CN111628695A - 电机速度控制方法、装置、系统以及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请的实施例提供了一种电机速度控制方法、装置、系统以及机器人。该电机速度控制方法包括：根据转子的位置信号，计算电机的第一速度；获取定子的绕组的相电压和相电流；根据绕组的相电压和相电流，计算电机的第二速度；若第一速度和第二速度中的任一速度大于预设安全速度，则对电机进行降速处理。本申请实施例的技术方案通过电机的相电压和相电流实现电机速度的冗余通道的检测，既降低了对电机速度的检测成本，又保证了电机使用的安全性。

Description

电机速度控制方法、装置、系统以及机器人

技术领域

本申请涉及机器人安全控制技术领域，具体而言，涉及一种电机速度控制方法、装置、系统以及一种机器人。

背景技术

机器人的安全性是用户非常关注的产品属性，为实现机器人在安全门以内示教，需要机器人满足安全限速功能。

目前，大部分工业机器人的位置/速度检测依赖于机器人关节上的伺服电机编码器。如果需要通过编码器直接实现冗余的速度检测，则需要编码器具有至少两个独立的速度检测单元，且编码器需要与机器人控制器之间通过安全的通信协议进行通信。满足以上要编码器尚未普及且成本较高。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本申请的实施例提供了一种电机速度控制方法，进而至少在一定程度上可以克服以上问题。

本申请的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本申请的实践而习得。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种电机速度控制方法。电机具有转子和定子，该方法包括:

根据转子的位置信号，计算电机的第一速度；

获取定子的绕组的相电压和相电流；

根据绕组的相电压和相电流，计算电机的第二速度；

若第一速度和第二速度中的任一速度大于预设安全速度，则对电机进行降速处理。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种电机速度控制装置,包括：

第一计算单元，用于根据转子的位置信号，计算电机的第一速度；

获取单位，用于获取定子的绕组的相电压和相电流；

第二计算单元，用于根据绕组的相电压和相电流，计算电机的第二速度；

处理单元，用于若第一速度和第二速度中的任一速度大于预设安全速度，则对电机进行降速处理。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种电机速度控制系统,包括：

电机，具有定子和转子；

电机驱动电路，与电机连接，用于控制电机运动；

相电流和相电压检测模块，用于检测定子的绕组的相电压和相电流；

估计模块，与相电流和相电压检测模块连接，用于根据各个绕组的相电压和相电流，计算电机的第一速度；

编码器，与电机连接，用于获得转子的位置信号；

编码器接口电路，与编码器通讯连接，用于处理并传递转子的位置信号；

计算模块，与编码器接口电路连接，用于根据转子的位置信号，计算电机的第二速度；

处理模块，与计算模块和估计模块连接，用于根据电机的第一速度和第二速度，对电机的速度进行处理。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种机器人，包括：

机器人本体；

电机，用于驱动机器人本体进行运动；以及

电机控制器，电机控制器用于执行如前所述的电机速度控制方法，以对电机进行控制。

在本申请的一些实施例所提供的技术方案中，通过检测电机的相电压和相电流，实现电机冗余的速度检测，降低了检测成本，通过将两个通道检测的第一速度和第二速度分别与预设安全速度对比，若任一速度超过预设安全速度，对电机进行降速处理，保证了电机的使用安全性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1示出了根据本申请的一个实施例的电机速度控制方法的流程图；

图2是图1所示的电机速度控制方法的步骤S130的一个实施例的流程图；

图3是本申请一个实施例示出的锁相环(相位锁栓回路，Phase Locked Loop)原理的框图；

图4示出了根据本申请的一个实施例的电机速度控制装置400的框图；

图5示出了根据本申请的一个实施例的电机速度控制系统500的框图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本申请将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

以下对本申请实施例的技术方案的实现细节进行详细阐述：

图1示出了根据本申请的一个实施例的电机速度控制方法的流程图。如图1所示，该方法至少可以包括步骤S110至步骤S140。

步骤S110，根据转子的位置信号，计算电机的第一速度。

电机，是指根据电磁感应定律，对电能进行转换的电磁设备。从结构上看，电机主要由转子和定子组成，定子具有绕组，电机利用通电的定子绕组(线圈)产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。

