CN114503425A - 电动机控制装置和电动机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的用于对电动机供电的电动机控制装置，其中电动机控制装置具有用于保存位置修正数据和电动机的机械原点位置的信息的存储部，电动机控制装置使用从外部输入的位置指令和位置修正数据来生成修正后位置指令，基于修正后位置指令和从编码器输入的位置信息来转换要提供给电动机的电功率，位置修正数据是将修正位置和修正量相关联地记录的数据，修正位置的开始位置与机械原点位置不同。

Description

电动机控制装置和电动机控制方法

技术领域

本发明涉及电动机控制装置和电动机控制方法。特别涉及使用来自编码器的位置信息控制电动机的电动机控制装置和电动机控制方法。

背景技术

伺服电机例如被用于机器人的驱动和金属加工机、半导体制造装置等，要求与通常的电动机相比更自由地动作。特别是关于旋转速度、转矩、定位，要求对于用户的指令高精度地追随。通常，伺服电机附带有监视电动机位置用的编码器，电动机控制装置使用来自编码器的位置信息进行电动机的位置控制。

但是，因编码器与电动机的组装误差、编码器自身的分辨性能、电动机与其前端的负载的组装误差等，即使按照来自伺服电机控制装置的指令值控制电动机，也存在成为与用户的意愿不同的位置的情况。

作为关于定位提高精度的现有技术，例如可以举出专利文献1。专利文献1中，公开了能够用伺服电机和伺服电机控制装置高精度地进行位置控制的系统。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-292898号公报

发明内容

发明要解决的课题

专利文献1中，公开了在伺服电机中安装的通常的编码器之外，也同时使用昂贵的绝对位置计测用高分辨能力编码器，利用编码器与高分辨能力编码器的脉冲数的差异，用于位置控制时的修正。

但是，专利文献1中是在高分辨能力编码器的值绝对准确这一前提下进行修正，但实际的装置中，组装误差完全是0的状况非常少，使用高分辨能力编码器进行的修正并不现实。另外，因为高分辨能力编码器是昂贵的，所以存在想要用其他位置测定单元代替的需求。进而，实际应用伺服电机的场景下，需要先进的位置控制的区间并非从机械原点位置开始的情况较多，用专利文献1的技术中的定位控制难以应对这样的装置。

用于解决课题的技术方案

为了解决上述课题，采用要求的权利范围中记载的结构。举其一例，是一种用于对电动机供电的电动机控制装置，其中所述电动机控制装置具有用于保存位置修正数据和电动机的机械原点位置的信息的存储部，所述电动机控制装置使用从外部输入的位置指令和所述位置修正数据来生成修正后位置指令，基于所述修正后位置指令和从编码器输入的位置信息来转换要提供给所述电动机的电功率，所述位置修正数据是将修正位置和修正量相关联地记录的数据，所述修正位置的开始位置与所述机械原点位置不同。

发明效果

根据本发明，能够提供一种低成本且能够进行与安装电动机的装置的使用方式相应的位置控制的电动机控制装置和电动机控制方法。

附图说明

图1是表示应用了本发明的实施例1中的整体结构的图。

图2是表示应用了本发明的实施例1中的电动机和负载的结构的图。

图3是表示应用了本发明的实施例1中的位置修正数据的一例的图。

图4是表示应用了本发明的实施例1中的电动机控制装置内的结构的图。

图5是表示应用了本发明的实施例1中的位置指令生成器的结构的图。

图6是表示应用了本发明的实施例1中的位置指令生成器的处理流程的图。

图7是表示应用了本发明的实施例1中的位置修正数据的一例的图。

图8是说明应用了本发明的实施例1中的位置的偏差量的概念图。

图9是表示应用了本发明的实施例2中的电动机和负载的结构的图。

图10A是表示应用了本发明的实施例3中的电动机和负载的结构的图。

图10B是表示应用了本发明的实施例3中的电动机和负载的结构的图。

具体实施方式

以下，对于应用了本发明的实施方式参考附图进行说明。首先使用图1、图2说明用于位置修正的数据的获取方法。

实施例1

在图1中示出包括应用了本发明的伺服电机控制装置的整体系统的结构例。用于位置修正的系统，包括作为位置测定的对象的伺服电机1、获取伺服电机1的旋转位置信息的编码器2、控制伺服电机(以下简称为“电动机”)的伺服放大器等电动机控制装置5、绝对位置测定单元3、安装了对绝对位置测定单元3和伺服电机1的误差进行计测处理的程序的个人计算机等信息处理装置6、与伺服电机1的旋转动作相应地驱动的负载8、将伺服电机1与负载8连结的连接器7、在负载8上安装的工作对象9。绝对位置测定单元3例如是激光测长器等，负载8例如是滚珠丝杠或皮带、齿轮、链条等将伺服电极的动力传递至工作对象9的单元。另外，图1中关于电动机1举出旋转型的电动机为例进行了说明，但也能够将本发明应用于直线电机这样用定子和动子固定并直线状地驱动的电动机。

在图2中示出电动机和负载部分的结构例。是表示在电动机1上组装的负载即滚珠丝杠8和作为工作对象的台座9的结构例的图。是通过连接器7组装于电动机1的滚珠丝杠8与电动机1的旋转动作相应地旋转、使滚珠丝杠8上安装的工作对象(此处举出台座为例进行说明)9移动至与工作对象装置20相同的位置的结构。这样的结构例如被应用于半导体制造装置等。

