CN113285645B - 电动机控制方法、电动机驱动装置、工业用机器人的控制方法及工业用机器人 - Google Patents

电动机控制方法、电动机驱动装置、工业用机器人的控制方法及工业用机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电动机控制方法，抑制用于电动机减速的控制方式切换后的电动机的失步、振动的发生。在开环控制中，执行在通过基于旋转编码器的位置检测值的检测位置反馈控制来驱动电动机的结构中模拟响应位置指令值后的电动机的旋转位置及供给到电动机的电流的步骤，并基于通过模拟获得的位置模拟值计算电角度，基于计算结果向实际的电动机供给电流。

Description

电动机控制方法、电动机驱动装置、工业用机器人的控制方法 及工业用机器人
技术领域
本发明涉及电动机控制方法、电动机驱动装置、工业用机器人的控制方法及工业用机器人。
背景技术
目前，已知一种通过开环控制来驱动电动机的电动机控制方法。
例如，在专利文献1所记载的电动机控制方法中，通过基于强制换流(电流消耗法)的开环控制启动电动机。之后，在使电动机的角速度上升到规定值并且在电动机内获得足够的感应电压的阶段中，通过基于流过电动机的电流的检测值推定电动机的旋转位置的无传感器矢量控制来控制电动机的旋转。根据专利文献1，在该电动机控制方法中，能够实现稳定的电动机控制。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2019-187233号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在专利文献1所记载的电动机控制方法中，为了使电动机停止，通过无传感器矢量控制使电动机的角速度降低到规定值之后，将电动机的控制方式从无传感器矢量控制切换为开环控制。这时，当将流过电动机的DQ轴电流向量的方向从Q轴方向瞬时切换为D轴的正方向时，无法获得用于使将电动机作为驱动源的驱动目标机械运动的转矩，会发生电动机的失步、大幅振动。
需要说明的是，虽然对将电动机的控制方式从无传感器矢量控制切换为开环控制时发生的技术问题进行了说明，但在如下的结构中，也会发生同样的技术问题。即，将控制方式从反馈基于编码器等的电动机的旋转位置的检测值的反馈控制切换为开环控制的结构。
本发明是鉴于以上背景而完成的，其目的在于提供如下的电动机控制方法、电动机驱动装置、工业用机器人的控制方法及工业用机器人。即，能够抑制用于电动机减速的控制方式切换后的电动机的失步、振动的发生的电动机控制方式等。
解决技术问题所采用的技术方案
本申请的第一发明提供一种电动机控制方法，其通过基于电流消耗法的开环控制来驱动电动机，其特征在于，具备：在通过基于从信号发送单元发送的旋转位置指令信号和从装设在电动机上的旋转位置检测器发送的旋转位置信号的反馈控制来驱动电动机的结构中模拟响应所述旋转位置指令信号之后的电动机的旋转位置及流过电动机的电流的步骤；计算与通过模拟获得的旋转位置模拟值相对应的电角度的步骤；以及基于所述电角度向所述电动机施加电压的步骤，在模拟所述旋转位置及所述电流的步骤中，执行虚拟控制所述旋转位置模拟值以使其跟随所述旋转位置指令信号的位置虚拟控制步骤和模拟所述电流的电流模拟步骤，在所述位置虚拟控制步骤中，基于所述旋转位置指令信号和通过所述电流模拟步骤获得的电流模拟值计算相对于电动机的电压指令值，在所述电流模拟步骤中，将所述电压指令值输入到包括电动机及负载机械的机械系统及电气系统模型，并从所述模型输出所述旋转位置模拟值及所述电流模拟值。
本申请的第二发明提供一种电动机控制方法，其通过基于电流消耗法的开环控制来驱动电动机，其特征在于，具备：在通过基于从信号发送单元发送的旋转位置指令信号和从装设在电动机上的旋转位置检测器发送的旋转位置信号的反馈控制来驱动电动机的结构中模拟响应所述旋转位置指令信号之后的电动机的旋转位置的步骤；计算与通过模拟获得的旋转位置模拟值相对应的电角度的步骤；以及基于所述电角度向所述电动机供给电流的步骤，在模拟所述旋转位置的步骤中，执行虚拟控制所述旋转位置模拟值以使其跟随所述旋转位置指令信号的位置虚拟控制步骤和获得所述旋转位置模拟值的模拟值取得步骤，在所述位置虚拟控制步骤中，基于所述旋转位置指令信号，计算用于使电动机产生所需的转矩的转矩指令值，在所述模拟值取得步骤中，向包括电动机及负载机械的机械系统模型输入所述转矩指令值，并从所述模型输出所述旋转位置模拟值。
本申请的第三发明提供一种电动机控制方法，其通过基于电流消耗法的开环控制来驱动电动机，其特征在于，具备：通过位置控制响应传递函数将从信号发送单元发送的旋转位置指令信号变换为响应所述旋转位置指令信号之后的电动机的旋转位置的步骤；计算与所述旋转位置相对应的电角度的步骤；以及基于所述电角度向所述电动机施加电压的步骤。
本申请的第四发明提供一种电动机驱动装置，其控制电动机的驱动，其特征在于，通过第一发明、第二发明或第三发明的电动机控制方法控制所述电动机的驱动。
本申请的第五发明提供一种工业用机器人的控制方法，其独立地控制多个电动机的驱动以改变工业用机器人的臂的位置，其特征在于，通过第一发明、第二发明或第三发明的电动机控制方法控制多个电动机中的每个电动机的驱动。
本申请的第六发明提供一种工业用机器人，其独立地控制多个电动机的驱动以改变臂的位置，其特征在于，由第四发明的电动机驱动装置控制多个电动机中的每个电动机的驱动。
发明效果
根据这些发明，具有能够抑制用于电动机减速的控制方式切换后的电动机的失步、振动的发生的优异效果。
附图说明
图1是表示实施方式的工业用机器人的立体图。
图2是表示同一工业用机器人的俯视图。
图3与电动机等一起表示装设在同一工业用机器人上的电动机驱动装置的控制结构的框图。
