电机控制系统的制作方法

本发明涉及电机控制系统。

背景技术：

近年来，伺服电机应用于机械臂的关节中，例如用于以高精确度驱动构成机械臂的连杆。在日本专利申请公布第2004-80973(jp2004-80973a)号中，公开了一种使用全封闭控制方法的电机控制系统，该电机控制系统基于电机的速度信号来执行速度控制，并且基于由电机驱动的负载构件的位置信号来执行位置控制。

技术实现要素：

本发明人和其他人发现了关于电机控制系统的如下问题。jp2004-80973a中公开的全封闭控制类型的电机控制系统总体上包括：输出轴旋转角传感器，其检测输出轴的旋转角θl，其中该输出轴被固定至由电机驱动的负载构件；另外还有电机轴旋转角传感器，其检测电机的电机轴的旋转角θm。因此，可以以高准确度来执行位置控制。然而，电机控制系统的配置可能导致系统的尺寸的增加，以及制造成本的增加。

另一方面，在未提供输出轴旋转角传感器的情况下，考虑使用通过将电机轴的旋转角θm除以减速比r而获得的θm/r作为输出轴的旋转角θl，以简单地执行控制。然而，如此获得的旋转角θl可能由于轴扭转而与输出轴的实际旋转角θl偏离，因此位置控制可能不能准确地执行。

本发明提供了一种可以在不使用任何输出轴旋转角传感器的情况下以高准确度来执行位置控制的电机控制系统。

根据本发明的一方面的电机控制系统包括：电机；旋转角传感器，其检测电机的电机轴的旋转角；扭矩传感器，其检测电机轴与输出轴之间的轴扭转扭矩，其中该输出轴被固定至由电机驱动的负载构件；以及电机控制器，其控制电机。电机控制器基于以下因素来估计输出轴的旋转角：由旋转角传感器检测的电机轴的旋转角、由扭矩传感器检测的轴扭转扭矩、以及关于电机轴与输出轴之间的区域预先获得的扭转刚度；并且电机控制器使用所估计的输出轴的旋转角来控制电机。

根据本发明的上述方面的电机控制系统基于以下因素来估计输出轴的旋转角：由扭矩传感器检测的轴扭转扭矩，以及关于电机轴与输出轴之间的区域预先获得的扭转刚度，另外还有旋转角传感器检测的电机轴的旋转角。因此，该系统可以在不使用任何输出轴旋转角传感器的情况下以高准确度来执行位置控制。

在如上所述的电机控制系统中，扭转刚度的值可以根据由扭矩传感器检测的轴扭转扭矩而变化。利用该布置，可以以进一步提高的准确度来估计输出轴的旋转角，并且可以以进一步提高的准确度来执行位置控制。

在如上所述的电机控制系统中，可以基于以下因素来估计输出轴的旋转角速度和旋转角加速度中的至少一个：由旋转角传感器检测的电机轴的旋转角、由扭矩传感器检测的轴扭转扭矩、以及关于电机轴与输出轴之间的区域预先获得的扭转刚度；并且可以基于所估计的输出轴的旋转角速度和旋转角加速度中的至少一个来估计输出轴的旋转角。利用该布置，可以提高抗噪性。

根据本发明，可以提供能够在不使用任何输出轴旋转角传感器的情况下以高准确度来执行位置控制的电机控制系统。

附图说明

下面将参照附图来描述本发明的例示性实施方式的特征、优点以及技术意义和工业意义，其中，相同的附图标记表示相同的要素，并且在附图中：

图1是示出根据第一实施方式的电机控制系统的框图；

图2是示出扭转角相对于轴扭转扭矩的变化的曲线图；以及

图3是示出图1示出的电机控制系统中的各种参数(电机轴旋转角θm、电机轴扭矩τм、输出轴旋转角θl、输出轴扭矩τl)之间的关系的框图。

具体实施方式

将参照附图来详细描述本发明的一些实施方式。然而，要被理解的是，本发明不限于以下实施方式。另外，为了解释的清晰性，根据需要简化了以下描述和附图。

<电机控制系统的配置>

首先，将参照图1来描述根据第一实施方式的电机控制系统。图1示出根据第一实施方式的电机控制系统。如图1所示，根据该实施方式的电机控制系统1包括电机mt、减速器rd、电机轴旋转角传感器as、扭矩传感器ts以及电机控制器mc。电机mt经由减速器rd驱动作为负载构件的连杆ln。例如，根据该实施方式的电机控制系统1是设置在机械臂的关节中的伺服电机的控制系统，用于驱动构成机械臂的连杆ln。

