CN109874392A - 电机控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本技术公开电机控制装置及方法。根据本发明的具体例子，通过在电机的输入轴设置低分辨率绝对位置检测器，在输出轴设置分辨率大于等于减速比的低分辨率绝对位置检测器，从而在制造致动器时，将输出轴绝对位置成为0的时刻的输入轴的绝对位置设为初始偏移量，将电机被驱动后输出轴绝对位置发生变动的时刻的输入轴绝对位置定义为偏移量，在电机未被驱动的状态下根据所述初始偏移量、输入轴绝对位置以及减速比，按照既定的关系式导出所定义的偏移量，之后，根据按照指定的时间周期接收到的输入轴绝对位置、导出的偏移量、输出轴绝对位置以及减速比，按照既定的关系式导出高分辨率输出轴绝对位置，从而能够在没有变更以及添加致动器的情况下利用低价的绝对位置检测器轻易检测高分辨率的输出轴绝对位置。

Description

电机控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电机控制系统及方法，更具体地，涉及一种可以利用低分辨率的输出轴绝对位置导出高分辨率的输出轴绝对位置的技术。

背景技术

从工业机器人到类人机器人等用于各种领域的机器人中使用具有减速功能的致动器(actuator)，用于加大关节的旋转力。

尤其，最近高速发展的机器人工程学技术将以前仅用于工业中的机器人工程学机制结合于其它产业领域，进行技术的融合以及复合，例如有家庭用清洁机器人、编程教育用机器人、玩具机器人、娱乐机器人等的研发及生产。

在这样的为了加大旋转轴转矩而将减速器安装于电机上使用的很多机器人中，使用用于检测电机的旋转角度的编码器或旋转变压器(resolver)等旋转角度检测器。

当在这样的机器人关节添加提供绝对位置的编码器或者可以获得绝对位置的手段时，可以控制关节，也就是可以控制减速器输出轴的绝对位置。

采用各种方法进行这样的输出轴的绝对位置的测量，例如采用在电机的输入轴使用相对位置检测器从而每次开始驱动时进行复位过程、或者在输入轴使用状态检测器存储绝对位置、或者在输入轴利用多转式绝对位置检测器、或者在输入轴和输出轴上设置相对位置检测器且通过对比两个检测器的位置值检测绝对位置、或者在输出轴设置绝对位置检测器以导出输出轴的绝对位置等方法。

但是，在输入轴使用相对位置检测器的情况下，开始驱动时需要执行复位过程，较为麻烦，执行复位过程时存在发生安全性问题的可能性时，无法立即执行复位过程。

并且，当使用多转式绝对位置检测器的情况下，由于零部件价格高，所以导致成本提高。当减速比大于绝对位置检测器的可旋转数时无法使用多转式绝对位置检测器，在使用电池来存储绝对位置的情况下，在更换电池时需要设定初始绝对位置值及修正绝对位置值。

另一方面，在输入轴和输出轴分别使用相对位置检测器来导出绝对位置值时，在满足输入轴以及输出轴各自的相对位置检测器能够产生Z相输出、减速比为整数、减速比和输出轴的位置检测器的分辨率为互质数、输入轴相对位置检测器的分辨率高于输出轴相对位置检测器的分辨率的条件时才能够导出绝对位置。

另外，在输出轴使用高分辨率的绝对位置检测器时，不仅由于价格高昂的零部件而增加费用，而且还存在尺寸变大的问题，为了解决这样的问题而在输出轴使用低分辨率的绝对位置检测器时，存在输出轴位置检测器的分辨率低时电机的初始位置的准确度也随之下降的问题。

为此，本发明提供在输入轴和输出轴分别设置低分辨率绝对位置检测器，能够根据基于检测到的各自的绝对位置值、设定的偏移量以及减速比的既定的关系式导出高分辨率输出轴绝对位置值的方案。

发明内容

发明要解决的技术问题

因此，本发明旨在解决上述问题，本发明的目的在于提供电机控制装置及方法，通过在电机的输入轴设置低分辨率绝对位置检测器，在输出轴设置分辨率大于等于减速比的低分辨率绝对位置检测器，从而在制造致动器时，将输出轴绝对位置成为0的时刻的输入轴的绝对位置设为初始偏移量，将在电机被驱动后输出轴绝对位置发生变动的时刻的输入轴绝对位置定义为偏移量，在电机未被驱动的状态下根据所述初始偏移量、输入轴绝对位置以及减速比，按照既定的关系式导出所定义的偏移量，之后根据按照指定的时间周期接收到的输入轴绝对位置、导出的偏移量、输出轴绝对位置以及减速比，按照既定的关系式导出高分辨率输出轴绝对位置，从而能够在没有变更以及添加致动器的情况下，利用低价的绝对位置检测器轻易地检测高分辨率的输出轴绝对位置。

