电机驱动设备的控制设备及方法、多轴电机的控制设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于经由连接到电机的传递机构进行移动构件的移动控制的电机驱动设备的控制设备，多个电机驱动设备被串联连接的多轴电机驱动设备的控制设备，以及用于电机驱动设备的控制方法。
【背景技术】
[0002]近来，正在开发机器人来替代人类进行各种作业。为了实现能够如同人手一样进行精准迅速的工作的机器人，机器人动作必须同时实现高精度及高速度。这种机器人利用电机作为动力源来驱动关节。多数利用诸如减速器、滚珠螺杆等的传递机构来增加电机推力并将旋转运动转换成线性运动。
[0003]然而，传递机构具有阻碍使精度增加的内在因素。实例包括扭转、由于减速器的齿轮啮合导致的角度误差、齿隙、摩擦、小部件的细微振动、由于滚珠螺杆的变形导致的角度误差、螺杆的共振、空动等。因此，即使精准地驱动电机，机器人动作的精度由于以上列出的因素而劣化。
[0004]另外，传递机构与诸如机器人框架的结构相比较更为柔性，因此会产生扭转，并像弹性体那样活动。因此，连接到传递机构的、其移动要被控制的移动构件展现出相对于电机的简谐运动，这也引起精度的劣化。另外，简谐运动的反作用力作用于电机，导致电机位置的偏差，这引起精度的更进一步劣化。
[0005]存在两种一般方法对用于机器人关节等的电机进行控制，即半封闭式控制(例如，参见日本特开昭61-201304号公报)和全封闭式控制(例如，参见日本特开平7-225615号公报和日本特开2011-176913号公报)。半封闭式控制是检测电机的输出轴(输出构件)的位置，并且将检测结果反馈给电机的位置命令的方法。全封闭式控制是对经由诸如减速器等的传递机构经历通过电机的移动驱动的移动构件的位置进行检测，并且将检测结果反馈给电机的位置命令的方法。一般地，半封闭式控制动作速度快但位置精度低，而另一方面全封闭式控制位置精度高但动作速度低。这样，可以说精度和速度处于折衷关系。
[0006]在半封闭式控制下，似乎可以通过输出对抗反作用力的推力来避免电机的位置偏差。然而，在电机持续输出对抗反作用力的推力并且不存在位置偏差的情况下，无法进行反馈，从而结果是，简谐运动持续而不停歇。一旦简谐运动变为持续，则每次在正在操作的传递机构中发生扭转时产生的简谐运动都被放大，并且可能变成机械共振。
[0007]因此，即使在半封闭式控制下，如果运转速度(增益)增加，则由于来自传递机构的弹性力的反作用力导致的电机的位置偏差也无法被避免。如果由于要避免来自在传递机构的弹性力的反作用力导致的动力源的位置偏差，则即使在半封闭式控制中，运转速度(增益)也必须被降低并且需要进行对电机的驱动控制，使得不发生简谐运动。
[0008]因此，日本特开昭61-201304号公报提出了预先准备考虑到传递机构的机械刚性的运动方程式并且其计算结果被添加到半封闭式控制的命令值的半封闭式控制。这旨在同时实现精度和速度。
[0009]另一方面，日本特开平7-225615号公报提出了移动构件的位置由传感器检测并且从目标值中减去，根据位置的差来校正电机的位置，以及使移动构件的位置来参仿(copy)目标值的全封闭式控制。日本特开2011-176913号公报提出了获得示出振动的、移动构件的位置与电机的位置之间的差，并考虑到扭转刚度来计算转矩值，以及进行控制使得该转矩值与转矩目标值匹配的全封闭式控制。
[0010]日本特开昭61-201304号公报中的半封闭式控制能够进行利用了半封闭式控制的特性高速操作。然而，难以预测根据温度变化以及随时间推移而改变的传递误差，因此存在难以满足所需精度的问题。
[0011]另一方面，日本特开平7-225615号公报中的全封闭式控制存在由于无法测量振动现象、因此如提升运转速度(电机校正的增益)则会导致振荡的问题。由此，日本特开平7-225615号公报中的全封闭式控制具有动作速度(位置校正)迟滞的问题。
[0012]出于提高全封闭式控制的速度的目的，提出了日本特开2011-176913号公报。日本特开2011-176913号公报中的全封闭式控制采用如下结构:已消除造成位置校正的迟滞的首要因素，从而认为在机器人动作中能够同时实现精度和速度。然而，全封闭式控制在如下几点与半封闭式控制不同:在传感器与电机之间存在传递机构，并且传递机构的特征在于具有齿隙、摩擦、及以比上述简谐运动频率更高的固有振动。即使在日本专利特开2011-176913号公报中的全封闭式控制中，由于齿隙、摩擦、以及比上述简谐运动频率更高的固有振动，因此也存在如提升运转速度(电机校正的增益)则会导致振荡的问题。因此，即使在日本特开2011-176913号公报中的全封闭式控制中，也存在由于将发生高阶振动因此无法充分提高增益、因而无法进行高速驱动的问题。
【发明内容】
[0013]本发明提供一种针对能够快速精准地控制移动构件的移动的电机驱动设备的控制设备、多轴电机驱动设备的控制设备、以及针对该电机驱动设备的控制方法。