图4是表示由同一电动机驱动装置的控制模式选择部执行的模式值选择处理的处理流程的流程图。
图5是表示用于执行第一例的开环控制的开环控制电角度生成部的框图。
图6是表示位置指令值和基于响应位置指令值的控制的手部的实际旋转位置及速度的关系的曲线图。
图7是表示用于执行第二例的开环控制的开环控制电角度生成部的框图。
图8是表示用于执行第三例的开环控制的开环控制电角度生成部的框图。
图9是表示用于执行第四例的开环控制的开环控制电角度生成部的框图。
图10是表示用于执行第五例的开环控制的开环控制电角度生成部的框图。
图11是表示用于执行第六例的开环控制的开环控制电角度生成部的框图。
具体实施方式
下面，参照附图对使用本发明的实施方式的电动机控制方法的电动机驱动装置及工业用机器人的实施方式进行说明。需要说明的是，在下面的附图中，为了易于理解各结构，有时使实际的构造以及各构造中的比例尺及数量等不同。
首先，对实施方式的工业用机器人的基本结构进行说明。图1是表示实施方式的工业用机器人1的立体图。图2是表示工业用机器人1的俯视图。工业用机器人1是用于搬运玻璃基板的机器人，具备臂2、架台3及升降部4。升降部4被架台3保持，通过未图示的升降电动机的驱动在上下方向(图1的箭头方向)上升降。臂2具备放置玻璃基板的手部2A、前臂部2B及上臂部2C，且由升降部4保持。
上臂部2C的与升降部4的连接部即肩关节2D通过第一电动机22A的驱动能够沿着水平方向转动。具体地说，第一电动机22A的旋转驱动力经由第一皮带2E传递至肩关节2D，由此，肩关节2D沿水平方向转动。另外，作为上臂部2C和前臂部2B的连接部的肘关节2F通过第二电动机22B的驱动能够沿着水平方向转动。具体地说，第二电动机22B的旋转驱动力经由第二皮带2G传递至肘关节2F，从而肘关节2F沿水平方向转动。另外，前臂部2B和手部2A的连接部即手腕关节经由皮带接收第二电动机22B的驱动力，由此，能够沿着水平方向转动。
在工业用机器人1中，为了使手部2A沿着图2的点划线所示的轨道向箭头方向笔直地移动，需要将肩关节2D和肘关节2F之间的角度设为1比2的比例以使两个关节旋转。为此，需要以互不相同的驱动量驱动第一电动机22A和第二电动机22B。当使两个电动机停止而不控制第一电动机22A和第二电动机22B各自的旋转位置时，将两个电动机的驱动量的平衡打破，使得手部2A在偏离点划线所示的轨道的位置停止。
下面，对使用实施方式的电动机控制方法的电动机驱动装置进行说明。
图3是与电动机22等一起表示装设在实施方式的工业用机器人1上的电动机驱动装置20的控制结构的框图。需要说明的是，工业用机器人1具备用于使臂2的肩关节2D转动的电动机驱动装置20、用于使臂2的肘关节2F及手腕关节转动的电动机驱动装置20及用于使升降部4升降的电动机驱动装置20这三个电动机驱动装置，以作为图3所示的电动机驱动装置20。
三个电动机驱动装置20分别可以切换并执行检测位置反馈控制、无传感器矢量控制及开环控制这三个控制以作为电动机22的驱动的控制方式。
工业用机器人1具备向三个电动机驱动装置20发送指令的上位控制器100。上位控制器100基于存储在存储介质中的控制程序，对三个电动机驱动装置20分别发送位置指令值(位置指令信号)。三个电动机驱动装置20分别执行使电动机22的转子旋转到与从上位控制器100发送来的位置指令值相对应的旋转位置的控制。通过该控制，工业用机器人1的臂2进行基于上述控制程序的动作。
三个电动机驱动装置20的结构彼此相同。因此，下面，仅对三个电动机驱动装置20中的一个的结构详细地进行说明。
电动机驱动装置20具备控制模式选择部21、位置速度控制部23、矢量控制DQ轴电流指令生成部24、第一选择器25、电流控制部26、DQ逆变换部27、PWM控制部28及逆变器29。由电动机驱动装置20驱动的电动机22是上述的第一电动机22A、第二电动机22B或者第三电动机。电动机驱动装置20具备电流检测部31、第二选择器32、矢量控制电角度生成部33、第三选择器34、位置推定部35及开环控制电角度生成部36。另外，电动机驱动装置20具备开环控制DQ轴电流指令生成部37、编码器通信异常判定部38及DQ变换部39。电动机单元具备电动机22及旋转编码器30。
从上位控制器100输出的位置指令值输入到电动机驱动装置20的位置速度控制部23及开环控制电角度生成部36。
作为工业用机器人1的臂2的旋转动作(肩关节2D的转动)、关节弯曲伸展动作(肩关节2D、肘关节2F及手腕关节的转动)或者升降动作的驱动源的电动机22由三相(U相、V相、W相)交流PM(Permanent Magnet：永磁体)电动机构成。作为装设在电动机22上的旋转位置检测器的旋转编码器30通过众所周知的技术检测电动机22的转子的旋转位置，并将检测结果的信息作为位置检测值(旋转位置信号)输出。输出的位置检测值被输入到编码器通信异常判定部38和控制模式选择部21。另外，位置检测值也经由第二选择器32输入到位置速度控制部23。
需要说明的是，下面，有时将电动机22的转子的旋转表达为电动机22的旋转。
编码器通信异常判定部38对于从旋转编码器30发送来的位置检测值检测有无异常，在检测到异常的情况下，将异常发生信号发送到控制模式选择部21及上位控制器100。作为通过编码器通信异常判定部38检测位置检测值的异常的方法的一个例子，可举出当位置检测值的时间变化量超过规定阈值时(或者为阈值以上时)，则检测为异常的方法。但是，不限于该方法。另外，作为检测位置检测值的异常的方法，也可以采用将旋转编码器30的异常检测为位置检测值的异常的方法。
控制模式选择部21基于从旋转编码器30发送来的位置检测值的每单位时间的变化量计算电动机22的角速度，基于计算结果和有无位置检测值的异常来选择并输出控制模式值。
