電機控制裝置制造方法
【專利摘要】用于進行串聯控制以驅動一個可移動部件的電機控制裝置，對于每個電機，所述電機控制裝置包括位置控制器，速度控制器和電流控制器。此外，每個電極還具有用于向由速度控制器計算的扭矩指令Tm以及由速度控制器計算的扭矩指令Ts增加預載扭矩。預載控制器根據可移動部件的位置計算要消除齒隙所需的最小必要預載扭矩。
【專利說明】電機控制裝置
[0001] 相關申請的交叉引用 本申請要求以于2013年4月12日提交的日本專利申請2013-083697為優先權，并在 此以引用的方式并入該申請的全部內容。

【技術領域】
[0002] 本發明涉及用于對多個電機進行串聯驅動的控制裝置，所述電機用在例如機床 中；本發明尤其涉及一種控制方法，該方法通過利用在要施加給電機的扭矩指令值上具有 不同極性的微扭矩進行補償，來消除來自動力傳遞機構的、引起控制中的不穩定性的因素， 所述動力傳遞機構通常包括位于電機與控制目標之間的皮帶或齒輪。此外，本發明涉及對 要施加給電機的電流進行控制，使該電流根據機器的狀態而改變。

【背景技術】
[0003] 當機器、例如機床，包括要移動的大型可移動部件，而又無法使用單一電機來驅動 時，將移動指令提供給多個電機，以進行串聯控制，其中，可移動部件在同一移動軸上的移 動是通過多個電機來驅動和控制的。
[0004] JP 2003-079180 A公開了一種串聯控制的電機控制裝置的技術，其使用主電機和 輔助電機來驅動一個可移動部件，所述串聯控制的電機控制裝置包括扭矩仲裁器，用于對 主控制裝置用的扭矩指令與輔助控制裝置用的扭矩指令之間的差進行低通濾波，以校準輔 助控制裝置用的扭矩指令。圖6是展示用在JP 2003-079180 A公開的串聯控制中的主要 部件的框圖。參見圖6,位置控制器(未圖示）基于用于控制可移動部件的位置的共同位置 指令，以及由位置探測器4探測的位置反饋信息，計算電機的速度指令。
[0005] 速度控制器11和21基于從位置控制器接收到的速度指令，以及由速度探測器15 和25探測的速度反饋信息，通過進行控制、如PI控制，分別計算扭矩指令Tm和Ts。扭矩仲 裁器40對主控制裝置用的扭矩指令Tm與輔助控制裝置用的扭矩指令Ts之間的差進行低 通濾波，并將結果添加至輔助控制裝置用的扭矩指令。電流控制器12和22基于扭矩指令 Tm和Ts以及電流反饋信息，計算電壓指令。電流反饋信息在此不作描述。
[0006] 基于電流控制器12和22輸出的電壓指令，伺服放大器13和23輸出用于驅動電 機14和24的驅動電流，并驅動電機14和24,這通過動力傳遞機構16和26使可移動部件 3移動。
[0007] 如上所述，多個電機14和24的位置、速度和電流環控制是基于共同位置指令進行 的，且可移動部件是由從電機14和24輸出的組合扭矩而驅動的。
[0008] JP 2010-172054 A公開了兩個串聯控制系統的技術：扭矩串聯控制和位置串聯控 制，包括用于對扭矩指令施加預載扭矩值、以使兩個電機之間的齒隙最小的校準器。圖7的 框圖展示了基于JP 2003-079180 A中公開的串聯控制的結構的主要部件，其包括用于施加 JP 2010-172054 A中公開的預載扭矩值的校準器。參見圖7,預載量輸出器70將假定為恒 定值的預載扭矩增加至主控制裝置用的扭矩指令Tm中，并將極性反轉的預載扭矩增加至 輔助控制裝置用的扭矩指令Ts中。
[0009] 然而，JP 2010-172054 A中公開的向兩個電機施加預載扭矩的技術不能應用在如 JP 2003-079180 A中公開的具有扭矩仲裁器的串聯控制的電機控制裝置中，其原因是，如 圖7所示，如果應用了，則當施加或移除預載扭矩時，會產生扭矩仲裁值，并且可移動部件 會產生位移。以下將描述當施加或移除預載扭矩時，產生位移的機制。速度控制器11和21 輸出扭矩指令Tm和Ts，每個用于基于速度探測器15或25的速度反饋信息，使速度偏差量 變為零。在該時刻，如果忽略扭矩仲裁器40,則由于扭矩指令Tm和Ts是假定為極性不同、 值相同的輸出，那么，從電機輸出的組合扭矩為零，且可移動部件不產生位移。然而實際上， 由于扭矩仲裁器40使輔助電機用的扭矩指令Ts被認為是一個不同于主電機用的扭矩指令 Tm的值，因此，從電機輸出的組合扭矩不為零，并且可移動部件產生了位移。
