CN111897289B

CN111897289B - 电机驱动机构的力矩信息处理方法、装置、设备与介质

Info

Publication number: CN111897289B
Application number: CN202010779912.9A
Authority: CN
Inventors: 谢淼; 王飞锦; 杨钊
Original assignee: Shanghai Friendess Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Friendess Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-08-05
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2040-08-05
Also published as: CN111897289A

Abstract

本发明提供了一种电机驱动机构的力矩信息处理方法、装置、设备与介质，所述电机驱动机构能够通过传动机构传动目标对象运动，所述的方法包括：在所述电机驱动机构驱动所述传动机构正常工作时，检测所述传动机构的工作时实测速度与所述电机驱动机构的工作时实测力矩；根据所述工作时实测速度与标定后的动力学模型，确定工作时理论力矩；根据所述工作时实测力矩与所述工作时理论力矩的差值，以及力矩偏差参考值，分析所述电机驱动机构的力矩是否发生异常。

Description

电机驱动机构的力矩信息处理方法、装置、设备与介质

技术领域

本发明涉及驱动机构力矩控制领域，尤其涉及一种电机驱动机构的力矩信息处理方法、装置、设备与介质。

背景技术

机械设备运行过程中，为了防止机床对工作人员碰撞造成严重的人员伤亡、机械设备的碰撞与机械变形损伤，通常会引入力矩保护装置，其主要作用是：在机床发生碰撞或卡死等情况时，机床中电机驱动机构输出的力矩会发生异常，通过对该异常的及时发现，可便于阻止进一步的运动，进而，可避免进一步的运动导致的更大伤害与损失。现有技术中，可以为驱动机构设置一个超载保护参数，当电机驱动机构输出力矩达到或超过超载保护参数后，可判断电机驱动机构发生了异常。

然而，每台设备的动力学特性有些许差异，并且，设备长时间使用后，由于磨损、变形等原因，也会导致摩擦力、间隙、力矩传动关系等发生改变，即便是调试好的超载保护参数，也难以准确适配各种多样、多变的可能性，进而会影响判断的准确性。同时，现有技术无法区分当前的力矩峰值是正常加减速所需还是碰撞导致的急剧增加，从而容易产生异常判断的错误；进一步的，在实际操作过程中，为了减少加减速阶段力矩突变导致的误判断，往往把超载保护参数设置的比较大，进而，难以检测到真正的碰撞，易于导致异常判断的错漏。

可见，基于现有技术，难以准确检测出力矩的异常。

发明内容

本发明提供一种电机驱动机构的力矩信息处理方法、装置、设备与介质，以解决现有技术中难以准确检测出力矩的异常的问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种电机驱动机构的力矩信息处理方法，所述的方法包括：在所述电机驱动机构驱动所述传动机构正常工作时，检测所述传动机构的工作时实测速度与所述电机驱动机构的工作时实测力矩；