图4是表示由控制模式选择部21执行的模式值选择处理的处理流程的流程图。在模式值选择处理中，首先，对于根据需要从编码器通信异常判定部38发送的异常发生信号，判定是否已经接收(S(步骤)1)。然后，在没有接收异常产生信号的情况下(S1中为否)，选择“0”作为控制模式值并从控制模式选择部21输出(S2)。之后，处理流程返回S1。
另一方面，在接收到异常发生信号的情况下(S1中为是)，接着，对于电动机22的角速度判定是否为规定值以上(或者是否超过规定值)(S3)。然后，在角速度为规定值以上的情况下(S3中为是)，选择“1”作为控制模式值并从控制模式选择部21输出(S4)。另一方面，在角速度不为规定值以上的情况(或者没有超过规定值的情况)下(S3中为否)，选择“2”作为控制模式值并从控制模式选择部21输出。
如上所述，在控制模式值选择处理中，在没有发生位置检测值的异常的情况下，选择“0”作为控制模式值。另外，在发生位置检测值的异常并且角速度为规定值以上的情况下，选择“1”作为控制模式值，在发生位置检测值的异常并且角速度不为规定值以上的情况下，选择“2”作为控制模式值。
需要说明的是，上述规定值例如是电动机22的额定角速度的10〔％〕。
当从电动机驱动装置20发送来异常发生信号时，上位控制器100使向三个电动机驱动装置20发送的位置指令值以在使臂2在规定轨道上移动的同时使臂2及电动机22减速停止的模式变化。由此，臂2在规定轨道上停止。
在图3中，从控制模式选择部21输出的控制模式值分别输入到第一选择器25、第二选择器32及第三选择器34(下面，也将它们统称为三个选择器(25、32、34))。三个选择器(25、32、34)分别具备0号输入端子、1号输入端子及2号输入端子，且基于从控制模式选择部21发送来的控制模式值切换输出信号。具体地说，三个选择器(25、32、34)分别在控制模式值为“0”的情况下输出输入到0号输入端子的信号，在控制模式值为“1”的情况下输出输入到1号输入端子的信号，在控制模式值为“2”的情况下输出输入到2号输入端子的信号。
从这种结构的三个选择器(25、32、34)分别输出如下信号。即，在没有发生位置检测值的异常的情况下(控制模式值＝0)，输出用于执行使电动机22从由位置检测值表示的位置旋转到由位置指令值表示的位置的检测位置反馈控制的信号。另外，在发生位置检测值的异常并且电动机22的角速度为规定值以上(或者超过规定值)的情况下(控制模式值＝1)，输出用于通过后述的无传感器矢量控制来驱动电动机22的信号。另外，在发生位置检测值的异常并且电动机22的角速度低于规定值(或者为规定值以下)的情况下(控制模式值＝2)，输出用于通过后述的开环控制来驱动电动机22的信号。
首先对上述三个控制方式中的检测位置反馈控制进行说明。
在没有从旋转编码器30输出的位置检测值的异常的情况下，电动机驱动装置20通过检测位置反馈控制来驱动电动机22。具体地说，在没有位置检测值的异常的情况下，从第二选择器32输出位置检测值，并将其作为位置反馈值输入到位置速度控制部23及矢量控制电角度生成部33。位置速度控制部23计算使电动机22从由位置反馈值表示的位置旋转到由位置指令值表示的位置所需的转矩值并将其输出到矢量控制DQ轴电流指令生成部24。另外，矢量控制电角度生成部33基于位置反馈值生成电角度。该电角度经由第三选择器34输入到DQ变换部39。
矢量控制DQ轴电流指令生成部24生成用于使电动机22内产生D轴电流及Q轴电流的D轴电流指令值及Q轴电流指令值(下面，也将它们称为DQ轴电流指令值)，其中，D轴电流及Q轴电流是为了产生与输入的转矩值相同的转矩所需要的电流。D轴电流是与流过电动机22的电流中的永磁体的磁通量平行的成分。另外，Q轴电流是与流过电动机22的电流中的永磁体的磁通量正交的成分。
从矢量控制DQ轴电流指令生成部24输出的DQ轴电流指令值输入到第一选择器25的0号输入端子及1号输入端子。在执行检测位置反馈控制的情况(控制模式值＝0)及执行无传感器矢量控制的情况(控制模式值＝1)下，从第一选择器25输出由矢量控制DQ轴电流指令生成部24生成的DQ轴电流指令值。该DQ轴电流指令值输入到电流控制部26。
DQ变换部39基于从第三选择器34发送来的电角度生成D轴电流反馈值及Q轴电流反馈值(下面，也称为DQ轴电流反馈值)并将其输出到电流控制部26。需要说明的是，在后述的无传感器矢量控制中，DQ变换部39基于从第三选择器34发送来的电角度和从电流检测部31发送来的三相电流检测值生成DQ轴电流反馈值。
电流控制部26基于从第一选择器25发送来的DQ轴电流指令值和从DQ变换部39发送来的DQ轴电流反馈值，生成DQ轴电压指令值并将其输出到DQ逆变换部27。
DQ逆变换部27基于从第三选择器34发送来的电角度和从电流控制部26发送来的DQ轴电压指令值，生成用于使电动机22内产生所请求的D轴电流及Q轴电流的U相电压指令值、V相电压指令值及W相电压指令值(下面，也称为三相电压指令值)并将这些指令值输出。从DQ逆变换部27输出的三相电压指令值输入到PWM控制部28。PWM控制部28输出由用于从逆变器29输出由U相电压指令值、V相电压指令值、W相电压指令值表示的U相电压、V相电压、W相电压的PWM信号构成的U相栅极信号、V相栅极信号、W相栅极信号。逆变器29将基于U相栅极信号、V相栅极信号、W相栅极信号的U相电压、V相电压、W相电压供给到电动机22，使电动机22旋转。
电流检测部31检测从逆变器29流到电动机22的U相电流、V相电流及W相电流(下面，也将它们称为三相电流)，将检测结果作为U相电流检测值、V相电流检测值、W相电流检测值(下面，也称为三相电流检测值)输出。需要说明的是，代替检测三相的电流值，仅检测三相中的两相的电流值，关于剩余的一相的电流值，也可以基于两相的电流值的检测结果来计算。
