CN109510551A - 本质安全型伺服系统的实现方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及伺服系统技术领域，公开了一种本质安全型伺服系统的实现方法及装置，其中方法包括：根据下发的位置指令计算给定指令加速度；实时采集并记录每个采样周期的编码器反馈值，根据所述编码器反馈值计算当前周期的反馈加速度和上一周期的加速度；计算加速度突变值，将加速度突变值与预先设定加速度突变阈值进行对比，结合给定指令加速度、反馈加速度和反馈电流，判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞，并在判断出发生碰撞时，停止伺服系统的运行。本发明通过采用自适应的复合控制技术实现无传感器的安全弹性碰撞，并基于编码器、电机电流耦合关系实现电机安全运行，从而实现伺服系统的本质安全。
Description
技术领域
本发明实施方式涉及伺服系统技术领域，尤其涉及一种本质安全型伺服系统的实现方法及装置。
背景技术
本质安全是指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性。具体包括：故障—安全，即当系统发生故障时，机器、设备能够自动防止操作失误或引发事故；和失误—安全，即使由于人为操作失误，设备系统也能够自动排除、切换或安全地停止运转，从而保障人身、设备和财产的安全。
目前高精度交流伺服系统的研究已经引起控制界的广泛关注，成为自动化领域的一个研究热点。伺服系统作为机器人等自动化设备的核心，决定着自动化设备精准、稳定、安全的运行。随着自动化水平的提高，人机交互和人机协助的工作模式也已经在工业现场普遍应用，这也就对人机协助过程的本质安全提出了更高要求。伺服系统作为工业机器人的核心部分，对自动化设备的稳定安全运行至关重要，因此对其本质安全能力要求越来越高，用以适应未来大规模人机协同工作，增强机器人系统的安全性。
但是，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
目前较为主流的本质安全研究大都需要在机器人末端安装多角度矢量力矩传感器来实现，如此使得检测范围受限，实际应用受到较多限制。此外，有的设备采用电机的电流或反馈力矩来检测碰撞，但是由于电机负载时变，负载转矩不确定，电机电流波动范围较大等因素，用户较难设定较合适的灵敏度和保护阈值，或者在安装的载荷不确定的情况下，甚至无法使用。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种本质安全型伺服系统的实现方法及装置，通过采用自适应的复合控制技术实现无传感器的安全弹性碰撞，并基于编码器、电机电流耦合关系实现电机安全运行，从而实现伺服系统的本质安全。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种本质安全型伺服系统的实现方法，包括：根据下发的位置指令pref计算给定指令加速度αref；实时采集并记录每个采样周期的编码器反馈值pfdb，根据所述编码器反馈值pfdb计算当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′；计算加速度突变值Δα＝αfdb-αfdb′，将加速度突变值Δα与预先设定加速度突变阈值Δαmax进行对比，结合给定指令加速度αref与反馈加速度αfdb，判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞，并在判断出发生碰撞时，停止伺服系统的运行。
本发明的实施方式还提供了一种本质安全型伺服系统的实现装置，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如前所述的本质安全型伺服系统的实现方法。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过采用自适应的复合控制技术实现无传感器的安全弹性碰撞。基于编码器、电机电流耦合关系实现电机安全运行，实现伺服系统的本质安全。其中，通过建立检测模型将电机运行过程分为加速、减速和匀速三个不同状态，在不同状态下通过判断加速度实时变化，并结合通过加速度突变值的初始判断可以准确的判断出设备是否发生碰撞，在检测到碰撞时及时停止运行，从而提高系统事后安全，保障了现场操作人员和设备运行安全。
另外，在上述基础上还可以实时获取电机输出电流的检测，将当前周期检测的电流反馈值与上个周期检测的电流反馈值进行对比，对比反馈电流的变化。通过建立检测模型将电机运行过程分为加速、减速和匀速三个不同状态，在不同状态下通过判断加速度和电流实时变化，并结合通过加速度突变值的初始判断可以准确的判断出设备是否发生碰撞，从而进一步提高了判断的准确。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明第一实施方式提供的本质安全型伺服系统的实现方法的流程示意图；