根据所述工作时实测速度与标定后的动力学模型，确定工作时理论力矩；

根据所述工作时实测力矩与所述工作时理论力矩的差值，以及力矩偏差参考值，分析所述电机驱动机构的力矩是否发生异常。

可选的，在所述电机驱动机构驱动所述传动机构正常工作之前，还包括：

通过电机驱动机构驱动传动机构执行标定动作，并检测执行过程中所述传动机构的标定时实测速度，以及所述电机驱动机构的标定时实测力矩；

根据所述标定时实测速度与所述标定时实测力矩，确定标定后的动力学模型。

可选的，根据所述标定时实测速度与所述标定时实测力矩，确定标定后的动力学模型包括：

根据N个标定时实测速度与N个标定时实测力矩，确定无偏差的动力学模型；其中N为大于或者等于1的整数；

根据所述无偏差的动力学模型与所述N个标定时实测速度，计算每个标定时实测速度对应的标定时计算力矩，得到N个标定时计算力矩；

根据所述N个标定时实测力矩与所述N个标定时计算力矩，确定最大力矩偏差；

根据所述无偏差的动力学模型与所述最大力矩偏差，确定所述标定后的动力学模型。

可选的，所述无偏差的动力学模型的参数是根据标定时实测速度与所述标定时实测力矩，采用最小二乘法计算得到的。

可选的，根据所述工作时实测力矩与所述工作时理论力矩的差值，以及所述力矩偏差参考值，分析所述电机驱动机构的力矩是否发生异常包括：

若所述工作时实测力矩与所述工作时理论力矩的差值在预设时长内始终大于或等于所述力矩偏差参考值，则，确定所述电机驱动机构的力矩发生异常。

可选的，所述力矩偏差参考值为预设的固定值，或者：所述力矩偏差参考值与所述工作时理论力矩的比值为小于1的预设的固定值。

可选的，所述标定动作用于使得所述目标对象进行多次标定运动，所述多次标定运动包括自起始位置运动至目标位置的标定运动，和/或：自所述目标位置返回至所述起始位置的标定运动，其中，每次标定运动的运动速度均不相同。

根据本发明的第二方面，提供了一种电机驱动机构的力矩信息处理装置，包括：

正常工作检测模块，用于在所述电机驱动机构驱动所述传动机构正常工作时，检测所述传动机构的工作时实测速度与所述电机驱动机构的工作时实测力矩；

理论力矩确定模块，用于根据所述工作时实测速度与标定后动力学模型，确定工作时理论力矩；

分析模块，用于根据所述工作时实测力矩与所述工作时理论力矩的差值，以及力矩偏差参考值，分析所述电机驱动机构的力矩是否发生异常。

根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括处理器与存储器，所述存储器，用于存储代码和相关数据；所述处理器，用于执行所述存储器中的代码用以实现第一方面及其可选方案涉及的方法。

根据本发明的第四方面，提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面及其可选方案涉及的方法。

本发明提供的电机驱动机构的力矩信息处理方法、装置、设备与介质中，能够根据标定后的动力学模型实时计算得到设备在各种速度下的理论力矩，并将实测力矩与理论力矩的偏差作为判断力矩异常与否的依据，由于理论力矩可在一定程度上体现出未发生碰撞时的力矩变化，进而，在充分考虑理论力矩之后，可有助于区分力矩峰值是正常加减速还是碰撞导致的。可见，本发明可有效提高力矩异常判断的准确性。同时，在此基础上，可无需选择较大的参考值作为比较标准，其可有利于进一步提高力矩异常判断的准确性。

进一步可选方案中，由于该动力模型是根据设备自身的实时速度与实时力矩标定得到的，进而，标定后的动力学模型可准确反映对应设备的动力学特性，基于此，避免了设备差异性、设备使用中的变化而导致异常判断的错误，有效提高了力矩异常判断的准确性。同时，由于在异常判断之前引入了标定动力学模型的处理，该可选方案能够广泛适配于具有不同力学模型的设备，有效兼顾了普适性与准确性，即：在广泛适用于各种设备的同时，还能提高力矩异常判断的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是电机驱动结构加减速力矩模型图；

图2是本发明一实施例中电机驱动机构的力矩信息处理方法的流程示意图一；

图3是本发明一实施例中电机驱动机构的力矩信息处理方法的流程示意图二；

图4是本发明一实施例中步骤S5的流程示意图；

图5是本发明一实施例中步骤S3的流程示意图；

图6是本发明一实施例中机械设备反向间隙示意图；

图7是本发明一实施例中电机驱动机构的力矩信息处理方法的流程示意图三；

图8是本发明一实施例中电机驱动机构的力矩信息处理方法的流程示意图四；

图9是本发明一实施例中电机驱动机构的力矩信息处理装置的结构示意图；

图10是本发明一实施例中电机驱动机构的力矩信息处理装置的结构示意图二；

图11是本发明一实施例中电子设备的构造示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、 “第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为一种举例中电机驱动结构加减速力矩模型图，横坐标为传动机构的速度，纵坐标为力矩，可以看出，当传动机构的速度发生短时间内的快速变化时，即在电机加减速过程中，需要电机输出的力矩远大于匀速阶段的力矩输出。