在没有从旋转编码器30输出的位置检测值的异常的情况下，通过如上所述的检测位置反馈控制来驱动电动机22。
接着，对无传感器矢量控制进行说明。在执行无传感器矢量控制的情况下，即，存在位置检测值的异常，并且异常刚刚产生之前的电动机22的角速度为规定值以上(或者超过规定值)的情况(控制模式值＝1)下，如下所述驱动电动机22。即，从电流检测部31输出的三相电流检测值输入到DQ变换部39。DQ变换部39基于三相电流检测值和从第三选择器34发送来的电角度生成DQ轴电流反馈值并将其输出。输出的DQ轴电流反馈值输入到电流控制部26及位置推定部35。
电流控制部26基于从第一选择器25发送来的DQ轴电流指令值和从DQ变换部发送来的DQ轴电流反馈值生成DQ轴电压指令值并将其输出。位置推定部35基于从电流控制部26发送来的DQ轴电压指令值和从DQ变换部39发送来的DQ轴电流反馈值，推定电动机22的旋转位置。
位置推定部35基于从DQ变换部39发送来的DQ轴电流反馈值和从电流控制部26发送来的DQ轴电压指令值求取位置推定值和电角度推定值。然后，位置推定部35将位置推定值输出到第二选择器32的1号输入端子，并且将电角度推定值输出到第三选择器的1号输入端子。
从位置推定部35输出的位置推定值经由第二选择器32作为位置反馈值输入到位置速度控制部23。位置速度控制部23除了使用位置推定值作为位置反馈值这一点以外，与检测位置反馈控制同样地输出转矩指令值。直到作为基于该转矩指令值的U相栅极信号、V相栅极信号、W相栅极信号输入到逆变器29的处理与检测位置反馈控制相同。即，在无传感器矢量控制中，除了取代位置检测值，将基于在电动机22内产生的感应电压的位置推定值作为位置反馈值反馈给位置速度控制部23这一点以外，进行与检测位置反馈控制同样的处理。
需要说明的是，电动机驱动装置20在无传感器矢量控制中，与检测位置反馈控制相比，降低了位置速度控制的控制环增益。作为降低控制环增益的方法的一个例子，举出通过上位控制器100的指令降低控制环增益的方法。为了准确地维持臂2的轨道，期望的是，不仅产生位置检测值异常的电动机驱动装置20，而且也降低其他电动机驱动装置20的位置速度控制的控制环增益。根据上位控制器100的指令，能够适当地降低所有电动机驱动装置20中的位置速度控制的控制环增益。
作为降低电动机驱动装置20的位置速度控制的控制环增益的另一个例子，举出通过引起位置检测值的异常的电动机驱动装置20的处理，仅使该电动机驱动装置20的位置速度控制的控制环增益降低的方法。作为该方法的处理的一个例子，举出在通过P-PI控制来控制位置和速度的结构中，降低速度环增益、位置环增益及速度环积分增益中的每一个的方法。另外，作为另一个例子，举出在例如通过日本专利特开2002-229604号公报所记载的RPP控制来控制位置和速度的结构中，降低ω2增益、ω1增益、ωq增益的方法。另外，作为再一个例子，举出在通过RPP控制来控制位置和速度的结构中，降低惯性标称设定值的方法。通过降低惯性标称设定值，能够近似地降低ω2增益、ω1增益。根据这种方法，能够适当地降低控制环增益而不必创建用于使控制环增益降低的专用程序。
接着，对开环控制进行说明。在执行开环控制的情况下，即，在有位置检测值的异常，并且电动机22的角速度低于规定值(或者为规定值以下)的情况(控制模式值＝2)下，如下所述驱动电动机22。即，开环控制电角度生成部36基于从上位控制器100发送来的位置指令值，计算吸引电动机22的磁极的旋转位置(下面，称为强制同步位置指令值)并将其输出到开环控制DQ轴电流指令生成部37。另外，基于位置指令值计算电角度并将其输出到第三选择器34。
实施方式的电动机驱动装置执行以下说明的第一例～第六例的开环控制中的任一开环控制。
图5是表示用于执行第一例的开环控制的开环控制电角度生成部36的框图。该开环控制电角度生成部36具备控制器36a、电气系统/机械系统模型36b以及电角度计算部36c。
控制器36a具备位置速度控制部36a1、矢量控制DQ轴电流指令生成部36a2、电流控制部36a3、DQ逆变换部36a4、PWM控制部36a5及DQ变换部36a6。图5所示的位置速度控制部36a1执行与图3所示的位置速度控制部23同样的处理。图5所示的矢量控制DQ轴电流指令生成部36a2执行与图3所示的矢量控制DQ轴电流指令生成部24同样的处理。图5所示的电流控制部36a3执行与图3所示的电流控制部26同样的处理。图5所示的DQ逆变换部36a4执行与图3所示的DQ逆变换部27同样的处理。图5所示的PWM控制部36a5执行与图3所示的PWM控制部28同样的处理。图5所示的DQ变换部36a6执行与图3所示的DQ变换部39同样的处理。
电气系统/机械系统模型36b具备逆变器36b1的模型、电动机36b2的模型及对电动机的负载机械36b5的模型。这些模型具备当对于U相、V相、W相的每一相，栅极信号从变化前的值变化为变化后的值时，模拟电动机22的旋转位置和流过电动机22的电流值怎样变化的算法。通过模拟而获得的位置模拟值从旋转编码器36b4的模型输出，输入到控制器36a的位置速度控制部36a1、电角度计算部36c以及图3中的开环控制DQ轴电流指令生成部37。
图5中的电角度计算部36c基于位置模拟值计算电动机22的电角度，并将结果输出到图3中的DQ逆变换部27及DQ变换部39。
在位置检测值的异常发生时，控制方式从检测位置反馈控制或无传感器矢量控制切换为第一例的开环控制后，可以通过与进行位置检测值时同样的举动使电动机工作。因此，根据第一例的开环控制，能够抑制切换后的电动机的失步、振动的发生。