[0014]本发明提供一种针对被构造为经由连接到电机的传递机构进行移动构件的移动控制的电机驱动设备的控制设备。所述控制设备包括:推力控制单元，其被构造为基于输入的推力命令值生成用于所述电机的位置命令值；以及电机控制单元，其被构造为基于用于所述电机的所述位置命令值生成控制所述电机的电流值。所述电机控制单元根据电机位置检测单元的检测结果执行第一反馈控制，所述电机位置检测单元被构造为检测输出所述电机的旋转的输出构件的位置。所述推力控制单元根据推力检测单元的检测结果执行第二反馈控制，所述推力检测单元被构造为检测在所述移动构件上发生的推力。
[0015]本发明提供一种用于多轴电机驱动设备的控制设备，所述多轴电机驱动设备具有经由连接到电机的传递机构进行移动构件的移动控制的多个电机驱动设备，其中，以一个电机驱动设备的移动构件支撑另一电机驱动设备的电机的方式串联地连接。对应于各电机驱动设备，所述控制设备包括:驱动设备控制单元，其被构造为基于从外部输入的用于移动构件的位置命令值，来生成推力命令值；推力控制单元，其被构造为基于生成的所述推力命令值，来生成所述电机的位置命令值；以及电机控制单元，其被构造为基于用于所述电机的所述位置命令值，来生成控制所述电机的电流值。各电机控制单元根据电机位置检测单元的检测结果执行第一反馈控制，所述电机位置检测单元被构造为检测输出所述电机的旋转的输出构件的位置。各推力控制单元根据推力检测单元的检测结果执行第二反馈控制，所述推力检测单元被构造为检测在移动构件上发生的推力。各驱动设备控制单元根据来自被构造为检测所述移动构件的位置的移动构件位置检测单元的检测结果，来执行第三反馈控制。
[0016]本发明提供一种电机驱动设备的控制方法，所述电机驱动设备被构造为经由连接到电机的传递机构进行移动构件的移动控制。所述控制方法包括:推力控制过程，基于输入的推力命令值生成用于所述电机的位置命令值；电机控制过程，基于用于所述电机的所述位置命令值生成控制所述电机的电流值；以及反馈过程，其中根据被构造为检测输出所述电机的旋转的输出构件的位置的电机位置检测单元的检测结果，在所述电机控制过程中进行第一反馈控制，以及根据被构造为检测在所述移动构件上发生的推力的推力检测单元的检测结果，在所述推力控制过程中进行第二反馈控制。
[0017]根据本发明，推力控制单元根据检测在移动构件上发生的推力的推力检测单元的检测结果来执行第二反馈控制。相应地，经由传递机构传递至移动构件的推力可以参仿输入的推力命令值，从而可以使移动构件的操作精准。另外，在移动构件上生成的推力还包括根据温度变化以及随时间推移而改变的传递误差分量，从而可以执行有效抑制传递误差的反馈控制。
[0018]电机控制单元根据检测输出电机旋转的输出构件的位置的电机位置检测单元的检测结果来对由推力控制单元生成的电机的位置命令值执行第一反馈控制。在电机中发生的传递机构的弹性反作用包括由于在传递机构的齿隙、摩擦、固有振动等的效果导致的振动现象的分量，并且这些振动现象可以被快速地抑制。
[0019]以这种方式，在抑制由于传递机构引起的振动现象和传递误差的同时能够使得动作速度增加，这使得能够快速精准地进行移动构件的移动控制。另外，振动现象和传递误差的有效抑制意味着电机增益的fe正能够被提尚，而且动作速度能够被提尚。因此，能够实现具有全封闭式控制的精度以及相当于半封闭式控制的运动速度的布置。
[0020]根据以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。
【附图说明】
[0021]图1是例示单轴机器人系统的整体示意图。
[0022]图2是例示单轴机器人系统的示意图。
[0023]图3是例示根据第一实施例的控制器的控制系统的框图。
[0024]图4是例示根据第一实施例的控制的流程图。
[0025]图5A和图5B是例示单轴机器人的转矩控制的实验结果的图，图5A示出根据第一实施例的控制的实验结果，图5B示出根据比较示例的控制的实验结果。
[0026]图6是例示根据第二实施例的控制器的控制系统的框图。
[0027]图7是例示根据第三实施例的控制器的控制系统的框图。
[0028]图8是例不根据第二实施例的控制的流程图。
[0029]图9是例示根据第四实施例的控制器的控制系统的框图。
[0030]图10是例示根据第四实施例的控制的流程图。
[0031]图11是例示根据第五实施例的控制器的控制系统的框图。
[0032]图12是例示根据第五实施例的控制的流程图。
[0033]图13A和图13B是例示单轴机器人的位置控制的实验结果的图，图13A示出根据第五实施例的控制的实验结果，图13B示出根据比较示例的控制的实验结果。
[0034]图14是例示双轴机器人系统的整体示意图。
[0035]图15是例示双轴机器人系统中的根据第六实施例的控制器的控制系统的框图。
[0036]图16是根据第七实施例的关节的分解图。
[0037]图17是根据第七实施例的关节的示意图。
[0038]图18是根据第七实施例的关节的示意图。
[0039]图19是根据第七实施例的关节的示意图。
[0040]图20是根据第八实施例的关节的分解图。
[0041]图21是根据第八实施例的关节的示意图。
【具体实施方式】
[0042]第一实施例
[0043]以下将参照图1至图5B来描述本发明的第一实施例。图1是例示单轴机器人系统的整体示意图。图2是例示单轴机器人系统的示意图。