CN1651199A

CN1651199A - 机器人用的伺服马达控制装置以及机器人

Info

Publication number: CN1651199A
Application number: CNA2005100053584A
Authority: CN
Inventors: 松原俊介; 岩下平辅; 加藤哲朗
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2005-08-10
Also published as: JP2005219133A; EP1562283A1; US20050168186A1

Abstract

本发明涉及驱动机器人的各个轴的伺服马达的控制装置以及机器人。让机器人执行一个循环的教授动作。在进行该动作的时候，根据转矩指令等求得各轴用的伺服马达所必需的最大转矩，在产生了最大转矩不足的情况下，通过弱磁场电流修正计算部使修正量增大，从而增大d相电流来增大最大转矩。另外，通过检测到的马达温度判断是否连续额定输出不足，在连续额定输出不足的时候，减少修正量来减少d相电流，从而调整连续输出特性。作为机器人的各轴的驱动源，使用相同规格的伺服马达，来调整弱磁场电流(d相电流)，由此，就可以设成与轴对应的特性的伺服马达。

Description

机器人用的伺服马达控制装置以及机器人

技术领域

本发明涉及驱动机器人的各个轴的伺服马达的控制装置以及机器人。

背景技术

一般采用永久磁铁型的同步电机作为驱动机器人的各个轴的伺服马达。该永久磁铁型的同步电机，因为会产生与旋转速度成比例的反电动势，所以采用了各种：在高速旋转时，通过流过对转矩没有贡献的无功电流，进行在电上消除反电动势的影响的弱磁场控制，来提高高速旋转时的最大转矩特性的方法。

例如，已知的一种弱磁场控制(参考特开2003-052199号公报)，其对应马达的旋转数，求出将最大负荷时候的马达端子电压设在马达控制的最大输出电压以内的最大负荷时d相电流指令值和将无负荷时候的马达端子电压设在马达控制装置的最大输出电压以内的最小负荷时d相电流指令值，并将根据马达的负荷内插两个d相电流指令值的值作为d相电流指令。

还有一种弱磁场控制也为人熟知(参考特开平8-27559公报)，其在马达的旋转数超过设定旋转数的时候，根据最大速度下的最大输出时的d相电流和最大速度下的无负荷时的d相电流的差和转矩指令，求出最大d相电流值，将该d相电流值乘以将旋转数作为参数的函数值并求出d相电流指令。

如上所述，因为弱磁场控制实际上必须有电流流过马达的线圈，所以由于该电流会使线圈发热。即，若进行弱磁场控制，就可以提高高速时的马达的最大转矩特性，但是，也会产生由于马达温度的上升相反地会破坏连续输出特性的问题。

图3a是表示进行了弱磁场控制和没有进行弱磁场控制时候的马达实际速度下的最大转矩特性的示图。从该图中可以了解，进行了弱磁场控制的一方可以在高速区域下提高最大转矩。另一方面，图3b是表示进行了弱磁场控制和没有进行弱磁场控制时候的马达实际速度下的连续额定转矩特性的示图。如图3b所示，如果进行弱磁场控制，则连续额定转矩在高速区域下降低。

另一方面，因为机器人具有多个关节轴，为了驱动各个轴需要使用伺服马达。在该机器人中使用的伺服马达中，连续额定输出特性对于重力所作用的轴十分重要。另外，也希望在重力没有作用的轴上，改善加、减速特性，并延长机器人的动作循环时间。因此，以往在机器人的轴中，使用有适合该轴的动作条件特性的规格的伺服马达，不同的轴使用的伺服马达的规格不同。

如果在机器人的各个轴驱动中使用的各个伺服马达的规格不同，则必须使用与伺服马达相关的不同硬件，如果硬件不同，则其维护也不同，这样会带来一定的不便。而且，机器人的维护管理也变得既复杂又麻烦。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种可以调整最大转矩特性和/或连续输出特性，并且可以调整为适合机器人的每个轴驱动的马达输出特性的机器人用伺服马达的控制装置以及易于维护管理的机器人。

本发明是一种控制用于驱动机器人的各个轴的伺服马达的控制装置，其具备：产生用于消除上述伺服马达产生的反电动势的弱磁场电流的电流生成部；调整上述电流生成部生成的弱磁场电流大小的弱磁场电流调整部。

控制装置还可以具备使上述机器人执行一个循环的教授动作的控制部、判断该一个循环动作中的最大转矩不足的最大转矩不足判断部，在上述最大转矩不足判断部判断出最大转矩不足的时候，上述弱磁场电流调整部可以使弱磁场电流增加。

