CN114244226B - 伺服电机动力线相序检测方法、准则方法和伺服电机 - Google Patents

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Abstract

提供了一种伺服电机动力线相序检测方法,包括：S1：当所述电机上电时，通过施加转子锁定电流获取实际转子的位置；S2：确定转子锁定的实际相位角和在所述位置处编码器获得的相位角的差值；S3：根据所述差值判断所述伺服电机动力线相序是否错误。本发明的方案无需改变/添加驱动器中的任何模块，以一种低成本且简单有效的方法实现伺服电机相序检测，保障伺服电机正常启动运行，避免机器人的误动作。

Description

伺服电机动力线相序检测方法、准则方法和伺服电机
技术领域
本发明涉及智能控制领域，更具体地涉及伺服电机动力线相序检测方法、准则方法和伺服电机。
背景技术
伺服电机三相绕组与驱动器逆变电路生成的三相交流电输出端子按照正确顺序连接，驱动器才能控制伺服电机正常运行。在实际接线过程中，一旦电机动力线相序接线错误，会造成编码器反馈值计算的初始相角错误，如电机运行中的实时相角出现相位差甚至反相，导致电机抖动甚至反转，对工业机器人现场作业带来重大安全隐患。
目前在工业现场常用的伺服电机动力线相序检测都是手动完成的，在接线完成后人工检查驱动器A、B、C三相与电机端U、V、W三相是否连接正确，无法自动进行检测与校验，对人为接线错误或相序标记错误无法进行约束。现有技术需要一种能够对伺服电机动力线相序准确检测的方案。
上述在背景部分公开的信息仅用于对本发明的背景做进一步的理解，因此它可以包含对于本领域普通技术人员已知的不构成现有技术的信息。
发明内容
本发明提供了一服电机动力线相序检测方法、准则方法和伺服电机，能够解自动完成伺服电机动力线相序检测，防止相序错误造成工业机器人误动作对本体结构或现场人员产生伤害。
本发明的第一方面提供了一种伺服电机动力线相序检测方法,包括：S1：当所述电机上电时，通过施加转子锁定电流获取实际转子的位置；S2：确定转子锁定的实际相位角和在所述位置处编码器获得的相位角的差值；S3：根据所述差值判断所述伺服电机动力线相序是否错误。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S3中，当差值为零时，确定所述伺服电机动力线相序正确。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S3中，当差值不为零时，根据所述编码器获得的相位角、动力线相序标记和转子锁定的实际相位角的映射关系表确定所述伺服电机动力线相序错误的情况。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S1中，所述转子锁定电流为：伺服驱动器三相中任意一相为输入电流，除该相外另外两相电流任一相为输出电流时的流过伺服电机的电流。
根据本发明的一个实施例，其中在所述步骤S1中，当所述电机上电时，将所述电机转子的零机械位置与编码器的零刻度进行对齐。
根据本发明的一个实施例，所述转子锁定的实际相位角为：将伺服驱动器三相中任意一相为输入电流，除该相外另外两相电流任一相为输出电流时，使用伺服驱动器将电机转子锁定角度。
根据本发明的一个实施例，当确定所述伺服电机动力线相序错误后，将所述电机断电，根据确定的错误情况重新连接所述伺服电机的动力线。
本发明的第二方面提供了一种伺服电机动力线相序检测装置，包括存储器和处理器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现根据上述的方法。
本发明的第三方面一种伺服电机，其采用上述的方法，或包括上述的装置。
本发明的伺服电机动力线相序检测方案无需改变/添加驱动器中的任何模块，以一种低成本且简单有效的方法实现伺服电机相序检测，保障伺服电机正常启动运行，避免机器人的误动作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图进行简单介绍，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而言，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。
图1是根据本发明现有技术的一个示例性的电机三相绕组与驱动器逆变电路输出连接图。
图2是根据本发明的一个示例性的实施例的正确相序情况对应电角度关系图。
图3是根据本发明的一个示例性的实施例的错误相序情况对应电角度关系图。