例如，电机mt是ac伺服电机。电机mt基于从电机控制器mc发出的控制信号ctr来驱动连杆ln。例如，控制信号ctr是脉宽调制(pwm)信号。电机mt包括检测流经电机mt的三相交流电流(其将被称作“电机电流”)iu、iv、iw的电流传感器cs。由电流传感器cs检测的电机电流iu、iv、iw被反馈至电机控制器mc。在图1中，还指示了应用于电机轴的扭矩或电机轴扭矩τм。

例如，减速器rd是应变波传动装置(strainwavegearing)，并且被设置在电机mt的电机轴与固定至连杆ln的输出轴之间。减速器rd将电机mt的电机轴的旋转速度减小至1/r(r：减速比)，并且将所得到的旋转传送到固定至连杆ln的输出轴。

扭矩传感器ts检测在电机mt的电机轴与固定至连杆ln的输出轴之间产生的轴扭转扭矩τmsr。轴扭转扭矩τmsr是利用扭矩传感器ts的应变仪测量的应变量s与应变测量单元的刚度系数kstrain的乘积s×kstrain。由扭矩传感器ts检测的轴扭转扭矩τmsr被传送至电机控制器mc。在图1中，还标示了应用于输出轴的扭矩或输出轴扭矩τl。

电机轴旋转角传感器as是检测电机mt的电机轴的旋转角或电机轴旋转角θm的编码器。由电机轴旋转角传感器as检测的电机轴旋转角θm被传送至电机控制器mc。

电机控制器mc基于三个信号来控制电机mt，更具体地，基于由电流传感器cs检测的电机电流iu、iv、iw、由扭矩传感器ts检测的轴扭转扭矩τmsr以及由电机轴旋转角传感器as检测的电机轴旋转角θm来控制电机mt。

此处，电机控制器mc基于轴扭转扭矩τmsr和电机轴旋转角θm来估计固定至连杆ln的输出轴的旋转角或输出轴旋转角θl，并且控制电机mt。随后将详细描述由电机控制器mc来估计输出轴旋转角θl的方法。

虽然图1未示出，但是电机控制器mc包括计算单元如cpu(中央处理单元)和存储了各种控制程序、数据等的存储单元如ram(随机存取存储器)和rom(只读存储器)。

<估计输出轴旋转角θl的方法>

在下文中，将描述由电机控制器mc来估计输出轴旋转角θl的方法。可以使用电机轴旋转角θm、输出轴旋转角θl和减速比r将从电机轴到输出轴的扭转角表示为θm-r×θl。在扭转角θm-r×θl、从电机轴到输出轴的区域的扭转刚度k和由扭矩传感器ts检测的轴扭转扭矩τmsr之间建立如在以下公式(1)中指示的关系。

相应地，可以根据从上述公式(1)导出的如下公式(2)来估计输出轴旋转角θl。

因此，根据第一实施方式的电机控制系统使用以下因素来估计输出轴旋转角θl：从电机轴到输出轴的区域的扭转刚度k，以及由扭矩传感器ts检测的轴扭转扭矩τmsr，另外还有电机轴的旋转角θm和减速比r。因此，与通过将电机轴的旋转角除以减速比r而获得的θm/r简单地被用作输出轴的旋转角θl的情况相比，位置控制可以以更高的准确度来执行。也就是说，根据第一实施方式的电机控制系统可以在不使用任何输出轴旋转角传感器的情况下以高准确度来执行位置控制。

如图1所示，基于减速器rd具有的刚度和扭矩传感器ts具有的刚度来确定用于估计输出轴旋转角θl的扭转刚度k。预先获得的扭转刚度k的值存储在电机控制器mc内的存储单元中。虽然扭转刚度k的值可以被设置为恒定值，但是它实际上根据轴扭转扭矩的值而变化。因此，用于估计输出轴旋转角θl的扭转刚度k的值可以根据由扭矩传感器ts检测的轴扭转扭矩τmsr的值而变化，使得以较高的准确度来估计输出轴旋转角θl。

<确定扭转刚度k的方法>

接下来参照图2，将描述确定扭转刚度k的值的方法的一个示例。图2是示出扭转角相对于轴扭转扭矩的变化的曲线图。如图2的实际曲线所指示的，扭转角变化，使得：随着轴扭转扭矩变得更大，相对于轴扭转扭矩的增加量的扭转角的增加量逐渐减小。在每个扭转扭矩的值处的扭转刚度k的值是实际曲线的切线的斜率的倒数，并且逐渐变化。因此，如果要再现实际曲线，则扭转刚度k的值的数据量变得非常大。

因此，如图2的近似折线所指示的，由折线来近似扭转角相对于轴扭转扭矩的变化。例如，如图2所示，在轴扭转扭矩的值在0与t1之间的段中，扭转刚度k等于k1，而在轴扭转扭矩的值在t1与t2之间的段中，扭转刚度k等于k2，而在轴扭转扭矩的值在t2与t3之间的段中，扭转刚度k等于k3。