解决技术问题的手段

为了实现上述目的的本发明的电机控制装置的特征在于，包括：

低分辨率的输入轴绝对位置检测器，设在电机的输入轴；

减速器，设在所述电机的输出轴；

低分辨率的输出轴绝对位置检测器，设在所述减速器的输出轴，分辨率大于等于所述减速器的减速比；以及

电机控制部，基于所述输入轴绝对位置和输出轴绝对位置以及减速器的减速比导出电机的高分辨率的输出轴绝对位置。

优选地，所述电机控制部可以包括：

偏移量运算模块，将输出轴绝对位置成为0的时刻的输入轴的绝对位置设为初始偏移量，将电机被驱动时输出轴绝对位置发生变动的时刻的输入轴绝对位置定义为偏移量，根据所述初始偏移量、输入轴绝对位置以及减速比基于既定的关系式运算所定义的偏移量；

输入轴运算模块，根据所述偏移量、输入轴绝对位置以及减速比基于既定的关系式导出输入轴运算值；

输出轴运算模块，基于输出轴绝对位置检测器的输出轴绝对位置导出输出轴运算值；以及

高分辨率输出轴绝对位置导出模块，将导出的输入轴运算值和输出轴运算值相加导出高分辨率输出轴绝对位置。

优选地，所述输入轴绝对位置检测器是输入轴增量式位置检测器，输出轴绝对位置检测器可以是低分辨率的输出轴绝对位置检测器，初始偏移量可以设定为0。

另一方面，基于上述的装置的本发明的电机控制方法的特征在于包括：

将输出轴绝对位置成为0的时刻的输入轴的绝对位置设为初始偏移量，将电机被驱动时输出轴绝对位置发生变动的时刻的输入轴绝对位置定义为偏移量，按照关于所述初始偏移量、输入轴绝对位置以及减速比的关系式导出定义的所述偏移量的偏移量运算步骤；

基于运算出的偏移量、输入轴绝对位置以及减速比，根据既定的关系式导出输入轴运算值的输入轴运算步骤；

将输出轴绝对位置检测器的输出轴绝对位置转换为角度导出输出轴运算值的输出轴运算步骤；以及

将导出的输入轴运算值和输出轴运算值相加导出高分辨率输出轴绝对位置的高分辨率输出轴绝对位置导出步骤。

发明的效果

如上所述，根据本发明的电机控制装置以及方法，在电机的输入轴设置低分辨率绝对位置检测器，在输出轴设置分辨率大于等于减速比的低分辨率绝对位置检测器，从而将输出轴绝对位置成为0的时刻的输入轴的绝对位置设为初始偏移量，将电机被驱动后输出轴绝对位置发生变动的时刻接收的输入轴绝对位置定义为基准偏移量，在没有驱动电机的状态下根据关于初始偏移量、输入轴绝对位置以及减速比的关系式导出定义的偏移量，之后基于以指定的时间周期接收到的输入轴绝对位置、偏移量、输出轴绝对位置以及减速比，按照既定的关系式导出高分辨率输出轴绝对位置，从而能够根据在没有驱动电机的状态下导出的偏移量导出输出轴绝对位置，可以降低用于驱动电机的致动器的制造成本，能够在没有变更以及添加致动器的情况下轻易地得到高分辨率的输出轴绝对位置，所以可以实现提高关于导出的输出轴绝对位置的可靠性的效果。

附图说明

本说明书中所附的以下附图示出了本发明的优选实施例，与下述的对发明的详细说明一起起到帮助理解本发明的技术思想的作用，因此，不应该解释为本发明限定于这些附图。

图1是示出应用了本发明实施例的电机控制装置的致动器的结构的框图。

图2是示出本发明实施例的电机控制装置的电机控制部的详细结构的示意图。

图3是示出本发明其它实施例的电机控制过程的流程图。

具体实施方式

为了充分地理解本发明和本发明的动作上的优点以及通过实施本发明实现的目的，需要参照示出本发明的优选实施例的附图以及附图中示出的内容。

下面，通过参照附图说明本发明的优选实施例来详细说明本发明。各图中的相同的附图标记表示相同的部件。

本发明的实施例中公开的特定的结构以及功能性说明只是用于说明基于本发明概念的实施例，可以以各种方式实施基于本发明的概念的实施例。并且，不应该解释为限定于本说明书中说明的实施例，应该解释为包括在本发明的思想以及技术范围内的所有变形物、等同物以及代替物。