最大转矩不足判断部，可以在转矩指令达到规定最大值的时候判断为最大转矩不足。

或者，最大转矩不足判断部，可以在电流控制回路输出的电压指令达到由变换器可供给的电压的最大值的时候，判断为最大转矩不足。

或者，最大转矩不足判断部，可以在指令位置和实际位置的差在规定值以上的时候，判断为最大转矩不足。

控制装置，还可以具备：让上述机器人执行一个循环的教授动作的指令部、和判断该一个循环动作中的连续额定输出不足的连续额定输出不足判断部，在上述连续额定输出不足判断部判断出连续额定输出不足的时候，上述弱磁场电流调整部可以使弱磁场电流减少。

控制装置，可以具有检测上述伺服马达温度的温度传感器，上述连续额定输出不足判断部，可以在上述温度传感器的输出比规定值还高的时候判断为连续额定输出不足。

或者，连续额定输出不足判断部，可以在流过上述伺服马达的实际电流的均方根值比规定值还高的时候判断为输出不足。

另外，控制装置，还可以具备让上述机器人执行一个循环的所决定规定的动作的控制部、计算出针对该一个循环动作中的最大转矩的余裕度和针对连续额定输出的马达额定输出余裕度的余裕度计算部，上述弱磁场电流调整部，可以在上述余裕度计算部求出的余裕度少的情况下，加大弱磁场电流，在针对马达的额定输出的余裕度少的情况下，减少弱磁场电流，从而对照轴的特性来优化弱磁场电流。

余裕度计算部，可以通过针对限制转矩指令的转矩极限值的动作中的最大转矩指令值计算出对上述最大转矩的余裕度。

余裕度计算部，可以通过针对上述伺服马达的额定转矩的动作中的每个轴的转矩的均方根值来计算出针对上述伺服马达的额定输出的余裕度。

进而，依据本发明的其他方式，提供了一种作为至少2个轴以上的轴的驱动源、具有通过本发明相关的上述机器人用伺服马达的控制装置所控制的相同规格的伺服马达的机器人。

附图说明

图1a和1b是本发明的一个实施方式的方框图；

图2是本实施方式中的弱磁场电流修正计算单元的处理流程图；

图3a和3b分别是表示在进行弱磁场控制和没有进行弱磁场控制时候的最大转矩特性和连续额定转矩特性的示图；

图4是表示本发明的基本结构的方框图。

具体实施方式

图4是表示本发明的机器人用伺服马达的控制装置的基本结构的方框图。控制用于驱动机器人的各个轴的伺服马达M的控制装置，具备：生成用于消除伺服马达M产生的反电动势的弱磁场电流的电流生成部，即，电流指令生成器4；调整电流生成部4生成的弱磁场电流大小的弱磁场电流调整部11、12。

图1a和1b是本发明一个实施方式的机器人用伺服马达的控制装置的重要部分的方框图。从上位的控制部或者控制装置20输出位置指令，并从该位置指令中，减去检测出永久磁铁型的同步电机构成的伺服马达M的速度和位置的来自传感器S1的位置反馈，求出位置偏差。位置控制器1将该位置偏差乘以位置增益，求出速度指令。从该速度指令中减去来自传感器S1的速度反馈ω，求出速度偏差，速度控制器2根据该速度偏差进行比例积分等的速度闭环处理，然后求出转矩指令。如果该转矩指令超过通过伺服马达M的规格决定的转矩极限值，则转矩极限设定部3减去该转矩极限值作为转矩指令T CMD，并输出到电流指令生成器4中。

电流生成部即电流指令生成器4，将该转矩指令T CMD作为q相的电流指令I QCMD，另外，根据速度反馈检测出的伺服马达的实际速度ω输出进行了参数设定的d相电流指令I DCMD。如后所述，在d相电流指令值I DCMD上加上来自弱磁场电流修正计算部11的修正量，并将已经修正的d相电流指令值输出到d相电流回路处理中。另外，在本实施方式中，通过弱磁场电路修正计算部11和将其输出的修正值加上电流指令生成器4输出的d相电流指令值IDCMD的加法部12，构成了本发明的弱磁场电流调整部。

分别减去从已经修正的d相电流指令值(I DCMD)、q相电流指令I QCMD反馈来的d相电流Id、q相电流Iq，并求出电流偏差，分别通过d相电流控制器5d和q相电流控制器5q求出d相电压指令值V DCMD和q相电压指令值VQCMD。通过从dq相向3相转换电压指令的转换单元，即转换器6，将该d相电压指令值V DCMD和q相电压指令值V QCMD转换到U、V、W相的3相电压指令，并通过功率放大器9对伺服马达M进行驱动控制。