[0010] 因此，當機器的動力傳遞機構、如減速齒輪或齒輪具有大的齒隙或扭力矩時，由于 速度和位置控制環的增益的增大使得電機震蕩并導致產生振動或異常噪音，因此，應當降 低增益，但這會降低后續表現。當使減速齒輪或齒輪的齒隙或扭力矩結構性地減小時，應當 增大傳遞機構的剛度，并需要齒輪具有更高的精度(等級)，而這提高了成本。
[0011] 在具有如JP 2010-172054 A中公開的、用于施加預載扭矩值的校準器的串聯控制 的電機控制裝置中，當軸結構在重力影響下需要支撐扭矩時，由于扭矩指令中增加了支撐 扭矩和用于使齒隙最小化的預載扭矩，因此，電機產生更大的熱量。于是，更大的熱位移改 變了軸的中心，導致加工精度的降低，或使機器響應過載告警而停止以保護電機，導致加工 效率的降低。
[0012] 可用水來冷卻電機或機器，以作為一種使發熱引起的熱位移最小化的方法來解決 問題；然而，這種方法提高了成本。此外，雖然可通過使用具有更大的連續額定功率的電機、 以作為一種使電機發熱最小化的方法來解決問題，但是，電機容量的增大提高了成本，而 且，由于電機的容量增大了，這種方法使機器的尺寸變大并降低了機器的設計靈活性。


【發明內容】

[0013] 根據本發明的一個方面，提供了一種電機控制裝置，其使用主電機和輔助電機進 行串聯控制，以驅動一個可移動部件，對于該可移動部件，由重力引起的負載的量根據所述 可移動部件的位置而改變，對于每個電機，所述電機控制裝置包括：位置控制器，其用于基 于共同位置指令計算相應電機的速度指令，所述共同位置指令用于控制所述可移動部件的 位置；速度控制器，其用于基于由所述位置控制器計算的所述速度指令計算相應電機的扭 矩指令；預載控制器，其用于向由所述速度控制器計算的所述扭矩指令施加預載扭矩，所述 預載扭矩對于所述主電機和所述輔助電機具有相反的極性；以及電流控制器，其用于基于 所述扭矩指令計算相應電機的電流指令；其中，所述預載控制器使得要施加的預負荷扭矩 根據所述可移動部件的位置而改變。
[0014] 進一步地，在根據本發明的電機控制裝置中，預載控制器優選地施加作為預載扭 矩的一個值，該值通過預定參考扭矩乘以一系數而得到，所述系數根據所述可移動部件的 位置而改變，并且優選地，所述系數在關于給定原點對稱的常系數范圍之內是不變的，而在 所述常系數范圍之外隨著與所述原點距離的增大而減小。
[0015] 進一步地，在根據本發明的電機控制裝置中，要施加的預載扭矩優選地與用于將 所述可移動部件支撐在指令位置上的支撐扭矩之和保持恒定，而與所述可移動部件的位置 無關，所述支撐扭矩根據所述可移動部件的位置而改變。
[0016] 根據本發明的另一方面，提供了一種電機控制裝置，其用于使用主電機和輔助電 機進行串聯控制，以驅動一個可移動部件，對于每個電機，所述電機控制裝置包括：位置控 制器，其用于基于共同位置指令計算用于相應電機的速度指令，所述共同位置指令用于控 制所述可移動部件的位置；速度控制器，其用于基于由所述位置控制器計算的所述速度指 令計算相應電機的扭矩指令；預載控制器，其用于向由所述速度控制器計算的所述扭矩指 令施加預載扭矩，所述預載扭矩具有對于所述主電機和所述輔助電機的相反極性；以及電 流控制器，其用于基于所述扭矩指令計算相應電機的電流指令；其中，所述電機控制裝置進 一步包括扭矩仲裁器，其用于計算扭矩仲裁值，該扭矩仲裁值用于根據從施加或移除預載 扭矩后已過去的最少時間，對由主電機用的速度控制器所計算的扭矩指令與由輔助電機用 的速度控制器所計算的扭矩指令之間的差進行仲裁，并在扭矩指令被輸入輔助電機用的電 流控制器之前，將扭矩仲裁值增加至扭矩指令中。