首先，需要获得转子的位置信号，其中，转子的位置信号包括转子的角位移、直线位移等。

可以采用位置反馈元件进行转子的位置信号的获得，示意性的，可以采用霍尔传感器获得电机的位置信号，霍尔传感器是由若干霍尔元件组成的，配合电机转子磁极的变化从而给出转子磁极与定子线圈的相对位置。

在另外的实施例中，还可以由旋转变压器获得并反馈转子的位置信号，由于旋转变压器输出的是模拟量正余弦信号，而不是方波脉冲信号，可以通过一个接口电路，来实现模拟信号到控制系统数字信号的转换，以方便该电机的控制器识别。

在另外的实施例中，还可以采用编码器获得并反馈转子的位置信号，编码器通过光电变换，可将输出轴的角位移、角速度、直线位移等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出，从而反馈转子的位置信号。示意性的，以增量式编码器为例，增量式编码器将位移转换成周期性的电信号，再把该电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

当得到位置反馈元件反馈的转子的位置信号后，可以根据从位置信号获得的转子的角位移、直线位移等计算电机的速度。需要说明的是，此处可以是计算电机的机械角速度，也可以是计算电机的电角速度，其中，电机的机械角速度乘以电机极对数等于电机的电角速度。

示意性的，若采用编码器进行电机的位置信号的反馈，通常，编码器有3个输出口，分别为A相、B相、Z相输出，A相与B相之间相互延迟1/4周期的脉冲输出，根据延迟关系可以区别正反转，Z相为单圈脉冲，即每圈发出一个脉冲。应当理解，当得到A相、B相和Z相的脉冲信号后，可通过对信号的数值进行微分计算，以此来得到电机的电角速度。也就是说，根据转子的位置信号，得到了电机的第一速度。

在另外的实施例中，步骤S110还可以包括以下步骤：

将位置信号输入至编码器接口电路中；根据从编码器接口电路中获得的位置信号，计算所述电机的第一速度。

其中，编码器接口电路用于接收来自位置反馈元件的通信信号，示意性的，该位置反馈元件可以是编码器。将该通信信号转化为机器人控制器可识别的电机位置信号，并进行通信错误校验。应当理解，转化过程可根据不同的位置反馈元件的种类和不同控制器采取不同的转化方式。此处不进行限制。

在控制器接收到位置信号后，应当理解，容易计算出电机的第一速度。

步骤S120,获取定子的绕组的相电压和相电流；

如前所述，电机的定子具有绕组，电机利用通电的定子绕组(线圈)产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。

其中，相电压是定子的绕组每一相的电压，相电流是流过定子的绕组的每一相的电流。

在一个实施例中，可以通过传感器获取定子的绕组的相电压和相电流。

示意性的，可以采用电压或者电流检测放大器、霍尔传感器等电压或电流传感器对电机的定子的绕组的每一相电压和电流分别进行检测，以实现通过传感器获取定子的绕组的相电压和相电流。

在另外的示意性实施例中，还可以检测电机的驱动电路的母线电压的值，以及母线电压的占空比来获得电机的相电压。示意性的，可以通过母线采样电阻分压采样电路，测出母线采样电阻电压，根据母线采样电阻、采样电阻的电压以及欧姆定律计算出母线电压，以及电压的占空比。其中，占空比指在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例或连续的工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值。

以三相电机为例，具体的，可以采用如下的公式(1)计算得到电机的相电压。

V_u,v,w＝V_bus(D_u,v,w-0.5) (1)

其中，V_u,v,w是电机的相电压，V_bus是电机驱动电路的母线电压,D_u,v,w是母线电压的占空比。

步骤S130,根据绕组的相电压和相电流，计算电机的第二速度。

其中，电机的第二速度是通过根据绕组的相电压和相电流计算得到的速度，在本申请中，可以是指转子的电角速度，也可以是机械角速度。需要说明的是，该第二速度需与第一速度的速度类型一致。

应当理解，转子的角速度与磁电动力旋转扭矩有关，而磁电动力旋转扭矩与电机定子的绕组的相电压和相电流、定子绕组内阻等参数相关。因此，可以根据测得的定子的绕组的相电压和相电流以及电机一系列已知参数的值，计算出电机的第二速度。示意性的，可以借助于电机磁链模型，计算磁链的幅值和相位。其中，电机的磁链模型可以从电机数学模型中推导出来，也可以利用状态观测器或状态估计理论得到闭环的观测模型，此处不进行限制。