另外，用电流检测器10u、10v检测出伺服马达M内流过的3相电流内的2相电流(在图示的例子中是U相、V相的电流Iu、Iv)，根据该3相电流的2相电流Iu、Iv，从3相向dq相进行转换的转换单元7进行d相电流Id、q相电流Iq转换，并进行反馈。另外，符号8是用于根据位置·速度传感器S1检测出的信号检测出伺服马达M的转子旋转位置的累加计数器，通过该累加计数器8检测出转子的旋转位置，并输出到将该转子旋转位置从dq相向3相转换电压指令的转换单元6以及从3相电流向dq相电流转换的转换单元，即转换器7。上述的各个结构可以是与根据传统上周知的dq转换进行控制的马达控制装置相同。本发明的特点在于，还具备弱磁场电流修正计算部11，通过该弱磁场电流修正计算部11求出弱磁场电流修正值，并在加法部12中将电流指令生成器4输出的d相电流指令值I DCMD加到该弱磁场电流修正值上，作为向d相电流控制器5d的d相电流指令值。另外，是进行通过处理器处理执行图1a和图1b的方框图表示的动作处理，即，所谓的数字伺服处理，在这点上也可以与以往相同。

本发明作为机器人的各个轴驱动，是使用通过具备图1a和图1b所示的弱磁场电流修正计算部11的伺服马达控制装置控制的伺服马达，使机器人执行一个循环(重复执行动作的一个循环)教授的动作，根据此时的最大转矩和连续额定输出的大小，通过本发明特征的弱磁场电流修正计算部11，调整弱磁场电路修正值，使d相电流指令增减。在使机器人执行一个循环教授的动作，并对于此时必要的最大转矩判断伺服马达可以输出的转矩不足的情况下，通过弱磁场电流修正计算部11使磁场电流修正值增加并使d相电流指令值增加，来使输出转矩增加。另外，在连续额定输出不足的情况下，使弱磁场电流修正值减少，并使d相电流指令值减少。另外，上述判断例如可以通过弱磁场电流修正计算部11的最大转矩不足判断部11a进行。

可以利用控制装置的各种要素，对必要的最大转矩判断伺服马达可以输出的转矩是否不足。例如，通过速度控制器2输出的转矩指令值是否达到了转矩指令的最大值，即，可以通过是否超过了转矩极限设定部3设定的转矩指令极限值来判断最大转矩是否不足。

另外，在d相、q相电流控制器5d、5q输出的d相电压指令值V DCMD、q相电压指令值V QCMD的合成矢量超过了规定最大值的时候，或者将电压指令从dq相向3相转换的转换器6输出的U、V、W3相电压指令的合成电压达到了功率放大器9的反相器提供的电压的最大值的时候，判断为最大转矩不足。

进而，作为指令位置和传感器S1求出的实际位置的差的伺服马达的位置偏差在规定值以上，则可以判断为最大转矩不足。

关于连续额定输出是否不足，例如弱磁场电流计算部11的连续额定输出不足判断部11b在伺服马达M上安装的温度传感器S2检测出的温度超过规定值以上，从而判断连续额定输出不足。或者，根据电流检测器10u、10v检测出的U、V相的实际电流和根据该U、V相的实际电流计算出的W相实际电流的3相实际电流的均方根超过规定值以上，则可以判断为连续额定输出不足。

在图1a和1b所示的例子中，表示了根据转矩指令值判断最大转矩是否不足，根据检测伺服马达M温度的温度传感器S2发出的检测温度，连续额定输出不足的例子。

图2是该伺服马达控制装置的处理器作为弱磁场电流修正计算部11执行处理的流程图，其在每个规定周期执行。

首先，读取通过速度控制器2的处理得到的转矩指令(步骤100)，并判断该转矩指令是否超过设定的最大值，并导致转矩不足(步骤101)。如果转矩指令超过最大值，则读取从温度传感器S2发送的检测温度(步骤102)，判断该检测温度是否超过设定的规定值(步骤103)，如果超过，则作为连续额定输出内结束该弱磁场电流修正计算处理。