另一方面，在本发明中，第一和/或第二等术语可以用于说明各种构成要素，但是上述构成要素并不限定于上述术语。上述术语仅用于将一个构成要素与其它构成要素区分，例如在不脱离本发明概念的保护范围内，第一构成要素可以命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素可以命名为第一构成要素。

当提到某一个构成要素与其它构成要素“连接”或“相连”时，虽有可能是直接连接或相连于该其它构成要素，但应该理解为中间还可能存在其它构成要素。反面，当提到某一个构成要素与其它构成要素“直接连接”或“直接接触”时，应该理解为中间不存在其它构成要素。对于说明构成要素之间的关系的其它表达方式、即“～之间”、“正～之间”或者“与～相邻的”、“与～直接相邻的”等表达方式也应如上解释。

本说明书中使用的术语仅用于说明特定的实施例，目的并不是用于限定本发明。在说明书中没有其他明确说明的情况下，单数的表达方式包括复数的表达方式。在本说明书中，“包括”或“具有”等术语用于指定存在所实施的特征、数字、步骤、动作、构成要素、零部件或它们的组合，不应该理解为事先排除还存在或添加一个以上的其他特征、数字、步骤、动作、构成要素、零部件或它们的组合的可能性。

图1是示出应用了本发明实施例的电机控制装置的致动器的结构的框图，图2是示出本发明实施例的电机控制装置的电机控制部的详细构成的示意图。参照图1至图2，本发明实施例的电机控制装置在电机的输入轴设置低分辨率绝对位置检测器，在输出轴设置分辨率大于等于减速比的低分辨率绝对位置检测器，将输出轴绝对位置成为0的时刻的输入轴的绝对位置设为初始偏移量，将电机被驱动后输出轴绝对位置发生变动的时刻接收到的输入轴绝对位置定义为偏移量，在没有驱动电机的状态下，根据关于初始偏移量、输入轴绝对位置以及减速比的关系式导出所定义的偏移量，之后，基于以指定的时间周期接收到的输入轴绝对位置、偏移量、输出轴绝对位置以及减速比，按照既定的关系式导出高分辨率输出轴绝对位置，应用这样的电机控制装置的致动器S包括电机10、减速器20、输入轴绝对位置检测器30、输出轴绝对位置检测器40以及电机控制部50。

致动器S包括电机10以及连接于电机10的驱动轴且具有整数的减速比的减速器20，还可以包括连接于所述电机10的输入轴的输入轴绝对位置检测器30以及连接于减速器20的输出轴的输出轴绝对位置检测器40，各个输入轴绝对位置检测器30以及输出轴绝对位置检测器40价格低且具有低分辨率。

其中，输入轴绝对位置检测器30可以是具有电机10的A相、B相以及Z相的增量式位置检测器。

另外，致动器S包括与电机10、所述输入轴绝对位置检测器30以及输出轴绝对位置检测器40电连接的电机控制部50。

电机控制部50可以构成为将输出轴绝对位置成为0的时刻的输入轴的绝对位置设为初始偏移量，将驱动电机10后输出轴绝对位置值发生变动的时刻接收到的输入轴绝对位置定义为偏移量，在没有驱动电机的状态下，基于初始偏移量、输入轴绝对位置以及减速比，按照既定的关系式导出定义的偏移量，基于导出的偏移量、从输入轴绝对位置检测器30以及输出轴绝对位置检测器40提供的各自的绝对位置值和减速器20的减速比，按照既定的关系式导出输出轴绝对位置值。

由此，如图3所示，电机控制部50可以包括将因电机10被驱动而输出轴绝对位置值发生变动的时刻的输入轴绝对位置值定义为基准偏移量，基于初始偏移量、输入轴绝对位置以及减速比，按照既定的关系式导出定义的偏移量的偏移量运算模块51；从输入轴绝对位置检测器30的输入轴绝对位置值(pos_i)减去偏移量后转换为角度导出减去值((pos_i-偏移量)*360/Ni)，用导出的减去值除以减速比(R)导出输入轴运算值(((pos_i-偏移量)*360/Ni)/R)的输入轴运算模块52；将输出轴绝对位置值(pos_o)转换为角度导出输出轴运算值((pos_o)*360/No)的输出轴运算模块53；以及，将输入轴运算模块52的输入轴运算值和输出轴运算模块53的输出轴运算值相加导出高分辨率的输出轴绝对位置(Ho)的高分辨率输出轴绝对位置导出模块54。

