CN115733410A - 马达驱动器及其机械手臂 - Google Patents

Abstract

一种马达驱动器及其机械手臂，马达驱动器包含一电流控制模块而检测两次一检测电压，依据两次的检测电压决定一补偿信号。如此，马达驱动器依据补偿信号输出一马达控制电压，以提升马达的性能。

Description

马达驱动器及其机械手臂

技术领域

本发明有关一种马达驱动器及其机械手臂，尤其关于提升马达电流的准确度，而降低马达的力矩波纹，驱使马达与机械手臂振动减少的马达驱动器。

背景技术

一般马达由马达驱动器控制其马达电流与转动速度，然而，马达驱动器易受温度影响，致使电路间运作产生的数值或信号产生飘移，如此马达驱动器会误判从马达检测获得的马达电流数值，长久运作下来，马达性能越来越差，例如振动现象严重。

鉴于上述问题，本发明提供一种马达驱动器，可以及时侦错与动态补偿马达电流，而提升控制马达电流的准确度，达到降低马达的力矩波纹，驱使马达的振动减少。

发明内容

本发明的目的提供一种马达驱动器及其机械手臂，马达驱动器可以及时侦错与动态补偿马达电流，而提升控制马达电流的准确度，达到马达的振动减少。

为了达到前述发明的目的，本发明马达驱动器包含一电流控制模块，检测两次一检测电压，并依据两次的检测电压决定一补偿信号，且依据补偿信号输出一马达控制电压。

再者，于马达驱动器未执行一伺服控制时，电流控制模块提供数次检测电压与提供数次一马达电压，并经由运算数次的该些检测电压而获得一平均检测电压，及依据数次的该些马达电压进行运算而获得一平均马达电压。于马达驱动器从未执行伺服控制转变为执行伺服控制时，检测马达电流而获得一马达电压，并依据平均马达电压调整马达电压。而后，电流控制模块检测两次检测电压，并依据两次的检测电压分别与平均检测电压比较后决定补偿信号，且依据补偿信号再次调整马达电压后产生马达控制电压。

附图说明

图1为本发明马达驱动器控制马达的一实施例的电路图。

图2为本发明电流控制模块检测马达的一实施例的电路图。

图3为本发明决定补偿信号的一实施例的流程图。

图4为本发明检测电压随马达驱动器运作时间而上升的一实施例的波形图。

图5为本发明驱使马达减缓振动现象前后的一实施例的比较图。

附图标记：

10 马达驱动器

20 位置命令

30 位置控制模块

31 第一运算电路

32 位置控制器

40 速度控制模块

41 第二运算电路

42 速度控制器

50 电流控制模块

51 电流运算电路

52 电流控制器

53 检测电路

54 电流感测电路

541 电流感知器

55 数字模拟转换电路

56 微处理器

60 马达

70 速度计算器

80 编码器

a 马达电流

ADC1 数字模拟转换电路

ADC2 数字模拟转换电路

ADC3 数字模拟转换电路

ADC4 数字模拟转换电路

b 马达电流

c 马达电流

GND 接地电压

Ref V 参考电压

Ref V1 参考电压

Ref V2 参考电压

Ref V3 参考电压

T 时间

T_Cri 设定时间

V31 第一运算信号

V32 位置控制信号

V41 第二运算信号

V42 速度控制信号

V51 电流运算信号

V52 马达控制电压

V55 模拟信号

V56 反馈信号

V70 马达位置信号

V80 马达速度信号

Va 马达电压

Va_avg 平均马达电压

Va_d 电压差

Va_real 马达电压

Vb 马达电压

Vb_avg 平均马达电压

Vb_d 电压差

Vb_real 马达电压

Vc 马达电压

Vc_avg 平均马达电压

Vc_d 电压差

Vc_real 马达电压

Vcomp 补偿信号

Vr 检测电压

Vr_d 电压差

Vr_d1 第一电压差

Vr_d2 第二电压差

Vr_avg 平均检测电压

Vr_Cri 阈值电压

具体实施方式

有关本发明为达成上述目的，所采用的技术手段及其功效，兹举实施例，并配合图式加以说明如下。

请参阅图1，其为本发明马达驱动器控制马达的一实施例的电路图。如图所示，马达驱动器10控制马达60运作，马达驱动器10包含一电流控制模块50，可以检测两次一检测电压Vr，而依据两次的检测电压Vr决定一补偿信号Vcomp，及依据补偿信号Vcomp输出一马达控制电压V52，达到动态补偿马达电流，而提升控制马达电流的准确度，使马达的振动现象减缓。其中，马达电流a、b、c请参阅图2，其为本发明电流控制模块检测马达的一实施例的电路图。如图所示，马达电流a、b、c包含马达60的三相电流，且马达驱动器10检测不同相位的电流为相同技术，因此实施例中以马达电流a代表三种不同相位的电流作为说明之用。