另一方面，在通过步骤101判断出转矩指令超过了设定的最大值的时候，判断d相电流修正量是否达到最大值(步骤105)，如果没有达到，则对d相电流修正量增加规定量(步骤106)。并且，伺服马达控制装置的处理器在通过电流指令生成器4的处理求出d相、q相电流指令I DCMD、I QCMD的时候，在d相电流指令I CDMD上加上该存储的d相电流修正量，并作为修正后的d相电流指令，并进行d相电流反馈处理和d相控制器5d的处理。如图3a所示，虽然在高速旋转的时候最大转矩有所减少，但是d相电流指令I DCMD通过加上增加后的修正量，伺服马达可以输出的最大转矩增加，并且消除了转矩不足。

另外，在步骤105中，如果d相电流修正量达到了最大值，则不增加d相电流修正值，并结束该处理。

另外，在步骤103中，在检测温度超过规定值并且连续额定输出不足的情况下，则进入步骤104，在d相电流修正量中降低规定量。如果d相电流修正量下降，并且d相电流指令I DCMD减少或者不流过，则如图3b所示，连续额定转矩增加。

以上虽然是伺服马达控制装置的处理器实施的弱磁场电流修正计算部11的处理，但是，使机器人执行一个循环的指示动作，并使驱动机器人的各个轴的各个伺服马达配合动作循环中的最大转矩和连续额定输出，决定d相电流修正量。在这样决定了d相电流修正量之后，再次使机器人执行一个循环的动作，一边修正已经决定的d相电流修正量一边使其工作，并且再次进行图2所示的处理，进行再次调整d相电流修正量等的处理，从而形成最佳状态。

驱动机器人的各个轴的伺服马达，因为如上所述d相电流修正量被调整，所以在驱动重力所作用的轴的伺服马达的情况下，可以改善连续额定输出特性，或者也可以对驱动没有重力作用的轴的伺服马达改善加减速特性。

尤其是作为机器人的结构，可以使用与驱动机器人的各个轴的伺服马达相同的规格，也可以与该控制装置相同。并且，通过根据上述弱磁场电流修正改变各个轴伺服马达的特性，可以设置为适合于相对轴的伺服马达。因为马达也可以与该控制装置等的硬件规格相同从而实现共同化，所以很容易进行机器人的制造、维护、管理。

另外，也可以不对机器人的所有轴使用相同规格的伺服马达，而对多个轴使用相同规格的伺服马达，通过减少机器人中使用的伺服马达的种类(规格)达到上述效果。

另外，因为对已经做成的机器人可以变更驱动该机器人的伺服马达的特性，所以可以对应对机器人的指示动作，进行最佳的变更。

在图2所示的实施方式中，虽然最大转矩不足判断部11a根据转矩指令判断最大转矩不足，但是，最大转矩不足也可以如上所述根据电流控制回路输出的电压指令或者根据作为位置指令和实际位置的差的位置偏差进行判断。在通过电压指令进行判断的情况下，图2的处理步骤100和步骤101的处理被求出作为d相电流控制器和q相电流控制器的电流控制回路处理输出的d相电压指令V DCMD和q相电压指令V QCMD的合成转矩，并且判断在该转矩到达最大值的规定最大值之后是否变为最大转矩不足的处理所取代。或者，也可以通过求出将该d相电压指令V DCMD和q相电压指令V QCMD转换为3相电压指令之后的3相电压指令(图1a和1b中的从dq向3相的转换器6的输出)的合成电压，并根据该合成电压是否达到了规定最大值来判断是否变为最大转矩不足。进而，也可以根据3相电压指令内的任何一个电压指令是否超过规定最大值来判断是否变为最大转矩不足。

另外，最大转矩不足也可以通过位置偏差进行判断，在这种情况下，步骤100、步骤101的处理被读取在位置回路处理中求出的位置偏差并且在该位置偏差在规定值以上的时候，判断是否变为最大转矩不足的处理所取代。

另外，在如图2所示的实施方式中，连续额定输出不足判断部11b虽然在步骤102、103的处理中根据马达温度判断连续额定不足，但是该步骤102、103的处理也可以由根据电流检测器10u、10v检测出的实际电流求出3相的各个电流Iu、Iv、Iw，并根据该实际电流的均方根(√(Iu2，Iv2，Iw2)/3)是否超过规定值判断连续额定输出不足的处理所取代。

进而，弱磁场电流修正计算部11也可以求出最大转矩的余裕度和连续输出的马达额定输出的余裕度，对应该余裕度决定弱磁场电流的修正量。最大转矩的余裕度是根据限制最大转矩的速度回路控制输出(速度控制器2的处理)的转矩指令的转矩及限值(余裕度＝转矩极限值/最大转矩值)所求得，在该余裕度较小的情况下，使弱磁场电流的修正值增加。