即，所述高分辨率的输出轴绝对位置(Ho)表示为下面的[式1]。

Ho＝pos_o*360/No+((pos_i-偏移量)*360/Ni)/R……[式1]

如果pos_i-偏移量＜0，则[式1]表示为下面的[式2]。

Ho＝pos_o*360/No+((pos_i-偏移量+Ni)*360/Ni)/R……[式2]

其中，Ni、No是将电机10的输入轴和输出轴每旋转一圈时从输入轴绝对位置检测器30和输出轴绝对位置检测器40输出的信号进行整数化的值，是指本发明中的分辨率。即，当输入轴绝对位置检测器30或者输出轴绝对位置检测器40分别整数化的分辨率(Ni，No)在既定的判断基准值以下时定为低分辨率。根据这样的分辨率，可以实现对于电机10的精密控制。

其中，在电机10的输入轴设有绝对位置检测器30时，从输出轴绝对位置为0的时刻的初始偏移量(Off_0)变动的输出轴绝对位置的偏移量(Off)满足下面的[式3]。

Off＝[(Off_0)+Ni*(1-R)*pos_o]％Ni……[式3]

其中，[x]表示不超过x的最大整数。从[式3]可以得知，在分辨率(No)与减速比(R)相同时，输出轴绝对位置检测器40的输出轴绝对位置值在变动的输出轴绝对位置的偏移量(Off)是恒定的，是输出轴绝对位置为0的时刻的偏移量(Off_0)。

另一方面，在电机10的输入轴设置增量式位置检测器，在输出轴设置低分辨率绝对位置检测器时，将输出轴绝对位置为0的时刻的初始偏移量(Off_0)设为0，利用将电机10驱动至输出轴的绝对位置检测器发生变化的时刻获得的输出轴绝对位置(pos_o)和上述[式3]规定偏移量(Off)，将输入轴增量式位置检测器的位置值设为相同的值的情况下，基于预定的偏移量(Off)，利用上述[式1]导出高分辨率的输出轴绝对位置(Ho)。

从而，在电机的输入轴和输出轴分别设置低分辨率绝对位置检测器，将输出轴绝对位置成为0的时刻的输入轴的绝对位置设为初始偏移量，将电机被驱动后输出轴绝对位置发生变动的时刻接收到的输入轴绝对位置设为偏移量，之后，根据指定的时间周期接收到的输入轴绝对位置、偏移量、输出轴绝对位置以及减速比，按照既定的关系式导出高分辨率输出轴绝对位置，从而可以降低用于驱动电机的致动器的制造成本，在没有变更以及添加致动器的情况下，轻易获得高分辨率的输出轴绝对位置，因此可以提高关于导出的输出轴绝对位置的可靠性。

参照图3说明在电机的输入轴和输出轴分别设置低分辨率绝对位置检测器，基于各自的绝对位置值、减速比以及既定的偏移量，根据既定的关系式导出高分辨率输出轴绝对位置的一系列过程。

图3是示出图1示出的电机控制部50的动作过程的流程图，参照图3说明本发明实施例的电机控制过程。

首先，电机控制部50将输出轴绝对位置成为0的时刻的输入轴的绝对位置设为初始偏移量，将电机10被驱动后低分辨率的输出轴绝对位置检测器发生变动的时刻的输入轴绝对位置定义为偏移量，基于所述初始偏移量、输入轴绝对位置以及减速比，按照既定的关系式导出定义的偏移量，之后从输入轴绝对位置减去偏移量后转换成角度(步骤101、103、105、107)。

另外，电机控制部50将转换为角度的减去值除以减速器的减速比导出输入轴运算值(步骤109)。

另一方面，电机控制部50将输出轴绝对位置检测器的输出轴绝对位置转换为角度导出输出轴运算值(步骤111)。

接着，输入轴运算值和输出轴运算值通过电机控制部50相加，导出相加后的绝对位置作为高分辨率输出轴绝对位置(步骤113)。

由此，根据本发明的实施例，在电机的输入轴设置低分辨率绝对位置检测器，在输出轴设置分辨率大于等于减速比的低分辨率绝对位置检测器，从而，在制造致动器时，将输出轴绝对位置成为0的时刻的输入轴的绝对位置设为初始偏移量，将电机被驱动后输出轴绝对位置发生变动的时刻的输入轴绝对位置定义为偏移量，在没有驱动电机的状态下基于所述初始偏移量、输入轴绝对位置以及减速比，按照既定的关系式导出定义的偏移量，之后根据按照指定的时间周期接收到的输入轴绝对位置、导出的偏移量、输出轴绝对位置以及减速比，按照既定的关系式导出高分辨率输出轴绝对位置，从而能够在没有变更以及添加致动器的情况下，利用低价的绝对位置检测器轻易地检测高分辨率的输出轴绝对位置。