基于以上基本原理，本发明提供了一种电机驱动机构的力矩信息处理方法，可应用于机床、电机驱动机构自带的控制设备，也可应用于外接于机床、电机驱动机构的控制设备。

请参考图2，电机驱动机构的力矩信息处理方法，包括：

S1：在所述电机驱动机构驱动所述传动机构正常工作时，检测所述传动机构的工作时实测速度与所述电机驱动机构的工作时实测力矩；

S2：根据所述工作时实测速度与所述标定后的动力学模型，确定工作时理论力矩；

S3：根据所述工作时实测力矩与所述工作时理论力矩的差值，以及力矩偏差参考值，分析所述电机驱动机构的力矩是否发生异常。

请参考图3，在电机驱动机构驱动传动机构正常工作之前，还包括：

S4：通过电机驱动机构驱动传动机构执行标定动作，并检测执行过程中所述传动机构的标定时实测速度，以及所述电机驱动机构的标定时实测力矩；

S5：根据所述标定时实测速度与所述标定时实测力矩，确定标定后的动力学模型。

其中的标定动作是在电机驱动机构正常工作之前执行的，可以是每次正常工作前执行，即每次正常工作前均获得一个与之匹配的标定后动力学模型，也可以是每正常工作一段时间后进行阶段性执行，即每个阶段匹配一个标定后动力学模型。

在步骤S4与步骤S1中，对于传动机构的实测速度的检测可以通过速度传感器检测，也可以通过编码器检测，对于电机驱动机构的实测力矩的检测可以通过力矩传感器检测，也可以通过编码器检测。

可见，本发明提供的电机驱动机构的力矩信息处理方法、装置、设备与介质中，能够根据标定后的动力学模型实时计算得到设备在各种速度下的理论力矩，并将实测力矩与理论力矩的偏差作为判断力矩异常与否的依据，由于理论力矩可在一定程度上体现出未发生碰撞时的力矩变化，进而，在充分考虑理论力矩之后，可有助于区分力矩峰值是正常加减速还是碰撞导致的。可见，本发明可有效提高力矩异常判断的准确性。同时，在此基础上，可无需选择较大的参考值作为比较标准，其可有利于进一步提高力矩异常判断的准确性。

一种实施方式中，请参考图4，步骤S5可以包括：

S51：根据N个标定时实测速度与N个标定时实测力矩，确定无偏差的动力学模型；

其中N为大于或者等于1的整数，部分可选方案中，N可以为大于或等于2的整数，进而，增加计算结果的可靠性。

一种举例中，无偏差的动力模型为：

其中M为力矩，J为转动惯量，G为静扭矩，f(v)为和速度相关的摩擦扭矩。

其中σ₀是刚度，σ₁是阻尼系数，σ₂粘性摩擦系数(阻尼)。

S52：根据所述无偏差的动力学模型与所述N个标定时实测速度，计算每个标定时实测速度对应的标定时计算力矩，得到N个标定时计算力矩；

其中，标定时实测速度与标定时实测力矩是一一对应的，标定时实测速度与标定时计算力矩是一一对应的，进而，标定时实测力矩与标定时计算力矩也是一一对应的。

S53：根据所述N个标定时实测力矩与所述N个标定时计算力矩，确定最大力矩偏差；

一种举例中，确定最大力矩偏差的方法为：计算N个标定时实测力矩与对应的N个标定时计算力矩的偏差，得到N个偏差值，确定N个偏差值中的最大值作为最大力矩偏差。

S54：根据所述无偏差的动力学模型与所述最大力矩偏差，确定所述标定后的动力学模型。

其中，标定后的动力学模型是无偏差的动力模型与最大力矩偏差相加得到的。标定后的动力学模型为：

其中T_mg为最大力矩偏差。

一种实施方式中，无偏差的动力学模型的参数是根据标定时实测速度与标定时实测力矩，采用最小二乘法计算得到的。

一种实施方式中，请参考图5，步骤S3可以包括：

S31：所述工作时实测力矩与所述工作时理论力矩的差值是否在预设时长内始终大于或等于所述力矩偏差参考值；

若S31的判断结果为是，则可实施步骤S32：确定所述电机驱动机构的力矩发生异常。

若S31的判断结果为否，则确定所述电机驱动机构的力矩未发生异常。

其中，请参考图6，在数控机床进给传动链的各环节中，比如齿轮传动、滚珠丝杠螺母副等都存在着反向间隙，当数控机床工作台在其运动方向上换向时，由于反向间隙的存在会导致伺服电动机空转而工作台无实际移动，步骤S31中的预设时间是为了避免设备换向运动时反向间隙带来的误报警，因此，只有在工作实测力矩与工作时理论力矩的差值大于或等于力矩偏差参考值且持续一定的时间后，才确定所述电机驱动机构的力矩发生异常。