需要说明的是，作为使电动机22的电角度接近位置指令值的方法，有将切换为开环控制之前的位置偏差设为初始值，使用使位置偏差逐渐收敛为零的一阶滞后滤波器的方法。然而，在该方法中，由于与位置指令值无关地使位置偏差减少，因此无法使手部2A沿着期望的轨道移动。
图6是表示位置指令值和基于响应位置指令值的控制的手部2A的实际旋转位置及速度的关系的曲线图。着眼于表示旋转位置和时间的关系的曲线图时，实际的位置变化相对于位置指令值的变化滞后。这是因为响应指令的实际位置的变化需要时间。在检测位置反馈控制、无传感器矢量控制中，通过将位置控制增益设定为使实际的旋转位置相对于工业用机器人1的各关节的电动机的位置指令值均匀地滞后，从而确保手部2A的轨道精度。另一方面，在开环控制中，如果使用通过上述一阶滞后滤波器仅使特定轴的位置偏差收敛为零的方法，则如图所示，实际的旋转位置的变化与检测位置反馈控制时不同。由此，对各轴的位置的位置指令值的滞后一方产生差异，手部2A的位置偏离目标轨道。与此相对，在像第一例的开环控制那样使用模拟值的方法中，如图所示，相对于位置指令值的变化，可以使实际的旋转位置以与执行检测位置反馈控制时相同的方式变化(可以使手部2A沿着目标轨道移动)。
图7是表示用于执行第二例的开环控制的开环控制电角度生成部36的框图。该开环控制电角度生成部36具备控制器36a、机械系统模型36b以及电角度计算部36c。
控制器36a具备位置速度控制部。位置速度控制部基于从上位控制器100发送来的位置指令值和从机械系统模型36b发送来的位置模拟值生成转矩指令值。机械系统模型36b基于电动机发生的转矩和从位置速度控制部发送来的转矩指令值一致的假设，将模拟响应转矩之后的电动机22A的旋转位置而获得的结果作为位置模拟值输出。位置模拟值输出到电角度计算部36c。另外，位置模拟值作为强制同步位置指令值输出到图3所示的开环控制DQ轴电流指令生成部37。图7所示的电角度计算部36c基于位置模拟值计算电角度，并将结果输出到图3所示的DQ逆变换部27及DQ变换部39。
在第二例的开环控制中，从图7和图5的对比可以看出，与第一例的开环控制相比，能够通过简单的处理抑制控制方式切换后的电动机的失步、振动的发生。
图8是表示用于执行第三例的开环控制的开环控制电角度生成部36的框图。该开环控制电角度生成部36具备运算部36d、参数计算部36e以及电角度计算部36c。
运算部36d通过位置控制响应传递函数G(s)将从上位控制器100发送来的位置指令值变换为虚拟地执行检测位置反馈控制时的响应位置检测值之后的电动机22的旋转位置。
位置控制响应传递函数G(s)的基本公式用下式表示。
数学式1
第三例的开环控制使用的运算部36d通过改变上述的基本公式的右边而获得的下式将位置指令值变换为位置变换值。
数学式2
通过变换获得的位置变换值作为强制同步位置指令值输出到图3所示的开环控制DQ轴电流指令生成部37。另外，位置变换值也输出到图8所示的参数计算部36e及电角度计算部36c。电角度计算部36c基于从运算部36d发送来的位置变换值计算电动机22的电角度，并将结果输出到图3所示的DQ逆变换部27及DQ变换部39。
在第三例的开环控制中，对于位置指令值，通过位置控制响应传递函数G(s)求取在实际的控制中以怎样的滞后反映在怎样的旋转位置作为位置变换值。期望的是，使用上述的基本公式作为位置控制响应传递函数G(s)。但是，在第三例的开环控制中，通过使用仅包括ff1、ff2、ω1及ω2中的ω2的简单的位置控制响应传递函数G(s)，就能够快速求取电动机22的位置变换值，而无需使用高速且昂贵的运算装置(例如CPU)。即使是简单的位置控制响应传递函数G(s)，只要是如下方式的电动机控制，也能够以适当的值求取电动机22的位置变换值。即，ff1取接近1的值，且ff2取接近0的值的方式。
只要是上述方式，就可以在将电动机22的控制方式从检测位置反馈控制或者无传感器矢量控制切换为第三例的开环控制之后，使电动机以与进行位置反馈控制时同样的举动工作。因此，通过第三例的开环控制，能够抑制将控制方式切换为开环控制后的电动机22的失步、振动的发生。此外，根据第三例的开环控制，能够通过廉价的运算装置适当地求取位置变换值。
在通过位置控制响应传递函数G(s)求取位置变换值的结构中，将ω1、ω2设为不受控于控制对象的状态的恒定值。这样一来，将控制方式切换为开环控制时，有时由于控制对象的惯性力矩的变动导致引起的ω1、ω2的值的不恰当而使电动机22的位置、速度发生紊乱。
于是，图8所示的参数计算部36e在开环控制开始时基于当前的位置偏差和速度推定值，求取适当的值的ω2，并将结果输出到运算部36d。位置偏差是位置反馈值相对于位置指令值的偏差。在开环控制开始之前执行检测位置反馈控制的情况下，速度推定值是基于位置检测值推定的速度。另外，在开环控制开始之前执行无传感器矢量控制的情况下，速度推定值是基于电流检测值推定的速度。运算部36d将存储在存储介质中的ω2的值随时更新为从参数计算部36e发送来的值。
根据该结构，能够抑制将控制方式切换为第三例的开环控制时的ω2的值的不恰当引起的电动机22的旋转位置、速度的紊乱。
图9是表示用于执行第四例的开环控制的开环控制电角度生成部36的框图。该开环控制电角度生成部36除了由下式表示的位置控制响应传递函数G(s)这一点以外，是与图8所示的开环控制电角度生成部36同样的结构。
数学式3
在第四例的开环控制中，通过使用仅包括ff1、ff2、ω1及ω2中的ff2及ω2的简单的位置控制响应传递函数G(s)，就能够快速求取位置变换值，而无需使用快速且昂贵的运算装置。只要是ff1取接近1的值的方式的电动机控制，就能够求取适当的值的位置变换值。因此，根据第四例的开环控制，能够抑制将控制方式切换为开环控制后的电动机22的失步、振动的发生。此外，根据第四例的开环控制，能够通过廉价的运算装置适当地求取位置变换值。