以上参照优选的实施例详细说明了本发明，但是本发明并不限定于这些实施例，在不脱离权利要求范围中请求保护的本发明宗旨的范围内，本领域技术人员可以得到的各种变形或修改，这些均都包括在本发明的技术思想内。

产业上的可应用性

根据在电机的输入轴设置低分辨率绝对位置检测器，在输出轴设置分辨率大于等于减速比的低分辨率绝对位置检测器，从而在制造致动器时，将输出轴绝对位置成为0的时刻的输入轴的绝对位置设为初始偏移量，将电机被驱动后输出轴绝对位置发生变动的时刻接收的输入轴绝对位置定义为基准偏移量，在没有驱动电机的状态下根据所述初始偏移量、输入轴绝对位置以及减速比以既定的关系式导出定义的偏移量，之后基于以指定的时间周期接收到的输入轴绝对位置、导出的偏移量、输出轴绝对位置以及减速比，按照既定的关系式导出高分辨率输出轴绝对位置，从而能够在没有变更以及添加致动器的情况下轻易地得到高分辨率的输出轴绝对位置的电机控制装置以及方法，能够在运用准确性及可靠性方面、性能效率方面带来极大进步，充分可以销售或经营致动器及电机，而且达到了实际上明显能够实时的程度，因此是具有产业利用可能性的发明。

Claims (5)

1.一种电机控制装置，其特征在于，包括：

低分辨率的输入轴绝对位置检测器，设在电机的输入轴；

减速器，设在所述电机的输出轴；

低分辨率的输出轴绝对位置检测器，设在所述减速器的输出轴，分辨率大于等于减速比；以及

电机控制部，基于输入轴绝对位置和输出轴绝对位置以及减速器的减速比导出电机的高分辨率的输出轴绝对位置。

2.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，

所述电机控制部将输出轴绝对位置成为0的时刻的输入轴的绝对位置设为初始偏移量，

将电机被驱动时输出轴绝对位置发生变动的时刻的输入轴绝对位置定义为偏移量，根据所述初始偏移量、输入轴绝对位置检测器的分辨率、减速比和输出轴绝对位置导出定义的所述偏移量，基于导出的偏移量以及输入轴绝对位置以及减速比导出输入轴运算值，

基于所述输出轴绝对位置导出输出轴运算值，

基于导出的输入轴运算值和输出轴运算值导出高分辨率输出轴绝对位置。

3.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，

所述电机控制部包括：

偏移量运算模块，将输出轴绝对位置成为0的时刻的输入轴的绝对位置设为初始偏移量，将电机被驱动时输出轴绝对位置发生变动的时刻的输入轴绝对位置定义为偏移量，根据既定的关系式运算偏移量；

输入轴运算模块，基于运算出的所述偏移量、输入轴绝对位置以及减速比，根据既定的关系式导出输入轴运算值；

输出轴运算模块，基于输出轴绝对位置检测器的输出轴绝对位置导出输出轴运算值；以及

高分辨率输出轴绝对位置导出模块，将导出的输入轴运算值和输出轴运算值相加导出高分辨率输出轴绝对位置。

4.根据权利要求2所述的电机控制装置，其特征在于，

所述输入轴绝对位置检测器是输入轴增量式位置检测器，输出轴绝对位置检测器可以是低分辨率的输出轴绝对位置检测器，

所述初始偏移量设定为0。

5.一种电机控制方法，其特征在于，包括：

将输出轴绝对位置成为0的时刻的输入轴的绝对位置设为初始偏移量的步骤；

将电机被驱动时输出轴绝对位置发生变动的时刻的输入轴绝对位置定义为偏移量，按照既定的关系式运算定义的所述偏移量的偏移量运算步骤；

基于设定的偏移量、输入轴绝对位置以及减速比，根据既定的关系式导出输入轴运算值的输入轴运算步骤；

将输出轴绝对位置检测器的输出轴绝对位置转换为角度导出输出轴运算值的输出轴运算步骤；以及

将导出的输入轴运算值和输出轴运算值相加导出高分辨率输出轴绝对位置的高分辨率输出轴绝对位置导出步骤。