在这种情况下，当由扭矩传感器ts检测的轴扭转扭矩τmsr的值在0与t1之间时，可以使用扭转刚度k＝k1由如下公式(3)来表示扭转角θm-r×θl。

相应地，可以根据从上述公式(3)导出的如下公式(4)来估计输出轴旋转角θl。

另外，当由扭矩传感器ts检测的轴扭转扭矩τmsr的值在t1与t2之间时，可以使用扭转刚度k＝k2和在轴扭转扭矩t1处的扭转角θ1由如下公式(5)来表示扭转角θm-r×θl。

相应地，可以根据从上述公式(5)导出的如下公式(6)来估计输出轴旋转角θl。

类似地，当由扭矩传感器ts检测的轴扭转扭矩τmsr的值在t2与t3之间时，可以使用扭转刚度k＝k3和在轴扭转扭矩t2处的扭转角θ2由如下公式(7)来表示扭转角θm-r×θl。

相应地，可以根据从上述公式(7)导出的如下公式(8)来估计输出轴旋转角θl。

如上所述，轴扭转扭矩的值被分成两个或更多个段，将每个段中的扭转刚度k设置为恒定值，使得：可以减少扭转刚度k的数据量，并且可以以高准确度来估计输出轴旋转角θl。

接下来，将参照图3来描述根据第二实施方式的电机控制系统。图3示出图1示出的电机控制系统中的各种参数(电机轴旋转角θm、电机轴扭矩τм、输出轴旋转角θl、输出轴扭矩τl)之间的关系。在图3中，s表示微分，而1/s表示积分。

如图3所示，由扭矩传感器ts将作为扭转角θm-r×θl和在电机mt与连杆ln之间的扭转刚度k的乘积的k×(θm-r×θl)检测为轴扭转扭矩τmsr。

参照图3，可以使用电机mt的惯性力矩jm和粘滞摩擦系数bm由如下公式(9)来表示电机mt的旋转的运动公式。

参照图3，可以使用连杆ln的惯性力矩jl和粘滞摩擦系数bl由如下公式(10)来表示连杆ln的旋转的运动公式。

根据以上的公式(9)和公式(10)，可以使用矩阵由如下公式(11)来表示电机控制系统的状态的公式。

如果公式(11)中的矩阵和变量(电机轴扭矩τм)由以下指示的符号来表示，那么可以将公式(11)表示为如下公式(12)。

在公式(12)中，x表示变量，而u表示输入。也就是说，公式(11)中的电机轴扭矩τм是作为输入的扭矩命令值。

另一方面，关于可以测量的电机轴旋转角θm和轴扭转扭矩τmsr的输出公式可以由如下公式(13)来表示。

如果公式(13)中的矩阵由以下指示的符号来表示，那么可以将公式(13)表示为如下公式(14)。

可以使用观测器方法根据如下公式(15)来估计变量x，该观测器方法根据作为状态公式的公式(12)和作为输出公式的公式(14)。此处，由于输出轴旋转角θl被包括在变量x中，因此可以估计输出轴旋转角θl。在如下公式(15)中，将变量x的估计值表示为x^。

如公式(15)中指示的，在根据第二实施方式的电机控制系统中，通过使用变量x的微分来估计变量x。如上所述，除了输出轴的旋转角θl之外，变量x还包括通过对输出轴的旋转角θl进行微分而获得的输出轴的旋转角速度。因此，在根据第二实施方式的电机控制系统中，通过使用以下因素中的至少一个来估计输出轴旋转角θl：通过对输出轴的旋转角θl进行微分而获得的输出轴的旋转角速度，以及通过对输出轴的旋转角θl进行二次微分而获得的输出轴的旋转角加速度。

以上指示的公式(公式(15))表示：将使用变量x的估计值x^的测量值y的估计值cx^与实际测量值y进行比较，并且根据这些值之间的差y-cx^来校正估计值x^。在公式(15)中，常量l是确定校正量的增益。虽然估计值x^在l较大时收敛得更快，但是如果l过于大，那么由于测量值y的噪声，估计值x^可能不收敛。

如上所述，在根据第二实施方式的电机控制系统中，将测量值y的估计值cx^与实际测量值y进行比较，并且根据这些值之间的差y-cx^来校正估计值x^。因此，第二实施方式的系统与直接使用测量值的第一实施方式的系统相比具有较高的抗噪性。因此，根据第二实施方式的电机控制系统可以在不使用输出轴旋转角传感器的情况下以高准确度来执行位置控制。

要被理解的是，本发明不限于上述实施方式，而是可以在不背离本发明的范围的情况下根据需要修改实施方式。