另外，连续输出的马达额定输出的余裕度是根据马达的额定转矩的实际电流的均方根所求得。余裕度＝k·马达的额定转矩/实际电流的均方根。另外，k是系数。并且，在该余裕度较小的情况下，减少弱磁场电流的修正值。

因为本发明可以根据弱磁场电流的增减调整最大转矩特性、连续额定输出特性，所以可以对应伺服马达驱动的机器人的轴设置最佳特性的伺服马达。在驱动重力所作用的轴的伺服马达中改善连续额定输出特性，对于驱动没有重力作用的轴提高最大转矩的某个必要轴的伺服马达，可以提高最大转矩特性，并且提高加减速特性。进而，对应指示机器人的作业动作，可以配合该作业动作而变更各个轴的伺服马达的特性。

另外，通过使用至少两个轴以上的相同规格的伺服马达，可以使硬件共同化，并且使机器人的安装和维护管理变得容易。

虽然参考为了说明而选定的特定的实施方式对本发明进行了说明，但是本领域技术人员可以不超出本发明的基本概念和范围进行多种变更。

Claims

1.一种机器人用伺服马达的控制装置，其用于控制用来驱动机器人的各个轴的伺服马达M，其特征在于，

具备：

产生用于消除由上述伺服马达M产生的反电动势的弱磁场电流的电流生成部4；和

调整由上述电流生成部4所生成的弱磁场电流大小的弱磁场电流调整部11、12。

2.根据权利要求1所述的机器人用伺服马达的控制装置，其特征在于，

还具备：让上述机器人执行一个循环的教授动作的控制部20和判断在上述一个循环动作中的最大转矩不足的最大转矩不足判断部11a，

在上述最大转矩不足判断部11判断出最大转矩不足的时候，上述弱磁场电流调整部11、12使弱磁场电流增大。

3.根据权利要求2所述的机器人用伺服马达的控制装置，其特征在于，上述最大转矩不足判断部11a，在转矩指令达到规定最大值的时候判断为最大转矩不足。

4.根据权利要求2所述的机器人用伺服马达的控制装置，其特征在于，

上述最大转矩不足判断部11a，在电流控制回路输出的电压指令达到由变换器可供给的电压的最大值的时候，判断为最大转矩不足。

5.根据权利要求2所述的机器人用伺服马达的控制装置，其特征在于，

上述最大转矩不足判断部11a，在指令位置和实际位置的差在规定值以上的时候，判断为最大转矩不足。

6.根据权利要求1所述的机器人用伺服马达的控制装置，其特征在于，

还具备：让上述机器人执行一个循环的教授动作的指令部20和判断上述一个循环动作中的连续额定输出的不足的连续额定输出不足判断部11b，

在上述连续额定输出不足判断部11b判断出连续额定输出不足的时候，上述弱磁场电流调整部11使弱磁场电流减少。

7.根据权利要求6所述的机器人用伺服马达的控制装置，其特征在于，

还具有检测上述伺服马达M温度的温度传感器S2，

上述连续额定输出不足判断部11b，在上述温度传感器S2的输出比规定值还高的时候判断为连续额定输出不足。

8.根据权利要求6所述的机器人用伺服马达的控制装置，其特征在于，

上述连续额定输出不足判断部11b，在上述伺服马达M中所流的实际电流的均方根值比规定值还高的时候判断为连续额定输出不足。

9.根据权利要求1所述的机器人用伺服马达的控制装置，其特征在于，

还具备让上述机器人执行一个循环的所决定的规定的动作的控制部20、和计算出针对该一个循环动作中的最大转矩的余裕度和针对连续额定输出的马达额定输出的余裕度的余裕度计算部11c，

上述弱磁场电流调整部11，在由上述余裕度计算部11c求出的针对最大转矩的余裕度少的情况下，增加弱磁场电流，而在针对马达的额定输出的余裕度少的情况下，减少弱磁场电流，从而对照轴的特性来优化弱磁场电流。

10.根据权利要求9所述的机器人用伺服马达的控制装置，其特征在于，

上述余裕度计算部11c，通过针对限制转矩指令的转矩极限值的动作中的最大转矩指令值，计算出针对上述最大转矩的余裕度。

11.根据权利要求9所述的机器人用伺服马达的控制装置，其特征在于，

上述余裕度计算部11c，通过针对上述伺服马达M的额定转矩的动作中的每个轴的转矩的均方根值计算出针对上述伺服马达M的额定输出的余裕度。

12.一种机器人，其特征在于，作为至少2个轴的驱动源具有由权利要求1～11中的任一项所述的机器人用伺服马达的控制装置所控制的相同规格的伺服马达。