图2是本发明第一实施方式提供的判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞的示意图；
图3是本发明第二实施方式提供的本质安全型伺服系统的实现方法的流程示意图；
图4是本发明第二实施方式提供的判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞的示意图；
图5是本发明第三实施方式提供的本质安全型伺服系统的实现装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出，能够跟随输入量(或给定值)的任意变化而变化的自动控制系统。通常，伺服系统由控制器，功率驱动装置，电动机三部分组成。其中，控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量。功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电。电动机则按供电大小拖动机械运转。
本发明的第一实施方式涉及一种本质安全型伺服系统的实现方法，如图1所示，可以包括以下步骤：
步骤11，根据下发的位置指令pref计算给定指令加速度αref。
在本步骤中，伺服系统下发的位置指令pref计算给定指令加速度αref，具体为：
其中，pref为下发的位置指令，d为微分算子(d2为对位置指令进行两次微分，一次微分会变为速度指令，二次微分变为加速度指令)，dt为位置指令采计算时间间隔。
例如，在机器人控制时使用位置控制模式，每个周期(此周期是由具体应用决定的，正常是运动控制器和伺服驱动器之间的通讯周期，有的是1ms，有的2ms，或者其他值，并不作具体限制)发送一个位置指令值，伺服驱动器就会根据位置指令运行，从而可以根据上述的计算公式计算给定指令加速度。
步骤12，实时采集并记录每个采样周期的编码器反馈值pfdb，根据所述编码器反馈值pfdb计算当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′。
在本步骤中，采样周期会根据步骤11中所述的周期决定的。伺服驱动器会周期性的读取编码器的位置值，记录下编码器的实时反馈值。编码器一般是装在电机轴上，电机转一圈，编码器也会转一圈，因此通过编码器可以确定较精确的位置。根据编码器分辨率不同，例如17位编码器，电机转一圈，编码器值会从0变化到131072(2^17)；23位编码器，电机转一圈，编码器值会从0变化到8388608(2^23)。
′
根据所述编码器反馈值pfdb计算当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb，具体为：
其中，pfdb为当前周期的编码器反馈值，为上一周期的编码器反馈值，d为微分算子(d2为对位置指令进行两次微分，一次微分会变为速度指令，二次微分变为加速度指令)，dt为位置指令采计算时间间隔。
步骤13，计算加速度突变值Δα＝αfdb-αfdb′，将加速度突变值Δα与预先设定加速度突变阈值Δαmax进行对比，结合给定指令加速度αref与反馈加速度αfdb，判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞，并在判断出发生碰撞时，停止伺服系统的运行。
在本步骤中，如图2所示，判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞，具体为：
(1)当给定指令加速度αref表示为加速过程时，如果将当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′对比反馈加速度变化为突减，且加速度突变值Δα超过阈值Δαmax，则判断伺服系统在运行过程中发生碰撞，停止伺服系统的运行；
(2)当给定指令加速度αref表示为减速过程时，如果将当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′对比反馈加速度变化为突增，且加速度突变值Δα超过阈值Δαmax，则判断伺服系统在运行过程中发生碰撞，停止伺服系统的运行；
(3)当给定指令加速度αref表示为匀速过程时，如果将当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′对比反馈加速度变化为突增，且加速度突变值Δα超过阈值Δαmax，则判断伺服系统在运行过程中发生碰撞，停止伺服系统的运行。
本发明实施方式一通过采用自适应的复合控制技术实现无传感器的安全弹性碰撞。基于编码器、电机电流耦合关系实现电机安全运行，实现伺服系统的本质安全。其中，通过建立检测模型将电机运行过程分为加速、减速和匀速三个不同状态，在不同状态下通过判断加速度实时变化，并结合通过加速度突变值的初始判断可以准确的判断出设备是否发生碰撞，在检测到碰撞时及时停止运行，从而提高系统事后安全，保障了现场操作人员和设备运行安全。
