电机2的速度以及位置中的至少一方。
因而，根据本实施方式所涉及的电机驱动系统，能够使耐环境性能提高且大幅地减少转矩脉动等，并且无需采用高价的位置传感器等，故能够降低电机驱动系统的成本。
另外，本实施方式所涉及的电机驱动系统，无论电机2的永磁铁是埋设型还是表面设置型，与其种类无关而均能够得以适用。因此，例如也能够使用在转子的表面粘贴有永磁铁的功率密度高的SPMM(Surface Permanent MagnetMotor:表面式永磁电机)，从而也有助于电机2的小型化。
此外，在上述实施方式中，举出了适用于机器人1的例子而对电机驱动系统进行了说明，但也可以适用于由电机2驱动的所有的机构之中。另外，也可以对转矩传感器3的具体结构等适当地进行变更。
本领域技术人员能容易地导出进一步的效果或变形例。因此，本发明更大范围的实施方式，不限于上面所示、所写的特定详细说明和具有代表性的实施方式。因此，在不脱离权利要求书及其等同物所定义的总的发明理念精神或范围的前提下，能进行各种各样的改变。
附图符号说明
2  电机
3  转矩传感器
4  电机控制装置
5  减速器
6  编码器(位置检测器)
31 延伸体
32 外侧环状体
43 推定部
55 dq坐标转换器(坐标转换部)

Claims (10)

1.一种电机驱动系统，其特征在于，具备：
电机；设置在该电机与负载之间的转矩传感器；以及控制所述电机的驱动的电机控制装置，
所述电机控制装置具备推定部，该推定部根据由所述转矩传感器检测出的转矩检测信号来推定所述电机的速度以及位置中的至少一方。
2.如权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于，
还具备高频电流指令器，该高频电流指令器产生叠加于向所述电机的输出电流的高频电流指令，
所述电机控制装置的推定部根据所述高频电流指令以及所述转矩检测信号来推定所述电机的速度以及位置中的至少一方。
3.如权利要求2所述的电机驱动系统，其特征在于，
所述电机控制装置具备坐标转换部，该坐标转换部对与所述电机同步了的d-q轴旋转坐标系的d轴成分以及q轴成分进行运算，从而导出d轴电流以及q轴电流，
所述推定部具备振动成分抽取部，该振动成分抽取部对将所述高频电流指令叠加于所述d轴时的q轴电流的振动成分进行抽取，
所述推定部根据由该振动成分抽取部抽取出的所述振动成分和叠加于所述d轴的所述高频电流指令的相乘结果，来推定所述电机的速度以及位置中的至少一方。
4.如权利要求1、2或3所述的电机驱动系统，其特征在于，
所述转矩传感器和所述电机、或者与该电机连动连结的减速器一体构成。
5.如权利要求1～4中任一项所述的电机驱动系统，其特征在于，
所述转矩传感器具备多个延伸体，该多个延伸体能安装应变计，且相对于所述电机的输出轴或者与所述电机连动连结的减速器的输出轴而向外方延伸。
6.如权利要求5所述的电机驱动系统，其特征在于，
所述延伸体形成为从所述输出轴的中心沿半径方向的距离越远前端逐渐变细的形状。
7.如权利要求5或6所述的电机驱动系统，其特征在于，
具备相互连动连结的固定部件和可动部件，
在所述固定部件经由将所述多个延伸体的各前端分别连结的环状体而安装有所述转矩传感器，而在所述可动部件安装有所述电机。
8.如权利要求1～7中任一项所述的电机驱动系统，其特征在于，
还具备对所述电机的位置进行检测的位置检测器，
所述电机控制装置在通常驱动时，根据所述位置检测器的检测信号来控制所述电机的驱动，并且根据所述转矩传感器的转矩检测信号来进行转矩补偿，
在所述位置检测器的异常时，使所述推定部根据所述转矩传感器的检测信号来推定所述电机的速度以及位置中的至少一方。
9.一种电机控制装置，其特征在于，
具备推定部，该推定部根据由设置在电机与负载之间的转矩传感器检测出的转矩检测信号，来推定所述速度以及位置中的至少一方。
10.如权利要求9所述的电机控制装置，其特征在于，
所述电机控制装置的推定部能够接收来自高频电流指令器的高频电流指令，并根据所述高频电流指令和所述转矩检测信号来推定所述电机的速度以及位置中的至少一方。
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