换言之，于马达驱动器10执行一伺服控制时，马达驱动器10的电流控制模块50检测两次检测电压Vr，而依据两次的检测电压Vr的电压差决定补偿信号Vcomp，如图所示补偿信号Vcomp可以由微处理器56处理后产生。复参阅图1，电流控制模块50包含一电流运算电路51、一电流控制器52、一检测电路53、一电流感测电路54、一ADC电路55、一微处理器56。其中，电流运算电路51接收反馈信号V56与一速度控制信号V42而产生一电流运算信号V51，此外若检测三相电流则电流运算电路51接收多个反馈信号V56。电流控制器52耦接电流运算电路51，依据电流运算信号V51产生马达控制电压V52，而控制马达电流a(或b、c)。

因此，马达60的运转状态可以藉由电流控制模块50的电流感测电路54，感测马达电流a(或b、c)而产生马达电压Va，同理若感测三相电流则电流控制模块50可以包含多个电流感测电路54而产生多个马达电压，如图2的Va、Vb、Vc。检测电路53耦接于一参考电压RefV以产生检测电压Vr，如此，数字模拟转换电路55耦接检测电路53与电流感测电路54，而转换检测电压Vr与马达电压Va为不同的模拟信号V55。所以，微处理器56耦接ADC电路55而处理多个模拟信号V55后产生反馈信号V56，模拟信号V55与反馈信号V56的数量同样相关于检测马达电流a、b、c的数量。故，藉由电流感测电路54及时侦错马达60的马达电流a(或b、c)，产生补偿信号Vcomp而进行反馈控制，可以降低马达60的力矩波纹，驱使马达60的振动减少。

复参阅图2，检测电路53耦接于参考电压Ref V与一接地电压GND之间，且检测电路53包含多个阻抗元件，该些阻抗元件相互串联，并于该些阻抗元件间的节点(即分压)产生检测电压Vr至ADC电路55。再者，电流感测电路54因检测多个马达电流a、b、c而于马达驱动器10设置多个，且该些电流感测电路54分别包含一电流感知器541与多个阻抗元件，以分别检测马达电流a、b、c后，分别产生马达电压Va、Vb、Vc至ADC电路55。再者，该些电流感测电路54的电流感知器541分别耦接参考电压Ref V1、Rer V2、Rer V3以供运作之用，且图2所示四个参考电压Ref V、Ref V1、Rer V2、Rer V3可以互为相同或不同，其为设计之选项。因此，于图2实施例中包含多个ADC电路55，例如ADC1、ADC2、ADC3、ADC4，从图2的上至下，分别耦接检测电路53与三个电流感测电路54。而且ADC1电路、ADC2电路、ADC3电路、ADC4电路设置于微处理器56内，或者可以如图1实施例设置于微处理器56外，皆为设计之选项，本发明之实施未加以限制。

此外，如图1所示，马达驱动器60更包含一位置控制模块30、一速度控制模块40、一编码器70与一速度计算器80。位置控制模块30接收一位置命令20与马达位置信号V70而产生一位置控制信号V32。位置控制模块30耦接编码器70且包含一第一运算电路31与一位置控制器32，第一运算电路接31收位置命令20与马达位置信号V70而产生第一运算信号V31。位置控制器32耦接第一运算电路接31，且依据第一运算信号V31产生位置控制信号V32。速度控制模块40耦接位置控制模块30与速度计算器80，而接收位置控制信号V32与马达速度信号V80，以产生速度控制信号V42。速度控制模块40包含一第二运算电路41与一速度控制器42，第二运算电路41耦接位置控制器32与速度计算器80，而接收位置控制信号V32与马达速度信号V80产生一第二运算信号V41。速度控制器42耦接第二运算电路41而接收第二运算信号V41，且依据第二运算信号V41产生速度控制信号V42至电流控制模块50。编码器70设置于马达60而检测一马达转动位置，以产生马达位置信号V70至第一运算电路31。速度计算器80耦接编码器70而接收马达位置信号V70，并依据马达位置信号V70产生马达速度信号V80至第二运算电路41。