为了提高判断的准确性，本发明的第二实施方式还提供了一种本质安全型伺服系统的实现方法，如图3所示，可以包括以下步骤：
步骤31，根据下发的位置指令pref计算给定指令加速度αref。
在本步骤中，伺服系统下发的位置指令pref计算给定指令加速度αref，具体为：
其中，pref为下发的位置指令，d为微分算子(d2为对位置指令进行两次微分，一次微分会变为速度指令，二次微分变为加速度指令)，dt为位置指令采计算时间间隔。
步骤32，获取电机反馈电流，计算反馈电流变化。
在本步骤中，运行过程中通过驱动器内的电流检测元件实时的进行电机输出电流的检测，将当前周期检测的电流反馈值与上个周期检测的电流反馈值进行对比，即可判断出反馈电流的变化。
步骤33，实时采集并记录每个采样周期的编码器反馈值pfdb，根据所述编码器反馈值pfdb计算当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′。
在本步骤中，伺服驱动器会周期性的读取编码器的位置值，记录下编码器的实时反馈值。
根据所述编码器反馈值pfdb计算当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′，具体为：
其中，pfdb为当前周期的编码器反馈值，为上一周期的编码器反馈值，d为微分算子(d-2为对位置指令进行两次微分，一次微分会变为速度指令，二次微分变为加速度指令)，dt为位置指令采计算时间间隔。
步骤34，计算加速度突变值Δα＝αfdb-αfdb′，将加速度突变值Δα与预先设定加速度突变阈值Δαmax进行对比，结合给定指令加速度αref、反馈加速度αfdb变化和反馈电流变化，判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞，并在判断出发生碰撞时，停止伺服系统的运行。
在本步骤中，如图4所示，判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞，具体为：
(1)当给定指令加速度αref表示为加速过程时，如果将当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′对比反馈加速度变化为突减，将当前周期检测的电流反馈值与上个周期检测的电流反馈值进行对比反馈电流变化是突增，且加速度突变值Δα超过阈值Δαmax，则判断伺服系统在运行过程中发生碰撞，停止伺服系统的运行；
(2)当给定指令加速度αref表示为减速过程时，如果将当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′对比反馈加速度变化为突增，将当前周期检测的电流反馈值与上个周期检测的电流反馈值进行对比反馈电流变化是突减，且加速度突变值Δα超过阈值Δαmax，则判断伺服系统在运行过程中发生碰撞，停止伺服系统的运行；
(3)当给定指令加速度αref表示为匀速过程时，如果将当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′对比反馈加速度变化为突增，将当前周期检测的电流反馈值与上个周期检测的电流反馈值进行对比反馈电流变化是突增，且加速度突变值Δα超过阈值Δαmax，则判断伺服系统在运行过程中发生碰撞，停止伺服系统的运行。
本发明实施方式二在实施方式一的检测模型基础上，进一步增加了电流的变化判断，即通过建立检测模型将电机运行过程分为加速、减速和匀速三个不同状态，在不同状态下通过判断加速度和电流实时变化，并结合通过加速度突变值的初始判断可以准确的判断出设备是否发生碰撞，从而进一步提高了判断的准确。
本发明实施方式一和实施方式二中的各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本发明第三实施方式涉及一种本质安全型伺服系统的实现装置，如图5所示，包括：
至少一个处理器51；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器52；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行实现上述的方法步骤。
其中，存储器和处理器采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器。
处理器负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (11)
1.一种本质安全型伺服系统的实现方法，其特征在于，包括：
根据下发的位置指令pref计算给定指令加速度αref；
实时采集并记录每个采样周期的编码器反馈值pfdb，根据所述编码器反馈值pfdb计算当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′；