[0017] 此外，在根據本發明的電機控制裝置中，扭矩仲裁器優選地輸出零作為扭矩仲裁 值，直到從施加或移除預載扭矩后過去的時間達到了預定參考時間段；并當從施加或移除 預載扭矩后過去的時間超過了預定參考時間段時，輸出通過對由主電機用的速度控制器所 計算的扭矩指令與由輔助電機用的速度控制器所計算的扭矩指令之間的差進行低通濾波 而獲得的值作為扭矩仲裁值。
[0018] 利用本發明，包括扭矩仲裁控制器和用于施加預載扭矩的預載控制器的串聯控制 電機控制裝置計算扭矩仲裁值，用于根據從施加或移除了預載扭矩后已過去的時間對輔助 電機用的扭矩指令進行校準。因此，有可能使預載扭矩引起的可移動部件的位移最小化。
[0019] 此外，通過使預載扭矩依據可移動部件的位置而改變，當軸在重力作用下需要支 撐扭矩時，有可能避免電機發出更多熱量的情形，這是因為扭矩指令中增加了支撐扭矩和 預載扭矩；并且，由于熱位移最小化了，有可能防止加工精度的降低，或響應過載告警而停 止機器以保護電機。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 以下將結合附圖，詳細描述本發明的優選實施例，其中： 圖1是根據本發明一個實施例的串聯控制電機控制裝置的控制系統框圖，該控制系統 具有扭矩仲裁控制器和用于施加預載扭矩的預載控制器； 圖2A和2B是應用本發明的動力傳遞機構的模型圖； 圖3展示了應用本發明的、在重力作用下的軸； 圖4是展示圖1所示的扭矩仲裁控制器的框圖； 圖5示例了用于計算要施加至重力作用下的機構上的預載可變量的一個函數，該預載 可變量由圖1所示的預載量計算器6計算； 圖6是展示現有技術串聯控制用的主要部件的框圖； 圖7是展示施加了預載扭矩的現有技術串聯控制用的主要部件的框圖。

【具體實施方式】
[0021] 參考附圖，以下將描述本發明的一個實施例。除非另有所指，否則標示有相同附圖 標記或數字的元件、信號等具有相同的功能和相同的性能。
[0022] 圖1是根據本發明一個實施例的串聯控制電機控制裝置的控制系統框圖，該控制 系統具有扭矩仲裁控制器和用于施加預載扭矩的預載控制器。與現有技術相對應的部件在 此不重復描述。
[0023] 參見圖1，預載控制器10包括預載量控制器6,用于基于位置探測器4探測的位置 信息計算和輸出預載量，還包括預載固定量輸出器5,用于輸出預載固定量。預載控制器10 具有這樣的功能：確定預載量改變功能--即改變預載量的功能--是開還是關，以選擇 要輸出的預載扭矩。通過在可移動部件不受重力影響時關閉預載量改變功能，機構能通過 施加恒定的預載而使齒隙最小化；而通過在可移動部件正處于重力影響下打開預載量改變 功能，可根據要被驅動的機構來選擇預載扭矩。用于預載量的可變值根據可移動部件(例如 機器狀態或旋轉軸角度)的位置而改變。已輸出的預載扭矩被添加至速度控制器11計算出 的扭矩指令值Tm，并在反相器8將極性反轉后添加至扭矩指令值Ts。
[0024] 圖4是展示圖1所示的扭矩仲裁控制器9的框圖。該扭矩仲裁控制器9包括如JP 2003-079180 A中公開的扭矩仲裁器40、用于輸出零的零值輸出器41、以及開關47,所述開 關47用于根據預載扭矩應用計數器從扭矩仲裁器40和零值輸出器41的輸出中選擇一個。
[0025] 當預載扭矩應用計數器小于或等于設定的計數器上限值時，開關47選擇來自零 值輸出器41的輸出；當預載扭矩應用計數器超出設定的計數器上限值時，開關47選擇來自 扭矩仲裁器40的輸出。
[0026] 預載扭矩應用計數器從0開始，在預載扭矩未改變時不增大，從開始施加或移除 預載扭矩的時刻開始增大，并在預載扭矩應用計數器超過設定的計數器上限值后停止增 大。當開始移除或施加預載扭矩時，計數器重置為〇。在開始施加預載扭矩后，計數器上限 值設定一段時間，直到電機14或24的速度偏差歸于0。