一种举例中，可利用工作时实测力矩与工作时理论力矩的偏差与力矩偏差参考值得到力矩偏差信息，并以此为依据判断电机驱动机构的力矩是否发生异常，力矩偏差信息err可通过以下公式确定：err＝(∣M∣-∣M₀∣)/T，其中M为工作时实测力矩，M₀为工作时理论力矩，T为力矩偏差参考值。

若err在预设时间内持续大于或等于1，则确定所述电机驱动机构的力矩发生异常；

若err在预设时间内持续小于1，则确定所述电机驱动机构的力矩未发生异常。

其他举例中，也可以通过直接比较∣M∣-∣M₀∣与T的大小判断是否发生异常。

一种实施方式中，所述力矩偏差参考值为预设的固定值，或者：所述力矩偏差参考值为与所述工作时理论力矩的比值小于1的预设的固定值。

一种举例中，所述力矩偏差参考值为所述工作时理论力矩的10％，其他举例中，所述力矩偏差参考值也可以是所述工作时理论力矩的20％。

一种举例中，确定所述电机驱动机构的力矩发生异常之后，还包括以下至少之一：

控制所述电机驱动机构停止运行；

控制所述电机驱动机构发出异常报警信号；

控制所述电机驱动机构断电保护。

其中，控制所述电机驱动机构停止运行、控制所述电机驱动机构发出异常报警信号、控制所述电机驱动机构断电保护，三者可以是同时进行的，也可以不同时进行。

进一步举例中，异常报警信号可以是声音报警，其他举例中，也可以是灯光闪烁报警。

一种实施方式中，所述标定动作用于使得所述目标对象进行多次标定运动，所述多次标定运动包括自起始位置运动至目标位置的标定运动，和/或：自所述目标位置返回至所述起始位置的标定运动，其中，每次标定运动的运动速度均不相同。

若所述标定动作为多次自起始位置运动至目标位置，每次标定运动的运动速度均不相同可以理解为：每次自起始位置运动至目标位置的速度不相同；

若所述标定动作为自起始位置运动至目标位置后自目标位置返回至起始位置，每次标定运动的运动速度均不相同可以理解为：每次自起始位置运动至目标位置的速度与自目标位置返回至起始位置的速度各不相同。

在实际的实施过程中，请参考图7与图8，对电机驱动机构的力矩信息处理方法进行阐述。

在电机驱动机构驱动所述传动机构正常工作之前，先实施步骤S4(即控制设备执行预设的运动指令)，在完成标定动作并且获得标定时实测速度与标定时实测力矩之后，则可实施步骤S5，得到标定后的动力学模型后，可进行电机驱动机构驱动传动机构的正常工作，在电机驱动机构驱动传动机构正常工作后，可实施步骤S1(即实时读取伺服驱动反馈的真实力矩)，得到电机驱动机构的工作时实测力矩与传动机构的工作时实测速度后，可实施步骤 S2(即实时计算电机驱动机构实现运动目标所需的理论力矩)，得到工作时理论力矩后，可判断所述工作时实测力矩与所述工作时理论力矩的差值是否在预设时长内始终大于或者等于力矩偏差的参考值(即判断反馈力矩与理论力矩的差值是否在预设时长内始终大于或者等于力矩偏差的参考值)，若工作时实测力矩与工作时理论力矩的差值在预设时长内始终大于或者等于力矩偏差的参考值，则可理解为步骤S31的判断结果为是，则可进行控制电机驱动机构停止运行、控制电机驱动机构发出异常报警信号以及控制电机驱动机构断电保护中至少之一的操作(即停止并报警保护)，若工作时实测力矩与工作时理论力矩的差值在预设时长内始小于力矩偏差的参考值，则可继续完成设备的加工任务。