计算加速度突变值Δα＝αfdb-αfdb′，将加速度突变值Δα与预先设定加速度突变阈值Δαmax进行对比，结合给定指令加速度αref与反馈加速度αfdb，判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞，并在判断出发生碰撞时，停止伺服系统的运行。
2.根据权利要求1所述的本质安全型伺服系统的实现方法，其特征在于，所述伺服系统下发的位置指令pref计算给定指令加速度αref，具体为：
其中，pref为下发的位置指令；
d为微分算子，d2为对位置指令进行两次微分，一次微分会变为速度指令，二次微分变为加速度指令；
dt为位置指令采计算时间间隔。
3.根据权利要求2所述的本质安全型伺服系统的实现方法，其特征在于，所述根据所述编码器反馈值pfdb计算当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′，具体为：
其中，pfdb为当前周期的编码器反馈值；
p′fdb为上一周期的编码器反馈值；
d为微分算子，d2为对位置指令进行两次微分，一次微分会变为速度指令，二次微分变为加速度指令；
dt为位置指令采计算时间间隔。
4.根据权利要求3所述的本质安全型伺服系统的实现方法，其特征在于，所述判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞，具体为：
当给定指令加速度αref表示为加速过程时，如果将当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′对比反馈加速度变化为突减，且加速度突变值Δα超过阈值Δαmax，则判断伺服系统在运行过程中发生碰撞。
5.根据权利要求3所述的本质安全型伺服系统的实现方法，其特征在于，所述判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞，具体为：
当给定指令加速度αref表示为减速过程时，如果将当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′对比反馈加速度变化为突增，且加速度突变值Δα超过阈值Δαmax，则判断伺服系统在运行过程中发生碰撞。
6.根据权利要求3所述的本质安全型伺服系统的实现方法，其特征在于，所述判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞，具体为：
当给定指令加速度αref表示为匀速过程时，如果将当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′对比反馈加速度变化为突增，且加速度突变值Δα超过阈值Δαmax，则判断伺服系统在运行过程中发生碰撞。
7.根据权利要求3所述的本质安全型伺服系统的实现方法，其特征在于，所述方法还包括：实时获取电机输出电流的检测，将当前周期检测的电流反馈值与上个周期检测的电流反馈值进行对比，对比反馈电流的变化。
8.根据权利要求7所述的本质安全型伺服系统的实现方法，其特征在于，所述判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞，具体为：
当给定指令加速度αref表示为加速过程时，如果将当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′对比反馈加速度变化为突减，将当前周期检测的电流反馈值与上个周期检测的电流反馈值进行对比反馈电流变化是突增，且加速度突变值Δα超过阈值Δαmax，则判断伺服系统在运行过程中发生碰撞。
9.根据权利要求7所述的本质安全型伺服系统的实现方法，其特征在于，所述判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞，具体为：
当给定指令加速度αref表示为减速过程时，如果将当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′对比反馈加速度变化为突增，将当前周期检测的电流反馈值与上个周期检测的电流反馈值进行对比反馈电流变化是突减，且加速度突变值Δα超过阈值Δαmax，则判断伺服系统在运行过程中发生碰撞。
10.根据权利要求7所述的本质安全型伺服系统的实现方法，其特征在于，所述判断伺服系统在运行过程中是否发生碰撞，具体为：
当给定指令加速度αref表示为匀速过程时，如果将当前周期的反馈加速度αfdb和上一周期的加速度αfdb′对比反馈加速度变化为突增，将当前周期检测的电流反馈值与上个周期检测的电流反馈值进行对比反馈电流变化是突增，且加速度突变值Δα超过阈值Δαmax，则判断伺服系统在运行过程中发生碰撞。
11.一种本质安全型伺服系统的实现装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至10中任一所述的本质安全型伺服系统的实现方法。
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