[0027] 在施加或移除預載后，在電機14或24仍有速度偏差量時，扭矩仲裁控制器9將扭 矩仲裁值設定為零。從速度偏差量開始變為零的時刻開始，扭矩仲裁控制器9將扭矩仲裁 器40輸出的扭矩仲裁值增加至輔助電機用的扭矩指令。這樣，可防止可移動部件產生位 移。
[0028] 圖2A和2B是應用本發明的動力傳遞機構的模型圖。圖2A展示了用于將動力從 電機經齒輪傳遞至可移動部件的機構，其中齒隙存在于可移動部件齒輪20與主電機齒輪 28之間，以及可移動部件齒輪20與輔助電機齒輪29之間。在這樣的機構中，當圖6所示的 現有技術中的速度和位置控制環的增益增大時，由于齒隙使電機振蕩以產生振動或異常噪 音，因此無法增大增益。
[0029] 圖2B展示的是施加具有針對主電機和輔助電機的不同極性的預載，因而可使齒 隙最小化。在圖7所示的現有技術，以及圖1所示的本發明中，通過將具有不同極性的預載 扭矩增加至扭矩指令Tm和Ts，來使齒隙最小化。
[0030] 圖3展示了應用本發明的、在重力作用下的軸。圖3示意了耳軸結構的操作，該耳 軸結構用在例如機床中。耳軸結構通過向旋轉軸的中央30施加動力，經臂31驅動物體32。 在軸驅動方向上的重力的影響取決于旋轉角度而有所不同，并且，施加了用于抵消重力影 響的支撐扭矩。在軸驅動方向上重力影響為最小的位置假定是在〇度時，支撐扭矩由Μ X g X sin Θ表示，其中Μ表示物體32的質量，g表示重力加速度，Θ表示旋轉角度。
[0031] 當耳軸結構受使用齒輪作為動力傳遞機構的串聯控制電機控制裝置驅動和控制 時，由于用于電機的扭矩指令包括支撐扭矩和預載扭矩，因此，施加預載扭矩以使齒隙最小 化的行為增大了發熱量。因此，可能產生過載告警來保護電機。此外，由于對主電機和輔助 電機施加了具有不同極性的預載扭矩，因此，電機的發熱可能不平衡，這會導致驅動軸不再 對齊。因此，為使電機發熱最小化，以及使重力影響下的機構中的齒隙最小化，有必要控制 要施加的預載扭矩，從而將支撐扭矩與要施加的預載扭矩之和調節為等于消除齒隙的最小 必要扭矩。以耳軸結構為例，預載扭矩理想地是從To中減去Μ X g X sine得到的值， 其中Θ表示旋轉角度，To表示在0度角度時施加的預載扭矩。此處，當假定在角度Θ處 施加的支撐扭矩是K,時，由于等式K, = Μ X g X sin Θ，因此，在角度Θ處要施加的預載 扭矩1--由等式Tff· = To - 確定，并且，還可考慮到，預載扭矩T,與支撐扭矩K,之和理 想地保持為等于恒定值To。
[0032] 圖5展示了函數的一個例子，所述函數用于計算要施加至重力作用下的機構上的 預載可變量，其由圖1所示的預載控制器10來計算。圖5所示的函數表示可變系數K (K < 1)，預載扭矩乘以該系數。可變系數K在位于（_ΘΡ)和ΘΡ之間范圍的區域A為1，在 區域A外的范圍發生改變，形成正弦波，其中，在Θ = 90度的位置處可變系數K最小。下 式1表示可變系數K : K = 1 ((- Θ P)〈 Θ〈 Θ P) K = 1 - α X sin Θ a ((-90) ^ θ <(-θρ)，和 θρ< θ < 90) 其中，0a=(0 - Θρ)χ 90 / (90 - θρ) 在此，θ表示可移動部件的角度，θρ表示恒定預載范圍，表示α最小校正系數值（〇 < α < 1)。參見圖5,函數"a"，即51，表示通過將等式1中的α替換為1而得到的可變 系數Κ，而函數"b"，即50,表示通過將等式1中的α替換為非1的值而得到的可變系數Κ。
[0033] 在圖5所示的函數"a"51或函數"b"50中，可根據例如動力傳遞機構中的齒隙或 扭力矩來設定區域A，即（_Θ Ρ)〈 Θ〈 ΘΡ的范圍。由于在接近〇度時重力影響小，因此， 上述方法在需要大的預載扭矩量的機構中是有效的。例如，在一個需要使〇度到接近45度 的角度處可變系數Κ彡0.5的機構中，基于式1，Θ Ρ可設定為大于或等于22.5 (ΘΡ彡 22. 5)。自然地，如果例如在接近0度的角度處齒隙或扭力矩不明顯，則無需提供區域Α。在 函數"b"、即50中，可根據例如接近90度角度處的反沖或扭力矩來設定90度角度處設置的 偏移量B (1 - α)。在一個接近90度角度處的支撐扭矩不足以使齒隙最小化的機構中， 上述方法是有效的。例如，在一個在90度角度處施加的支撐扭矩為要消除齒隙需要的預載 扭矩的0.7倍的機構中，可將α設定為等于0.3 (α = 0.3)。自然地，如果僅利用接近90 度角度處的支撐扭矩便可消除齒隙，則沒有必要提供偏移量Β。