所以，在马达驱动器10依据位置命令20驱动马达60后，在反馈控制中藉由编码器70获得马达60受控后的转动位置，而于位置控制模块30及时侦错与补偿马达60的转动位置。而且，依据马达60受控后的转动位置计算出马达60的转速，即利用位置控制模块30与速度控制模块40重新调整马达60的转动位置与转速。而后，电流控制模块50依据马达电流a、位置控制模块30与速度控制模块40的检测结果，重新输出马达控制电压V52，以调整马达60的运作状态。此外，位置控制模块30与速度控制模块40同样可以整合设置于微处理器56内，即整合后的微处理器56的运算能力足够应付位置控制模块30、速度控制模块40与ADC电路55的需求。换言之，单一微处理器56取代位置控制模块30、速度控制模块40与ADC电路55亦是实施的一种方式。

请参阅图3，其为本发明决定补偿信号的一实施例的流程图。如图所示，若在较要求精准度应用下，例如本发明马达驱动器10控制机械手臂的马达减少振动现象，可以先藉由步骤S1至步骤S10获得电流控制模块50的初始数值，之后再依据步骤S11至步骤S15决定补偿信号Vcomp。反之，若对精准度较不要求时，可以选择仅运作于步骤S11至步骤S15，而决定补偿信号Vcomp的电平，其两种方式皆为实施例之一。

承接上述，步骤S1初始校正程序1开始后，先于步骤S2解除马达驱动器10对马达60的伺服控制，即马达驱动器10未执行一伺服控制时，之后检测电路53与电流感测电路54分别提供数次(例如N次)检测电压Vr与数次马达电压Va(即三个马达电压Va、Vb、Vc)，此处的三个马达电压Va、Vb、Vc无关马达60运作时的三相电流。如此，于步骤S3利用ADC电路55数次转换检测电压Vr与三个马达电压Va、Vb、Vc，而于步骤S4中，微处理器56经由运算数次而取得平均检测电压Vr_avg＝Vr/N与平均马达电压Va_avg＝Va/N，及同理取得Vb_avg＝Vb/N与Vc_avg＝Vc/N。于步骤S5记录上述电流控制模块50内相关的初始数值，即Vr_avg、Va_avg、Vb_avg与Vc_avg。

完成系统的初始数值量测后，于步骤S6进入在线补偿程序2，于步骤S7在线补偿程序2开始，即于步骤S8马达驱动器10开始对马达60进行伺服控制，即马达驱动器10从未执行伺服控制转变为执行伺服控制时。于步骤S9，检测电路53检测该检测电压Vr，此时的检测电压Vr会因环境温度(或系统温度，例如马达驱动器10运行时的温度)而产生变化；再者，电流感测电路54检测马达60的三相电流而获得三个马达电压Va、Vb、Vc，此处的三个马达电压Va、Vb、Vc相关马达60运作时的三相电流，此是与步骤S3不同之处。所以，ADC电路55同样转换检测到的检测电压Vr与三个马达电压Va、Vb、Vc。于步骤S10微处理器56计算伺服控制前后平均检测电压Vr_avg与检测电压Vr的电压差Vr_d＝Vr_avg–Vr，且电压差Vr_d计算两次，即获得第一电压差Vr_d1与第二电压差Vr_d2；及微处理器56计算三个马达电压Va、Vb、Vc各自于伺服控制前后平均马达电压Va_avg与马达电压Va的电压差Va_d＝Va_avg–Va，同理藉由运算获得Vb_d＝Vb_avg–Vb与Vc_d＝Vc_avg–Vc，换言之伺服控制后调整所量测到的三个马达电压Va、Vb、Vc为Va_d、Vb_d与Vc_d。

再者，于步骤S11判断第一电压差Vr_d1与第二电压差Vr_d2的差异是否小于一阈值电压Vr_Cri；然而，当仅执行步骤S11至步骤S15，而无执行步骤S1至步骤S10时，步骤S11改为判断检测两次的检测电压Vr的电压差是否小于阈值电压Vr_Cri，即无与平均检测电压Vr_avg进行比较运算，所以，当检测两次的检测电压Vr的电压差小于阈值电压Vr_Cri时，第二次检测的检测电压Vr作为补偿信号Vcomp；当检测两次的检测电压Vr的电压差大于阈值电压Vr_Cri时，补偿信号Vcomp的电平等于阈值电压Vr_Cri加上第二次检测的检测电压Vr。