图4是根据本发明的一个示例性的实施例的错误相序情况锁定30度对应电角度关系图。
图5是根据本发明的一个示例性的实施例的伺服电机动力线相序检测方法流程图。
图6是根据本发明的一个示例性的实施例的绝对式编码器电机动力线相序检测流程图。
具体实施例
如在本文中所使用的，词语“第一”、“第二”等可以用于描述本发明的示例性实施例中的元件。这些词语只用于区分一个元件与另一元件，并且对应元件的固有特征或顺序等不受该词语的限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含意相同的含意。如在常用词典中定义的那些术语被解释为具有与相关技术领域中的上下文含意相同的含意，而不被解释为具有理想或过于正式的含意，除非在本发明中被明确定义为具有这样的含意。
本领域的技术人员将理解的是，本文中描述的且在附图中说明的本发明的装置和方法是非限制性的示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施例所说明或描述的特征可与其他实施例的特征组合。这种修改和变化包括在本发明的范围内。
下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。在附图中，省略相关已知功能或配置的详细描述，以避免不必要地遮蔽本发明的技术要点。另外，通篇描述中，相同的附图标记始终指代相同的电路、模块或单元，并且为了简洁，省略对相同电路、模块或单元的重复描述。
此外，应当理解一个或多个以下方法或其方面可以通过至少一个控制单元或控制器执行。术语“控制单元”，“控制器”,“控制模块”或者“主控模块”可以指代包括存储器和处理器的硬件设备，术语“空调”可以指代类似于空调的设备。存储器或者计算机可读存储介质配置成存储程序指令，而处理器具体配置成执行程序指令以执行将在以下进一步描述的一个或更多进程。而且，应当理解，正如本领域普通技术人员将意识到的，以下方法可以通过包括处理器并结合一个或多个其他部件来执行。
伺服电机定子三相绕组的接线端子与驱动器逆变电路输出的三相交流电接线端子未按照正确顺序连接，在施加转子锁定电流将转子锁定在固定角度时，会出现转子锁定角度错误。安装编码器的伺服电机在进行转子位置锁定时，转子锁定电流的方向与动力线相序有关，而转子锁定电流的方向又会影响转子锁定角度，本专利根据编码器值与动力线相序的关系实现动力线相序检测。
图1是根据本发明现有技术的一个示例性的电机三相绕组与驱动器逆变电路输出连接图。
如图1所示，伺服电机三相绕组U、V和W与驱动器逆变电路输出连接。
图2是根据本发明的一个示例性的实施例的正确相序情况对应电角度关系图。图3是根据本发明的一个示例性的实施例的错误相序情况对应电角度关系图。图4是根据本发明的一个示例性的实施例的另一错误相序情况对应电角度关系图。
如图2所示，伺服电机三相绕组接线端子U、V、W与驱动器整流逆变输出的三相交流电接线端子A、B、C存在以下6种接线顺序。电机动力线顺序接线按逆时针方向旋转时，出现U、V、W顺序的情况为正相序，出现U、W、V顺序为负相序，如表1所示。
表1电机动力线相序接线相序情况
驱动器A相、B相、C相分别与电机动力线的U相、V相、W相连接是正确相序，记为①，如图1所示，电机才能正确运转。其他5种均为错误相序。
由伺服电机生产安装过程可知，编码器零值与转子锁定角度有关，通常锁定电流为两相进一相出(V相和W相进、U相出)锁定，即电角度θR为零度，如图2所示。
根据本发明的一个或多个实施例，电机在运行前会将编码器的0“刻度”与电机转子的机械0点“对齐”，方法是驱动器输出给电机两相进一相出电流将转子位置“锁定”到0位置，从而在电机运行后去记录运行了多少个“刻度”来确定电机转子位置。本发明的θR用来表示转子“锁定”后转子实际位置与正确相序下0位置的夹角。
不同的相序错误导致编码器值与转子电角度关系不同，下面分别对五种错误动力线相序进行分析。对于正相序错误情况②，若驱动器输出两相进一相出(B相和C相进，A相出)的电流时，转子的N极将与电机侧动力线的V相对齐，如图3所示，转子位于该位置时，根据编码器值计算的电角度θR＝120°。因此，错误相序情况②对应的编码器电角度θR和实际电角度θ的关系为：θ2＝θR2-120，同理可得：③θ3＝θR3-240、④θ4＝-θR4、⑤θ5＝120-θR5、⑥θ6＝240-θR6。由此可知，在错误相序下，初始编码器值计算相位角与实际转子位置相位角的偏差角为常数，且不同相序下偏差角不同。