步骤S140,若第一速度和第二速度中的任一速度大于预设安全速度，则对电机进行降速处理。

首先要说明的是，预设安全速度时人为设置的保证电机安全使用的安全限速。该预设安全速度可以是电气速度，也可以是机械速度，此处不进行限制，只需与第一速度和第二速度的速度类型一致即可。

将第一速度和第二速度分别与预设安全速度比较。当第一速度和第二速度中的任一速度大于安全速度时，电机控制器对电机的速度进行降速处理，示意性的，当检测到第一速度或第二速度大于预设安全速度时，可以降低输入电流的值，以此来控制电机降速，也可以采取其他任何已知的方法，此处不进行限制。

在另外的实施例中，对电机进行降速处理还可以包括对通过电机驱动电路对电机进行安全停止，以此来实现安全限速的功能，此处也不进行限制。

请参阅图2，图2是图1所示的电机速度控制方法的步骤S130的一个实施例的流程图。

如图2所示，该电机速度控制方法可以包括步骤S210至步骤S230。

步骤S210，将绕组的相电压和相电流输入至磁通观测器，得到转子的q轴的估计磁通值。

首先需要说明的是，磁通观测器是一个数学模型，在本申请中，用于根据检测得到的绕组的相电压和相电流推算电机内部的磁通值。也就是说，可以通过已知的相电压和相电流，以及电机中其他元件的一系列已知参数，估算出转子的q轴的估计磁通值。

还需要说明的是，q轴(正交轴)和d轴(直轴)是与电机转子同步的动态二相坐标系。如电机控制领域普通技术人员所理解的，d轴是产生磁通的电机轴，q轴是最终产生扭矩的轴。按照惯例，q轴领先d轴90度。

在一个实施例中，步骤S210具体可以包括以下步骤：

将绕组的相电压和相电流转换至静止二相坐标系中的α轴相电压和相电流，及β轴相电压和相电流；

将α轴相电压和相电流和β轴相电压和相电流输入至磁通观测器中，得到α轴的磁通值以及β轴的磁通值；

将α轴的磁通值以及β轴的磁通值转换为转子的q轴的估计磁通值。

首先，将绕组的相电压和相电流映射至静止二相坐标系中。

示意性的，以三相感应电机为例，将该三相感应电机的定子线圈上接上交流电。

具体的，可以使用Clark变换。将三相相差120度的u、v、w三相电，变成相差90度的两相等效供电电源。具体的，可以通过以下公式(2)和(3)实现：

其中，v_α、v_β分别是静止二相坐标系中α轴相电压和β轴相电压,i_α和i_β分别是α轴相电流和β轴相电流。

得到α轴相电压和相电流和β轴相电压和相电流之后,将α轴相电压和相电流和β轴相电压和相电流输入至磁通观测器中，得到α轴的磁通值以及β轴的磁通值。

具体的，α轴的磁通值λ_α以及β轴的磁通值λ_β可以通过公式(4)和(5)计算得到。

其中，p为微分算子，v_α、v_β、i_α和i_β分别表示电机在α轴和β轴的相电压和相电流，R表示电机定子绕组内阻，L_d和L_q分别表示d轴和q轴的电感，K_e是电机的反电势系数。

通过公式(4)和(5)，即推导出如下磁通观测器，如公式(6)和(7)分别所示的α轴的磁通值以及β轴的磁通值。

其中，

是估算出α轴的磁通值，

是估算的β轴的磁通值。T_f是滤波器的时间常数，s是拉普拉斯变换因子。

需要说明的是，此模型因采用低通滤波器逼近积分，低通滤波器是只允许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。因此，T_f不能取太小的值。

如果将静止二相坐标系αβ以定子产生的旋转磁场的角速度旋转起来，可以得到相对于转子静止的d q坐标系。因此，我们可以根据将α轴的磁通值以及β轴的磁通值，得到转子的q轴的估计磁通值。