再者，按照图3的实施例，电流控制模块50检测两次的检测电压Vr与平均检测电压Vr_avg分别进行比较运算，获得第一电压差Vr_d1与第二电压差Vr_d2，且当第一电压差Vr_d1与第二电压差Vr_d2的差异小于阈值电压Vr_Cri时，补偿信号Vcomp为第二电压差Vr_d2的电平，并于步骤S121记录补偿信号的电平；当第一电压差Vr_d1与第二电压差Vr_d2的差异大于或等于阈值电压Vr_Cri时，补偿信号Vcomp为第二电压差Vr_d2的电平加上阈值电压Vr_Cri的电平，并于步骤S122记录补偿信号的电平。即依据第一电压差Vr_d1与第二电压差Vr_d2决定补偿信号Vcomp，并依据补偿信号Vcomp再次调整三个马达电压Va_d、Vb_d、Vc_d后产生马达控制电压V52。换言之，利用补偿信号Vcomp再次校正三个马达电压Va_d、Vb_d、Vc_d为Va_real、Vb_real、Vc_real后，于步骤S14微处理器56按照伺服控制算法运算校正后的三个马达电压Va_real、Vb_real、Vc_real，而产生多个马达控制电压V52。最后于步骤S15结束在线补偿程序2。

另外，于步骤S121与步骤S122，微处理器56判断补偿信号Vcomp的电平大于等于一补偿上限值时，马达驱动器10会执行一定时恢复程序，以重新设定补偿信号的电平。或者，如图3实施例，在线补偿程序2运作时皆会自动进入定时恢复程序，以自动计数次数或时间，当超过一设定次数或一设定时间后，重新设定补偿信号的电平，避免补偿信号的电平过大或过小，此时，亦可以借机检测是否硬件存在故障，导致补偿信号的电平异常。因此，于步骤S121与步骤S122后，亦会进入步骤S20定时恢复程序，并于步骤S21先清除计数器，再开始计时。于步骤S22判断计数器计数的时间T是否超过一设定时间T_Cri，若无则重新执行步骤S22。若已超过设定时间T_Cri，则重新设定补偿信号Vcomp，并至初始校正程序1重新获得马达驱动器10内相关的初始值，而后进行在线补偿程序2，其余内容相似不再覆述。另外，在不同的实施例中，时间T可以是补偿信号Vcomp的电平，而设定时间T_Cri可以改为判断补偿信号Vcomp电平大小的数值。即马达驱动器10执行定时恢复程序，判断补偿信号Vcomp的电平，当补偿信号Vcomp的电平大于等于补偿上限值时，重新设定补偿信号Vcomp的电平。

此外，当马达驱动器10从步骤S22运行至步骤S1初始校正程序1时，产线会依据马达驱动器10所发出的信息而先自行主动停机，之后在工作人员重启产线，马达驱动器10才重新获得马达驱动器10内相关的初始值。然而，在马达驱动器10堪用的情况下，图3实施例可以修改为先对工作人员提出警示，让工作人员决定产线停机的时机，换言之步骤S22先运行至警示阶段，而非运行至步骤S1的初始校正程序1，其为实施例可变化之态样，非本发明所限。

请参阅图4，其为本发明检测电压随马达驱动器运作时间而上升的一实施例的波形图。如图所示，当马达驱动器10开始运作时，检测电压Vr的电平随图2参考电压Ref V的电平上升而跟着上升，且检测电压Vr的电平会随着环境温度上下偏移。换言之，在刚开机时检测电压Vr的电压差Vr_d在0-20之间飘移，而在马达驱动器10稳定工作后，检测电压Vr的电压差Vr_d约在60上下飘移。因此，马达驱动器10的电流控制模块50可以利用检测电压Vr的变化，补偿环境温度对系统(即马达驱动器10)的影响，提升马达驱动器10的控制精准度。

请参阅图5，其为本发明驱使马达减缓振动现象前后的一实施例的比较图。如图所示，无利用补偿信号Vcomp的马达电压Va(或b、c)振动幅度在约677至657之间，而依据补偿信号Vcomp控制马达60后，马达电压Va(或b、c)振动幅度约在672至664之间。两者相比约减缓50％的振动现象。