图10是表示用于执行第五例的开环控制的开环控制电角度生成部36的框图。在该开环控制电角度生成部36中，除了使用由下式表示的位置控制响应传递函数G(s)这一点及通过参数计算部36e求取ω1及ω2这一点以外，是与图8所示的开环控制电角度生成部36同样的结构。
数学式4
在第五例的开环控制中，可以使用仅包括ff1、ff2、ω1及ω2中的ff1、ω1及ω2的位置控制响应传递函数G(s)快速求取位置变换值。即使是上述位置控制响应传递函数G(s)，只要是ff2取接近0的值的方式的电动机控制，就能够求取适当的值的位置变换值。能够抑制将控制方式切换为开环控制以后的电动机22的失步、振动的发生。
图11是表示用于执行第六例的开环控制的开环控制电角度生成部36的框图。在该开环控制电角度生成部36中，除了使用上述基本公式作为位置控制响应传递函数G(s)这一点及通过参数计算部36e求取ω1、及ω2这一点以外，是与图8所示的开环控制电角度生成部36同样的结构。
在第六例的开环控制中，使用包括所有ff1、ff2、ω1及ω2的位置控制响应传递函数G(s)，求取位置变换值。根据该结构，与使用不包括所有ff1、ff2、ω1及ω2的位置控制响应传递函数G(s)的结构相比，能够高精度准确地求取适当的值的位置变换值。
＜工业用机器人1的作用效果＞
＜结构1＞
(1)在以上结构的工业用机器人1中，结构1的电动机控制方法具备在通过基于从上位控制器100(信号发送单元)发送的位置指令值(旋转位置指令信号)和从装设在电动机22上的旋转编码器30(旋转位置检测器)发送的位置检测值(旋转位置信号)的检测位置反馈控制来驱动电动机22的结构中模拟响应位置检测值之后的电动机22的旋转位置及供给到电动机的电流的步骤(图5的36b)。另外，结构1具备计算与通过模拟获得的位置模拟值(旋转位置模拟值)相对应的电角度的步骤(图5的36c)。另外，结构1具备基于所述电角度向电动机22供给电流的步骤(图5的电角度)。在模拟旋转位置及电流的步骤中，执行虚拟控制位置模拟值以使其跟随位置指令值的位置虚拟控制步骤(图5的36a)和模拟电流的电流模拟步骤(图5的36b3)。在位置虚拟控制步骤中，基于位置指令值和在电流模拟步骤中获得的三相电流模拟值计算对电动机36b2的电压指令值(图5的36a1～36a4)。在电流模拟步骤中，将电压指令值输入到包括电动机36b2及负载机械36b5的电气系统/机械系统模型36b，并从电气系统/机械系统模型36b输出位置模拟值及三相电流模拟值。
＜结构1的作用效果＞
在结构1中，在假设进行检测位置反馈控制的情况下，模拟通过位置指令值使电动机22的旋转位置怎样改变。然后，计算与通过模拟获得的位置模拟值相当的电角度，通过基于计算结果的开环控制来控制电动机22的旋转位置。在该结构中，将电动机22的控制方式从检测位置反馈控制或无传感器矢量控制切换为开环控制。这样一来，在切换后，能够使电动机22以与进行检测位置反馈控制时同样的举动工作，所以能够抑制切换后的电动机22的失步、振动的发生。
＜结构2＞
结构2的电动机控制方法具备在通过基于从上位控制器100发送的位置指令值和从装设在电动机22上的旋转编码器30发送的位置检测值的检测位置反馈控制来驱动电动机22的结构中模拟响应位置指令值之后的电动机22的旋转位置的步骤(图7的36)。另外，结构2具备：计算与通过模拟获得的位置模拟值(旋转位置模拟值)相对应的电角度的步骤(图7的36c)；以及基于所述电角度向电动机22供给电流的步骤(图7的电角度)。在模拟旋转位置的步骤中，执行虚拟控制位置模拟值以使其跟随位置指令值的位置虚拟控制步骤(图7的36a)和获得位置模拟值的模拟值取得步骤。在位置虚拟控制步骤(图7的36a)中，基于位置指令值计算用于使电动机22产生所需的转矩的转矩指令值。在模拟值取得步骤中，所述转矩指令值输入到包括电动机及负载机械的电气系统/机械系统模型36b，并从电气系统/机械系统模型36b输出位置模拟值。
＜结构2的作用效果＞
根据结构2，通过比结构1简单的处理，能够抑制将电动机22的控制方式切换为开环控制以后的电动机22的失步、振动的发生。
＜结构3＞
结构3的电动机控制方法具备：通过位置控制响应传递函数G(s)将从上位控制器100发送的位置指令值变换为响应位置检测值之后的电动机的旋转位置的步骤；计算与所述旋转位置相对应的电角度的步骤；以及基于所述电角度向电动机22供给电流的步骤。
＜结构3的作用效果＞
在结构3中，在假设进行检测位置反馈控制的情况下，通过位置控制响应传递函数G(s)求取根据位置指令值使电动机22的旋转位置怎样改变。然后，计算与获得的旋转位置相当的电角度，通过基于计算结果的开环控制来控制电动机22的旋转位置。在该结构3中，将电动机22的控制方式从检测位置反馈控制或无传感器矢量控制切换为开环控制。这样一来，在切换后，能够使电动机22以与进行检测位置反馈控制时同样的举动工作，所以能够抑制切换后的电动机22的失步、振动的发生。
＜结构4＞
在结构4的电动机控制方法中，使用上述的数学式2表示的公式作为构成3中的位置控制响应传递函数(Gs)。
＜结构4的作用效果＞
在结构4中，通过使用仅包括ff1、ff2、ω1及ω2中的ω2的简单的位置控制响应传递函数G(s)，就能够快速地求取电动机22的位置变换值，而无需使用快速且昂贵的运算装置(例如CPU)。即使是如上所述的简单的位置控制响应传递函数G(s)，只要是下述方式的电动机控制，就能够求取适当的值的位置变换值。即，ff1取接近1的值，并且ff2取接近0的值的方式。因此，根据结构4，能够通过廉价的运算装置以适当的值求取上述方式中的位置变换值。
＜结构5＞