具体的，可以使用park变换得到如公式(8)所示的转子的q轴的估计磁通值。

其中，θ_est是电机角度的估计值，θ是定子旋转磁场的转过的电角度，θ-θ_est是电机的转差角。

如前所述，q轴是最终产生旋转扭矩的轴，而且，q轴的估计磁通值与电机的转差角正相关，所以，可根据q轴的估计磁通值，得到电机的电角速度。

步骤S220,根据q轴的估计磁通值，得到转子的电角速度。

在本申请的一个实施例中，步骤S220可以包括以下步骤：

将q轴的磁通值作为锁相对象输入锁相环，将电机角度作为被锁对象，估计出转子的电角速度。

其中，锁相环是一种闭环反馈控制电路，如果输入信号和反馈信号出现相位误差，在闭环负反馈作用下，系统使输入信号和反馈信号的相位差朝着减小的方向变化，最后，系统使两个信号达到同频和接近同相。在本申请中，输入的是q轴的估计磁通量，输出的电机角度的估计值。

如图3所示，图3是本申请一个实施例的锁相环的原理框图。由第一部分301和第二部分302组成，其中，第一部分301是指(K_p+K_i/s)K_e，第二部分302指1/s，具体的，q轴的估计磁通量乘以(K_p+K_i/s)K_e可得到电机的电角速度，电机的电角速度时域的积分就可得到电机角度的估计值。

步骤S230，根据转子的电角速度与电机极对数之间的比值，确定转子的第二速度。

其中，电机极对数是级数除以2，级数是N、S及总共的个数。示意性的，当A、B、C三相每相绕组只有一个线圈均匀对称分布在圆周上，则电流变化一次，旋转磁场转过一圈，这就是一对极。如果A、B、C三相绕组每相分别由两个线圈串联组成，每个线圈的跨距为1/4圆周，那么三相电流所建立的合成磁场仍然是一个旋转磁场，并且电流变化一次，旋转磁场仅转过1/2转，这就是2对极。同理，如果将绕组按一定的规则排列，可得3对极、4对极或一般地说P对极。P就是极对数。所以可以将转子的电角速度除以电机的极对数，得到转子的第二速度，此处的第二速度，是指转子的机械角速度。

以下介绍本申请的装置实施例，可以用于执行本申请上述实施例中的电机速度控制方法。对于本申请装置实施例中未披露的细节，请参照本申请上述的电机速度控制方法的实施例。

图4示出了根据本申请的一个实施例的电机速度控制装置的框图。

参照图4所示，根据本申请的一个实施例的电机速度控制装置400，包括：

第一计算单元401，用于根据转子的位置信号，计算电机的第一速度；

获取单元402，用于获取定子的绕组的相电压和相电流；

第二计算单元403，用于根据绕组的相电压和相电流，计算电机的第二速度；

处理单元404，用于若第一速度和第二速度中的任一速度大于预设安全速度，则对电机进行降速处理。

在另外的实施例中，第一计算单元401还用于将转子的位置信号输入至编码器接口电路中；根据从编码器接口电路中获得的位置信号，计算电机的第一速度。

在另外的实施例中，获取单元402还用于获得驱动电机运动的驱动电路的母线电压的值，以及母线电压的占空比；根据母线电压的值以及占空比，计算定子的绕组的相电压和相电流。

在另外的实施例中，获取单元402还用于通过传感器获取定子的绕组的相电压和相电流。

在另外的实施例中，第二计算单元403，包括：输入单元，用于将绕组的相电压和相电流输入至磁通观测器，得到转子的q轴的估计磁通值；获取单元，用于根据q轴的估计磁通值，得到转子的电角速度；确定单元，用于根据转子的电角速度与电机极对数之间的比值，确定转子的第二速度。

在前述实施基础上，输入单元还用于将绕组的相电压和相电流转换至静止二相坐标系中的α轴相电压和相电流，及β轴相电压和相电流；将α轴相电压和相电流和β轴相电压和相电流输入至磁通观测器中，得到α轴的磁通值以及β轴的磁通值；将α轴的磁通值以及β轴的磁通值转换为转子的q轴的估计磁通值。