[0034] 通過使用函數"a"、即51，或函數"b"、即50來計算預載扭矩，將支撐扭矩與要施加 的預載扭矩之和調節為等于要消除齒隙的最小必要扭矩，并且，有可能使電機發熱最小化 并消除齒隙。
[0035] 盡管前述說明中未描述，然而，可通過在主機控制設備、主控制設備或輔助控制設 備其中一個進行的計算來執行預載控制器10。此外，盡管描述的是利用來自位置探測器的 位置反饋信息計算預載可變量，然而，也可從主機控制設備中的位置指令來計算預載可變 量。
【權利要求】
1. 電機控制裝置，其使用主電機和輔助電機進行串聯控制來驅動一個可移動部件，對 于該可移動部件，由重力引起的負載量根據可移動部件的位置而改變，對于每個電機，所述 電機控制裝置包括： 位置控制器，其基于共同位置指令來計算相應電機的速度指令，所述共同位置指令用 于控制所述可移動部件的位置； 速度控制器，其用于基于由所述位置控制器計算的所述速度指令來計算相應電機的扭 矩指令； 預載控制器，其用于向由所述速度控制器計算的所述扭矩指令施加預載扭矩，所述預 載扭矩對所述主電機和所述輔助電機具有相反極性；以及 電流控制器，其用于基于所述扭矩指令計算用于相應電機的電流指令； 其中，所述預載控制器使得要施加的預載扭矩根據所述可移動部件的位置而改變。
2. 根據權利要求1所述的電機控制裝置，其中，所述預載控制器施加所述預載扭矩，該 預載扭矩是由預定參考扭矩乘以一系數得到的值，所述系數根據所述可移動部件的位置而 改變，并且所述系數在關于給定原點對稱的常系數范圍內是不變的，而在所述常系數范圍 外隨著到所述原點的距離增大而減小。
3. 根據權利要求2所述的電機控制裝置，其中，要施加的預載扭矩與用于將所述可移 動部件支撐在指令位置上的支撐扭矩之和保持恒定，而與所述可移動部件的位置無關，其 中，所述支撐扭矩根據所述可移動部件的位置而改變。
4. 電機控制裝置，其使用主電機和輔助電機進行串聯控制以驅動一個可移動部件，對 于每個電機，所述電機控制裝置包括： 位置控制器，其用于基于共同位置指令計算相應電機的速度指令，所述共同位置指令 用于控制所述可移動部件的位置； 速度控制器，其用于基于由所述位置控制器計算的所述速度指令計算相應電機的扭矩 指令； 預載控制器，其用于向由所述速度控制器計算的所述扭矩指令施加預載扭矩，所述預 載扭矩對于所述主電機和所述輔助電機具有相反極性；以及 電流控制器，其用于基于所述扭矩指令計算相應電機的電流指令； 其中，所述電機控制裝置進一步包括扭矩仲裁器，其用于根據從施加或移除所述預載 扭矩后已過去的最少時間，對由所述主電機用的速度控制器所計算的扭矩指令與由所述輔 助電機用的速度控制器所計算的扭矩指令之間的差進行仲裁，并在所述扭矩指令被輸入所 述輔助電機用的電流控制器之前，將扭矩仲裁值增加至所述扭矩指令中。
5. 根據權利要求4所述的電機，其中， 所述扭矩仲裁器輸出零作為扭矩仲裁值，直到從施加或移除所述預載扭矩后過去的時 間達到預定參考時間段；并當從施加或移除所述預載扭矩后過去的時間超過預定參考時間 段時，輸出通過對由所述主電機用的速度控制器所計算的扭矩指令與由所述輔助電機用的 速度控制器所計算的扭矩指令之間的差進行低通濾波而獲得的值作為扭矩仲裁值。
【文檔編號】H02P5/52GK104104280SQ201410147499
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月14日 優先權日:2013年4月12日
【發明者】酒井健史, 佐竹明喜 申請人:大隈株式會社