在结构5的电动机控制方法中，使用由上述数学式3表示的公式作为结构3中的位置控制响应传递函数(Gs)。
＜结构5的作用效果＞
在结构5中，通过使用仅包括ff1、ff2、ω1及ω2中的ff2及ω2的简单的位置控制响应传递函数G(s)，就能够快速地求取位置变换值，而无需使用快速且昂贵的运算装置。只要是ff1取接近1的值的方式的电动机控制，就能够求取适当的值的位置变换值。因此，根据结构5，能够通过廉价的运算装置以适当的值求取上述方式中的位置变换值。
＜结构6＞
在结构6的电动机控制方法中，使用由上述数学式4表示的公式作为结构3中的位置控制响应传递函数(Gs)。
＜结构6的作用效果＞
在结构6中，使用仅包括ff1、ff2、ω1及ω2中的ff1、ω1及ω2的位置控制响应传递函数G(s)，能够求取位置变换值。即使是上述位置控制响应传递函数G(s)，只要是ff2取接近0的值的方式的电动机控制，就可以以适当的值求取位置变换值。
＜结构7＞
在结构7的电动机控制方法中，使用上述基本公式作为结构3中的位置控制响应传递函数(Gs)。
＜结构7的作用效果＞
在结构7中，使用包括所有ff1、ff2、ω1及ω2的位置控制响应传递函数G(s)求取位置变换值。根据结构7，与使用不包括所有ff1、ff2、ω1及ω2的位置控制响应传递函数G(s)的情况相比，能够准确地求取适当的值的位置变换值。
＜结构8、9＞
结构8的电动机控制方法具备结构1～3中的任一结构。结构9的电动机控制方法具备结构4至7中的任一结构。结构8、9的电动机控制方法具备检测有无从检测电动机22的旋转位置的旋转编码器30发送的位置检测值的异常的步骤(图3的38)。另外，结构8、9的电动机控制方法具备在没有检测到位置检测值的异常的情况下，通过基于位置指令值和位置检测值的检测位置反馈控制来驱动电动机22的步骤。另外，在结构8、9的电动机控制方法中，在检测到位置检测值的异常的情况下，在规定高速角速度区域内，通过基于根据在电动机22中发生的感应电压推定出的电动机22的位置推定值(旋转位置推定值)的无传感器矢量控制来驱动电动机22。另一方面，在低于高速旋转区域的低速旋转区域内，通过开环控制来驱动电动机22。
＜结构8、9的作用效果＞
根据结构8，在发生位置检测值的异常的情况下，能够通过与进行检测位置反馈的反馈控制时同样的举动来停止电动机22的驱动。
＜结构10＞
结构10的电动机控制方法具备结构9的结构。在结构10的电动机控制方法中，基于切换之前的检测反馈控制中的位置指令值和位置检测值，或者基于切换之前的无传感器矢量控制中的位置指令值和位置推定值(旋转位置推定值)，计算刚刚从检测位置反馈控制或无传感器矢量控制切换为开环控制之后的ω2。
＜结构10的作用效果＞
在结构10中，从检测位置反馈控制或无传感器矢量控制切换为开环控制之前，基于位置指令值和位置检测值(或位置推定值)的偏差和基于位置检测值(或位置推定值)推定出的速度计算ω2。然后，将计算结果用作切换之后的位置控制响应传递函数G(s)中的ω2。根据该结构，能够抑制切换之后的电动机发生位置、速度的急剧变动。
＜结构11＞
结构11的电动机驱动装置20通过结构1至10中的任一结构的电动机控制方法控制电动机22的驱动。
＜结构11的作用效果＞
根据结构11，通过使用结构1至10中的任一结构的电动机控制方法，能够抑制将控制方式从检测位置反馈控制或无传感器矢量控制切换为开环控制时的电动机的失步、振动的发生。
＜结构12＞
在结构12的工业用机器人1的控制方法中，独立地控制多个电动机22A、22B的驱动以改变工业用机器人1的臂2的位置，通过结构1至9中的任一结构的电动机控制方法来控制多个电动机22A、22B中的每个电动机的驱动。
＜结构13＞
在结构13的工业用机器人1中，独立地控制多个电动机22A、22B的驱动以改变臂2的位置，通过结构10的电动机驱动装置20来控制多个电动机22A、22B中的每个电动机的驱动。
＜结构12、13的作用效果＞
在结构12、13中，通过无传感器矢量控制或开环控制适当地控制成为臂2的驱动源的多个电动机22A、22B中、发生位置检测值的异常的电动机的旋转动作，并且，通过检测位置反馈控制来控制其他电动机的旋转动作，使所有电动机22的旋转适当地停止。根据该结构，在任一结构的电动机22中发生位置检测值的异常时，能够避免由于立即使所有电动机22强制停止而引起的臂2发生不适当的动作。
以上，对本发明优选的实施方式进行了说明，但本发明不限于实施方式，在其主旨的范围内可以进行各种变形及变更。实施方式包含在发明的范围及主旨内，同时包含在权利要求书所记载的发明和其等效范围内。
标号说明
1…工业用机器人；2…臂；20…电动机驱动装置；21…控制模式选择部；22…电动机；23…位置速度控制部；24…矢量控制DQ轴电流指令生成部；25…第一选择器；26…电流控制部；27…DQ逆变换部；28…PWM控制部；29…逆变器；30…旋转编码器(旋转位置检测器)；31…电流检测部；32…第二选择器；33…矢量控制电角度生成部；34…第三选择器；35…位置推定部；36…开环控制电角度生成部；37…开环控制DQ轴电流指令生成部；38…编码器通信异常判定部；39…DQ变换部；100…上位控制器。

Claims (15)

1.一种电动机控制方法，其通过基于电流消耗法的开环控制来驱动电动机，其特征在于，
具备：在通过基于从信号发送单元发送的旋转位置指令信号和从装设在电动机上的旋转位置检测器发送的旋转位置信号的反馈控制来驱动电动机的结构中模拟响应所述旋转位置指令信号之后的电动机的旋转位置及流过电动机的电流的步骤；计算与通过模拟获得的旋转位置模拟值相对应的电角度的步骤；以及基于所述电角度向所述电动机施加电压的步骤，