请参考图9，一种电机驱动机构的力矩信息处理装置2，包括：

正常工作检测模块21，用于在所述电机驱动机构驱动所述传动机构正常工作时，检测所述传动机构的工作时实测速度与所述电机驱动机构的工作时实测力矩；

理论力矩确定模块22，用于根据所述工作时实测速度与所述标定后动力学模型，确定工作时理论力矩；

分析模块23，用于根据所述工作时实测力矩与所述工作时理论力矩的差值，以及力矩偏差参考值，分析所述电机驱动机构的力矩是否发生异常。

可选的，请参考图10，电机驱动机构的力矩信息处理装置2，还包括：

标定检测模块24，用于通过电机驱动机构驱动传动机构执行标定动作，并检测执行过程中所述传动机构的标定时实测速度，以及所述电机驱动机构的标定时实测力矩；

标定后动力学模型确定模块25，用于根据所述标定时实测速度与所述标定时实测力矩，确定标定后的动力学模型；

可选的，所述标定后动力学模型确定模块25，具体用于：

图11是本发明一实施例中电子设备的构造示意图。

请参考图11，提供了一种电子设备3，包括：

处理器31；以及，

存储器33，用于存储所述处理器的可执行指令；

其中，所述处理器31配置为经有执行所述可执行指令来执行以上所涉及的方法。

处理器31能够通过总线32与存储器33通讯。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现以上所涉及的方法。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取的存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种电机驱动机构的力矩信息处理方法，其特征在于，所述电机驱动机构能够通过传动机构传动目标对象运动，所述的方法包括：

在所述电机驱动机构驱动所述传动机构正常工作时，检测所述传动机构的工作时实测速度与所述电机驱动机构的工作时实测力矩；

根据所述工作时实测力矩与所述工作时理论力矩的差值，以及力矩偏差参考值，分析所述电机驱动机构的力矩是否发生异常；

在所述电机驱动机构驱动所述传动机构正常工作之前，还包括：

根据所述标定时实测速度与所述标定时实测力矩，确定所述标定后的动力学模型；

根据所述标定时实测速度与所述标定时实测力矩，确定标定后的动力学模型，包括：

2.根据权利要求1所述的电机驱动机构的力矩信息处理方法，其特征在于，所述无偏差的动力学模型的参数是采用最小二乘法计算得到的。

3.根据权利要求1所述的电机驱动机构的力矩信息处理方法，其特征在于，根据所述工作时实测力矩与所述工作时理论力矩的差值，以及所述力矩偏差参考值，分析所述电机驱动机构的力矩是否发生异常包括：

若所述工作时实测力矩与所述工作时理论力矩的差值在预设时长内始终大于或等于力矩偏差参考值，则，确定所述电机驱动机构的力矩发生异常。

4.根据权利要求2所述的电机驱动机构的力矩信息处理方法，其特征在于，所述力矩偏差参考值为预设的固定值，或者：所述力矩偏差参考值与所述工作时理论力矩的比值为小于1的预设的固定值。

5.根据权利要求1至3任一项所述的电机驱动机构的力矩信息处理方法，其特征在于，所述标定动作用于使得所述目标对象进行多次标定运动，所述多次标定运动包括自起始位置运动至目标位置的标定运动，和/或：自所述目标位置返回至所述起始位置的标定运动，其中，每次标定运动的运动速度均不相同。

6.一种电机驱动机构的力矩信息处理装置，其特征在于，包括：

正常工作检测模块，用于在电机驱动机构驱动传动机构正常工作时，检测所述传动机构的工作时实测速度与所述电机驱动机构的工作时实测力矩；

分析模块，用于根据所述工作时实测力矩与所述工作时理论力矩的差值，以及力矩偏差参考值，分析所述电机驱动机构的力矩是否发生异常；

电机驱动机构的力矩信息处理装置，还包括：

标定检测模块，用于通过电机驱动机构驱动传动机构执行标定动作，并检测执行过程中所述传动机构的标定时实测速度，以及所述电机驱动机构的标定时实测力矩；

标定后动力学模型确定模块，用于根据所述标定时实测速度与所述标定时实测力矩，确定标定后的动力学模型；

所述标定后动力学模型确定模块25，具体用于：

7.一种电子设备，其特征在于，包括处理器与存储器，

所述存储器，用于存储代码和相关数据；

所述处理器，用于执行所述存储器中的代码用以实现权利要求1至5任一项所述的方法。

8.一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1至5任一项所述的方法。