根据本发明的一个或多个实施例，锁定相位角θLock是用户使用驱动器一相进一相出的方式将电机转子锁定到的角度(即设定的预期值)；编码器电角度θR是转子锁定后编码器读到转子位置的“刻度值”；实际电角度θ是在正确相序下0刻度对齐后,转子相对0刻度读到的“刻度值”。当相序正确时，θLock，θR，和θ三者相等。在本发明表1中对应了6种相序情况，θR和θ在①相序下对应的是θR1和θ1(其他编号依次类推)；在表1中第①相序下θ1，和θR1情况为正确的相序，如图2所示。其中，θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6都是转子实际位置值(实际电角度)。标号对应表1中的6种不同相序下。其中θ1是正确相序下的实际位置值，θ2至θ6是错误相序下的实际位置值。
其中一相进一相出的方式为；伺服电机定子分为U、V、W三相，在将转子锁定到某个位置时，只需从三相中任意一相输入电流，另外两相中任意一相输出电流即可实现转子位置锁定。一相进一相出的电流为：伺服驱动器三相中任意一相为输入电流，除该相外另外两相电流任一相为输出电流时的流过伺服电机的电流。
图3示出了表1中第②种情况错误相序对应电角度关系图，图4示出了表1中第②种情况错误相序锁定30°对应电角度的关系图。
根据本发明的一个或多个实施例，不同的相序错误导致编码器值与转子电角度关系不同，下面分别对五种错误动力线相序进行分析。对于正相序错误情况②，若驱动器输出两相进一相出(B相和C相进，A相出)的电流时，转子的N极将与电机侧动力线的V相对齐，如图3所示，转子位于该位置时，根据编码器值计算的电角度θR＝120°。因此，错误相序情况②对应的编码器电角度θR和实际电角度θ的关系为：θ2＝θR2-120，同理可得：③θ3＝θR3-240、④θ4＝-θR4、⑤θ5＝120-θR5、⑥θ6＝240-θR6。由此可知，在错误相序下，初始编码器值计算相位角与实际转子位置相位角的偏差角为常数，且不同相序下偏差角不同。其中编码器是用来记录电机转子位置的工具，以17位编码器为例，电机旋转一圈是360°，将360°划分为217个“刻度”，电机转子转到不同角度对应不同的“刻度值”。
根据本发明的一个或多个实施例，在驱动器上电进行相序检测时，通过施加转子锁定电流获取实际转子位置，根据锁定相位角θLock和该位置编码器计算的相位角θR的差值检测电机动力线相序。例如驱动器输出C相进、A相出的电流时，转子锁定的实际电角度应为θLock＝30°的位置，如图4所示。以绝对式编码器零值与电角度零度对齐为例进行分析，则在错误相序情况②时，施加转子锁定电流后，编码器计算电角度θR＝150°。
图5是根据本发明的一个示例性的实施例的伺服电机动力线相序检测方法流程图。
如图5所示，在步骤S1中：当所述电机上电时，通过施加转子锁定电流获取实际转子的位置；
在步骤S2中：确定转子锁定的实际相位角和在所述位置处编码器获得的相位角的差值；
在步骤S3中：根据所述差值判断所述伺服电机动力线相序是否错误。当差值为零时，确定所述伺服电机动力线相序正确。当差值不为零时，根据所述编码器获得的相位角、动力线相序标记和转子锁定的实际相位角的映射关系表确定所述伺服电机动力线相序错误的情况。
图6是根据本发明的一个示例性的实施例的绝对式编码器电机动力线相序检测流程图。
如图6所示，在程序开始后，施加锁轴电流，并计算编码器值对应的电角度θR，根据θR查表1中确定相序情况的顺序值(例如表中①～⑥中的哪个值)，如N＝1，则表示相序正确，结束检测流程，如果N不等于1，则确定伺服电机的相序接线错误，确定错误的相序后，电机断电，重新接线。
根据图6动力线相序检测流程图，其他四种错误相序，驱动器输出转子锁定电流同样为C相进、A相出，相应通过编码器值获取的电角度计算同理，计算结果如下表2所示。
表2 C相进A相出锁定实际电角度与编码器值获取电角度关系
相序标号 实际电角度θLock 编码器计算电角度θR
① 30° 30°
② 30° 150°
③ 30° 270°
④ 30° -30°(330°)
⑤ 30° 90°
⑥ 30° 210°
由上表可知，转子锁定在实际电角度30°时，不同动力线相序根据编码器值计算得到的电角度差值(θR—θLock)最小为60°，可以满足分辨动力线相序是否正常。
根据本发明的一个或多个实施例，本发明的相序检测方法是先将电机转子的机械0位与编码器0“刻度”进行“对齐”。方法是在正确的相序时驱动器输出两相出一相进电流(如B相和C相出，A相进)到电机(V相和W相进,U相出)。当连接相序正确时(表1中的①接线顺序)，此时转子实际位置θ＝θR＝0°，即θ1＝θR1＝0°。当连接相序为表1中的错误相序②时，此时转子实际位置θ2＝θR2-120°，同理可得：当连接相序为表1中的③时，转子实际位置"θ3＝θR3-240°，④转子实际位置为θ4＝-θR4，⑤转子实际位置为θ5＝120°-θR5、⑥转子实际位置为θ6＝240°-θR6。