图5示出了根据本申请的一个实施例的电机速度控制系统500的框图。

在另一个实例性的实施例中，本申请还提供了一种电机速度控制系统，如图5所示，

该系统包括：

电机501，具有定子和转子；

电机驱动电路502，与电机501连接，用于控制电机运动；

相电流和相电压检测模块503，用于获取定子绕组的相电压和相电流；

估计模块504，与相电流和相电压检测模块503连接，用于根据各个绕组的相电压和相电流，计算电机的第一速度；

编码器505，与电机501连接，用于获得转子的位置信号；

编码器接口电路506，与编码器通讯连接，用于处理并传递转子的位置信号；

计算模块507，与编码器接口电路506连接，用于根据转子的位置信号，计算电机的第二速度；

处理模块508，与计算模块507和估计模块504连接，用于根据电机的第一速度和第二速度，对电机的速度进行处理。

其中，第一速度和第二速度仅用于描述的目的，代表两个速度。而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在另一示例性的实施例中，本申请还提供了一种机器人，该机器人的特点在于，包括：机器人本体；电机，用于驱动机器人本体进行运动；电机控制器，用于执行如前所述的电机速度控制方法，以对电机进行控制。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实施方式后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种电机速度控制方法，所述电机具有转子和定子，其特征在于，包括：

根据所述转子的位置信号，计算所述电机的第一速度；

获取所述定子的绕组的相电压和相电流；

根据所述绕组的相电压和相电流，计算所述电机的第二速度；

若所述第一速度和所述第二速度中的任一速度大于所述预设安全速度，则对所述电机进行降速处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述绕组的相电压和相电流，计算所述电机的第二速度，包括：

将所述绕组的相电压和相电流输入至磁通观测器，得到所述转子的q轴的估计磁通值；

根据所述q轴的估计磁通值，得到所述转子的电角速度；

根据所述转子的电角速度与电机极对数之间的比值，确定所述转子的第二速度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述绕组的相电压和相电流输入至磁通观测器，得到所述转子的q轴的估计磁通值，包括：

将所述绕组的相电压和相电流转换至静止二相坐标系中的α轴相电压和相电流，及β轴相电压和相电流；

将所述α轴相电压和相电流和所述β轴相电压和相电流输入至磁通观测器中，得到所述α轴的磁通值以及所述β轴的磁通值；

将所述α轴的磁通值以及所述β轴的磁通值转换为所述转子的q轴的估计磁通值。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述q轴的磁通值，得到所述电机的转子的电角速度，包括：

将所述q轴的磁通值作为锁相对象输入锁相环，将所述转子的电角度作为被锁对象，估计所述转子的电角速度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述定子的绕组的相电压和相电流，包括：

获得驱动所述电机运动的驱动电路的母线电压的值，以及所述母线电压的占空比；

根据所述母线电压的值以及所述占空比，计算所述定子的绕组的相电压和相电流。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述定子的绕组的相电压和相电流，还包括：

通过传感器获取所述定子的绕组的相电压和相电流。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述转子的位置信号，计算所述电机的第一速度，包括：

将所述位置信号输入至编码器接口电路中；

根据从编码器接口电路中获得的所述位置信号，计算所述电机的第一速度。

8.一种电机速度控制装置，其特征在于，包括：

第一计算单元，用于根据所述转子的位置信号，计算所述电机的第一速度；

获取单元，用于获取所述定子的绕组的相电压和相电流；

第二计算单元，用于根据所述绕组的相电压和相电流，计算所述电机的第二速度；

处理单元，用于若所述第一速度和所述第二速度中的任一速度大于所述预设安全速度，则对所述电机进行降速处理。

9.一种电机速度控制系统，其特征在于，包括：

电机，具有定子和转子；

电机驱动电路，与所述电机连接，用于控制所述电机运动；

相电流和相电压检测模块，用于检测所述定子的绕组的相电压和相电流；

估计模块，与所述相电流和相电压检测模块连接，用于根据所述各个绕组的相电压和相电流，计算所述电机的第一速度；

编码器，与所述电机连接，用于获得所述转子的位置信号；

编码器接口电路，与所述编码器通讯连接，用于处理并传递所述转子的位置信号；

计算模块，与所述编码器接口电路连接，用于根据所述转子的位置信号，计算所述电机的第二速度；

处理模块，与所述计算模块和所述估计模块连接，用于根据所述电机的所述第一速度和所述第二速度，对所述电机的速度进行处理。

10.一种机器人，其特征在于，包括：

机器人本体；

电机，用于驱动所述机器人本体进行运动；以及

电机控制器，所述电机控制器用于执行如权利要求1至7中任一项所述的电机速度控制方法，以对所述电机进行控制。

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