综上所述，本发明马达驱动器包含一电流控制模块，检测两次一检测电压，并依据两次的检测电压决定一补偿信号，且依据补偿信号输出一马达控制电压。

或者，于马达驱动器未执行一伺服控制时，电流控制模块提供数次检测电压与提供数次一马达电压，并经由运算数次的该些检测电压而获得一平均检测电压，及依据数次的该些马达电压进行运算而获得一平均马达电压。于马达驱动器从未执行伺服控制转变为执行伺服控制时，检测马达电流而获得一马达电压，并依据平均马达电压调整马达电压。而后，电流控制模块检测两次检测电压，并依据两次的检测电压分别与平均检测电压比较后决定补偿信号，且依据补偿信号再次调整马达电压后产生马达控制电压。

上述两种实施方式皆可以及时侦错与动态补偿马达电流，而提升控制马达电流的准确度，达到马达的振动减少。而且，应用于机械手臂亦可以减少手臂的振动现象。

以上所述者，仅为用以方便说明本发明之实施例，本发明之范围不限于这些实施例，凡依本发明所做的任何变更，于不脱离本发明之精神下，皆属本发明申请专利之范围。

Claims (10)

1.一种机械手臂的马达驱动器，其包含：

电流控制模块，检测两次检测电压，依据两次的所述检测电压而决定补偿信号，及依据所述补偿信号输出马达控制电压。

2.如权利要求1所述的机械手臂的马达驱动器，其中，于所述马达驱动器执行伺服控制时，所述电流控制模块检测两次所述检测电压，而依据两次的所述检测电压而决定所述补偿信号。

3.如权利要求1所述的机械手臂的马达驱动器，其中，当检测两次的所述检测电压的电压差小于阈值电压时，第二次检测的所述检测电压作为所述补偿信号。

4.如权利要求1所述的机械手臂的马达驱动器，其中，当检测两次的所述检测电压的电压差大于阈值电压时，所述补偿信号的电平等于所述阈值电压加上第二次检测的所述检测电压。

5.如权利要求1所述的机械手臂的马达驱动器，其中，于所述马达驱动器未执行伺服控制时，所述电流控制模块提供数次所述检测电压与检测数次马达电压，并经由运算数次的所述检测电压而获得平均检测电压，及依据数次的所述马达电压进行运算而获得平均马达电压。

6.如权利要求5所述的机械手臂的马达驱动器，其中，于所述马达驱动器从未执行所述伺服控制转变为执行所述伺服控制时，检测马达电流而获得马达电压，并依据所述平均马达电压调整所述马达电压。

7.如权利要求6所述的机械手臂的马达驱动器，其中，于所述马达驱动器执行所述伺服控制时，所述电流控制模块检测两次所述检测电压，而依据两次的所述检测电压分别比较所述平均检测电压，获得第一电压差与第二电压差，并依据所述第一电压差与所述第二电压差决定所述补偿信号，并依据所述补偿信号再次调整所述马达电压后产生所述马达控制电压。

8.如权利要求1所述的机械手臂的马达驱动器，其中，所述马达驱动器执行定时恢复程序，当所述补偿信号的电平大于等于补偿上限值时，重新设定补偿信号的电平。

9.如权利要求1所述的机械手臂的马达驱动器，其中所述电流控制模块包含：

检测电路，包含多个阻抗元件，所述多个阻抗元件相互串联并耦接于参考电压与接地电压之间，以产生所述检测电压；

多个电流感测电路，感测多个马达电流，而产生多个马达电压；

多个数字模拟转换电路，耦接所述检测电路与所述多个电流感测电路，转换所述检测电压与所述多个马达电压为多个模拟信号；

微处理器，处理所述多个模拟信号而产生多个反馈信号；

电流运算电路，接收所述多个反馈信号与速度控制信号而产生电流运算信号；及

电流控制器，依据所述电流运算信号产生所述马达控制电压，而控制所述多个马达电流。

10.如权利要求9所述的机械手臂的马达驱动器，其包含：

编码器，检测马达转动位置，产生马达位置信号；

速度计算器，耦接所述编码器，依据所述马达位置信号产生马达速度信号；

位置控制模块，包含第一运算电路与位置控制器，所述第一运算电路接收位置命令与所述马达位置信号而产生第一运算信号，所述位置控制器依据所述第一运算信号产生位置控制信号；及

速度控制模块，包含第二运算电路与速度控制器，所述第二运算电路接收所述位置控制信号与所述马达速度信号而产生第二运算信号，所述速度控制器依据所述第二运算信号产生所述速度控制信号。

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