根据本发明的一个或多个实施例，还提供了一种伺服电机动力线相序检测装置，包括存储器和处理器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现根据上述的方法。
根据本发明的一个或多个实施例，还提供了一种伺服电机，其采用上述的方法，或包括上述的装置。
根据本发明的一个或多个实施例，本发明的方法中的控制逻辑可以使用存储在非暂时性计算机和/或机器可读介质(例如硬盘驱动器、闪存、只读存储器、光盘、数字多功能磁盘、高速缓存、随机存取存储器和/或任何其他存储设备或存储磁盘)上的编码的指令(例如，计算机和/或机器可读指令)来实现如本发明以上所述方案的处理，在非暂时性计算机和/或机器可读介质中存储任何时间期间(例如，延长的时间段、永久的、短暂的实例、临时缓存和/或信息高速缓存)的信息。如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”被明确定义为包括任何类型的计算机可读存储设备和/或存储盘，并且排除传播信号并排除传输介质。
根据本发明的一个或多个实施例，本发明的方法或设备的控制电路、(控制逻辑、主控系统或控制模块)可以包含一个或多个处理器，也可以在内部包含有非暂时性计算机可读介质。具体地，在设备或装置中(主控系统或控制模块)可以包括微控制器MCU，其布置在空调中，用于自动实现本发明的操作和实施多种功能。用于实现本发明的方案的处理器可以诸如但不限于一个或多个单核或多核处理器。(一个或多个)处理器可包括通用处理器和专用处理器(例如，图形处理器、应用处理器等)的任何组合。处理器可与其耦接和/或可包括计存储器/存储装置，并且可被配置为执行存储在存储器/存储装置中的指令，以实现在本发明中控制器上运行的各种应用和/或操作系统。
作为本发明示例的上文涉及的附图和本发明的详细描述，用于解释本发明，但不限制权利要求中描述的本发明的含义或范围。因此，本领域技术人员可以很容易地从上面的描述中实现修改。此外，本领域技术人员可以删除一些本文描述的组成元件而不使性能劣化，或者可以添加其它的组成元件以提高性能。此外，本领域技术人员可以根据工艺或设备的环境来改变本文描述的方法的步骤的顺序。因此，本发明的范围不应该由上文描述的实施例来确定，而是由权利要求及其等同形式来确定。
尽管本发明结合目前被认为是可实现的实施例已经进行了描述，但是应当理解本发明并不限于所公开的实施例，而相反的，意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同配置。

Claims (5)

1.一种伺服电机动力线相序检测方法,包括如下步骤：
S1：电机在运行前，驱动器输出给电机两相进一相出电流，所述两相进一相出电流为三相中任意两相流入输入电流，除输入电流所在相外的一相流出输出电流，将转子位置锁定到转子的零机械位置，将电机转子的零机械位置与编码器的零刻度进行对齐；
当所述电机上电时，通过施加转子锁定电流获取实际转子的位置；
所述转子锁定电流为：将伺服驱动器三相中任意一相流入输入电流，除输入电流所在相外的另外两相中的任一相流出输出电流时，流过伺服电机的电流；
S2：确定施加转子锁定电流后的实际转子的位置处的转子锁定相位角和在所述实际转子的位置处的编码器电角度，所述转子锁定相位角是在实际转子的位置相对转子的零机械位置的角度，所述编码器电角度是在实际转子的位置处编码器刻度值相对编码器的零刻度的角度；
获得的转子锁定相位角与编码器电角度的差值；
S3：根据所述差值判断所述伺服电机动力线相序是否错误；
当差值为零时，确定伺服电机动力线相序正确；
当差值不为零时，根据所述编码器电角度、动力线相序标记和实际转子的位置处的转子锁定相位角的偏差角确定伺服电机动力线相序错误的情况。
2.根据权利要求1所述的方法，当确定伺服电机动力线相序错误后，将伺服电机断电，根据确定的错误情况重新连接所述伺服电机的动力线。
3.一种伺服电机动力线相序检测装置，包括存储器和处理器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现根据权利要求1-2任一项所述的方法。
4.一种伺服电机，其采用根据权利要求1-2任一项所述的伺服电机动力线相序检测方法，或包括根据权利要求3所述的伺服电机动力线相序检测装置。
5.一种工业机器人，其设有权利要求4所述的伺服电机。
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