在模拟所述旋转位置及所述电流的步骤中，执行虚拟控制所述旋转位置模拟值以使其跟随所述旋转位置指令信号的位置虚拟控制步骤和模拟所述电流的电流模拟步骤，
在所述位置虚拟控制步骤中，基于所述旋转位置指令信号和通过所述电流模拟步骤获得的电流模拟值计算相对于电动机的电压指令值，
在所述电流模拟步骤中，将所述电压指令值输入到包括电动机及负载机械的机械系统及电气系统模型，并从所述模型输出所述旋转位置模拟值及所述电流模拟值。
2.根据权利要求1所述的电动机控制方法，其特征在于，具备：
检测有无从检测电动机的旋转位置的旋转位置检测器发送的旋转位置信号的异常的步骤；
在没有检测到所述旋转位置信号的异常的情况下，通过基于从信号发送单元发送的旋转位置指令信号和所述旋转位置信号的反馈控制驱动所述电动机的步骤；以及
在检测到所述旋转位置信号的异常的情况下，在规定的高速角速度区域，通过基于根据在所述电动机中产生的感应电压推定出的所述电动机的旋转位置推定值的无传感器矢量控制来驱动所述电动机，另一方面，在低于所述高速角速度区域的低速角速度区域，通过开环控制来驱动所述电动机的步骤。
3.一种电动机控制方法，其通过基于电流消耗法的开环控制来驱动电动机，其特征在于，
具备：在通过基于从信号发送单元发送的旋转位置指令信号和从装设在电动机上的旋转位置检测器发送的旋转位置信号的反馈控制来驱动电动机的结构中模拟响应所述旋转位置指令信号之后的电动机的旋转位置的步骤；计算与通过模拟获得的旋转位置模拟值相对应的电角度的步骤；以及基于所述电角度向所述电动机供给电流的步骤，
在模拟所述旋转位置的步骤中，执行虚拟控制所述旋转位置模拟值以使其跟随所述旋转位置指令信号的位置虚拟控制步骤和获得所述旋转位置模拟值的模拟值取得步骤，
在所述位置虚拟控制步骤中，基于所述旋转位置指令信号，计算用于使电动机产生所需的转矩的转矩指令值，
在所述模拟值取得步骤中，将所述转矩指令值输入到包括电动机及负载机械的机械系统模型，并从所述模型输出所述旋转位置模拟值。
4.根据权利要求3所述的电动机控制方法，其特征在于，具备：
检测有无从检测电动机的旋转位置的旋转位置检测器发送的旋转位置信号的异常的步骤；
在没有检测到所述旋转位置信号的异常的情况下，通过基于从信号发送单元发送的旋转位置指令信号和所述旋转位置信号的反馈控制驱动所述电动机的步骤；以及
在检测到所述旋转位置信号的异常的情况下，在规定的高速角速度区域，通过基于根据在所述电动机中产生的感应电压推定出的所述电动机的旋转位置推定值的无传感器矢量控制来驱动所述电动机，另一方面，在低于所述高速角速度区域的低速角速度区域，通过开环控制来驱动所述电动机的步骤。
5.一种电动机控制方法，其通过基于电流消耗法的开环控制来驱动电动机，其特征在于，
具备：通过位置控制响应传递函数将从信号发送单元发送的旋转位置指令信号变换为虚拟地执行检测位置反馈控制时的响应所述旋转位置指令信号之后的电动机的旋转位置的步骤；计算与所述旋转位置相对应的电角度的步骤；以及基于所述电角度向所述电动机施加电压的步骤。
6.根据权利要求5所述的电动机控制方法，其特征在于，
所述位置控制响应传递函数是下式
7.根据权利要求5所述的电动机控制方法，其特征在于，
所述位置控制响应传递函数是下式
8.根据权利要求5所述的电动机控制方法，其特征在于，
所述位置控制响应传递函数是下式
9.根据权利要求5所述的电动机控制方法，其特征在于，
所述位置控制响应传递函数是下式
10.根据权利要求6至9中任一项所述的电动机控制方法，其特征在于，具备：
检测有无从检测电动机的旋转位置的旋转位置检测器发送的旋转位置信号的异常的步骤；
在没有检测到所述旋转位置信号的异常的情况下，通过基于从信号发送单元发送的旋转位置指令信号和所述旋转位置信号的反馈控制驱动所述电动机的步骤；以及
在检测到所述旋转位置信号的异常的情况下，在规定的高速角速度区域，通过基于根据在所述电动机中产生的感应电压推定出的所述电动机的旋转位置推定值的无传感器矢量控制来驱动所述电动机，另一方面，在低于所述高速角速度区域的低速角速度区域，通过开环控制来驱动所述电动机的步骤。
11.根据权利要求10所述的电动机控制方法，其特征在于，
基于切换之前的所述反馈控制中的所述旋转位置指令信号和所述旋转位置信号或者基于切换之前的所述无传感器矢量控制中的所述旋转位置指令信号和所述旋转位置推定值，计算从所述反馈控制或所述无传感器矢量控制切换为所述开环控制之后的ω2。
12.根据权利要求5所述的电动机控制方法，其特征在于，具备：
检测有无从检测电动机的旋转位置的旋转位置检测器发送的旋转位置信号的异常的步骤；
在没有检测到所述旋转位置信号的异常的情况下，通过基于从信号发送单元发送的旋转位置指令信号和所述旋转位置信号的反馈控制驱动所述电动机的步骤；以及
在检测到所述旋转位置信号的异常的情况下，在规定的高速角速度区域中，通过基于根据在所述电动机中产生的感应电压推定出的所述电动机的旋转位置推定值的无传感器矢量控制来驱动所述电动机，另一方面，在低于所述高速角速度区域的低速角速度区域中，通过开环控制驱动所述电动机的步骤。
13.一种电动机驱动装置，其控制电动机的驱动，其特征在于，
通过权利要求1至12中任一项所述的电动机控制方法控制所述电动机的驱动。
14.一种工业用机器人的控制方法，其独立地控制多个电动机的驱动以改变工业用机器人的臂的位置，其特征在于，
通过权利要求1至12中任一项所述的电动机控制方法控制多个电动机中的每个电动机的驱动。
15.一种工业用机器人，其独立地控制多个电动机的驱动以改变臂的位置，其特征在于，
通过权利要求13所述的电动机驱动装置控制多个电动机中的每个电动机的驱动。
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