例如，假设要使台座9从机械原点位置Homeposition(原点位置)移动10mm至工作位置Workpoint(工作点)1。使台座9移动10mm所需的电动机1的移动量是100000pulse时，如果全部部件都被理想地组装，则从编码器反馈的脉冲数是100000时台座9应当已移动至距离机械原点位置10mm的位置。但是，实际上台座9的位置是10.006mm的情况下，需要进行0.006mm的误差的修正。于是，用以下方法实施生成位置修正数据400用的位置测定。

首先，将伺服电机1与负载8组装时，用户将工作对象9的物理位置规定为原点。通常，规定为负载8的可动范围的端部等的情况较多。将与该原点对应的伺服电机1的转子位置作为机械原点存储在电动机控制装置5中。具体而言，通过用户目视或用传感器确定与原点对应的位置，将该时刻的编码器的脉冲信息作为机械原点位置存储在电动机控制装置5中。

使电动机1旋转而使工作对象9从这样规定的机械原点位置移动至任意的修正开始位置。使其从修正开始位置移动至任意位置，用绝对位置测定单元3测定此时的绝对位置，由信息处理装置6进行与用编码器2测定得到的位置的比较。关于数据的测定，例如像使电动机从修正开始位置起移动1°时的编码器的脉冲数和绝对位置、使其从修正开始位置起移动2°的脉冲数和绝对位置、……这样地测定从修正开始位置移动至修正结束位置X°的共计X个数据。对于每个该数据，计算出绝对位置与编码器的脉冲信息的偏差，作为位置修正数据400保存在电动机控制装置5中。这些数据例如被作为表格式的数据文件输出。

此时，信息处理装置6使用将从编码器输出的脉冲数换算为实际的距离用的距离换算数据生成位置修正数据。距离换算数据指的是例如编码器的1个脉冲实际上是多少μ米这样的数据。由此，信息处理装置6根据从编码器输入的脉冲数求出电动机控制装置5指定的距离，通过与用绝对位置计测单元3计测得到的距离进行比较来测定误差，生成应当进行相当于多少个脉冲的修正的数据。

修正开始位置并不需要与机械原点位置相同。例如图2中，台座9移动至与工作对象装置20相对的位置的情况下，需要高精度地进行定位的区间是与工作对象装置20相对的区间，是图中的Workrange(工作范围)的范围内。并不与工作对象装置20相对的区间即Moverange(移动范围)是用于移动的区间，并不要求该范围内的定位精度。因此，即使机械原点位置是Homeposition，修正开始位置Pstart和修正结束位置Pend也设定为与Workrange的开始/结束位置相同，由此能够仅在组装电动机的装置需要的范围内生成位置修正数据400。这样，通过将能够进行定位修正的范围设为任意的开始位置和区间，能够不生成不必要的范围的位置修正数据400地，有效地应用电动机控制装置5内的有限的容量。

另外，数据测定位置的间隔N不限于1°，可以是0.01°或3°等任意的间隔，数据的范围也可以是直到360°或直到720°等任意的范围。测定位置的间隔越细，则能够进行越精密的位置修正，另一方面，如果数据量变得庞大，则信息处理装置6中的处理耗费时间，保存位置修正数据400的电动机控制装置5内的存储容量也会增多。数据间隔N和数据个数X能够与工作对象9的可动范围相应地由用户任意地设定。

图3是以表格式保存位置修正数据400的例子。在第一列保存了进行修正的修正位置N(x)，N(0)对应于图2中的修正开始位置Pstart的位置，N(X)对应于修正结束位置Pend的位置。在第二列保存了对于第一列中保存的位置应用的修正脉冲Pofst(X)的值。该位置修正数据由信息处理装置6生成，被保存在电动机控制装置5内的存储部中，在进行位置修正时由位置修正器30读取并使用。

接着，使用图4、图5说明使用生成的位置修正数据400的电动机控制方法。

在图4中示出应用了本发明的实施例的电动机控制装置5的整体概略结构图。电动机1由定子和动子(未图示)构成，负载8是被电动机1驱动的驱动对象负载。电动机控制装置5是对电动机1供电并控制电动机的装置。作为电动机控制装置5例如可以举出逆变器或伺服放大器等。

对于来自电源的电力用电力转换器505进行转换，并对电动机的定子供给。电力转换器505是晶体管等开关元件。电流控制器504控制该开关元件而使得从电力转换器505输出要求的电流。电流控制器504例如通过对构成电力转换器505的晶体管的栅极供给电压并切换开关元件的ON/OFF而进行电力转换器505的控制。

位置指令生成器501获取从上级的电动机控制装置(未图示)对电动机控制装置5输入的位置指令Pref和来自预先保存了位置修正数据的存储部507的修正数据，输出修正后位置指令Pcrct。

减法器508是进行位置指令生成器501的输出值即修正后位置指令Pcrct与上述编码器2的输出值即位置检测值Pfb的相减、运算位置偏差Perr的减法器。位置控制器502是与位置偏差Perr相应地输出速度指令值Nref的位置控制器。

速度检测器511是根据编码器2的输出即位置检测值Pfb运算并输出电动机1的速度检测值Nfb的速度运算器。减法器509是运算速度指令值Nref与上述伺服电机1的速度检测值Nfb的速度偏差Nerr的减法器。速度控制器503是与速度偏差Nerr相应地输出转矩电流指令值iqref的速度控制器。

电流检测器506是检测对电动机1供给的转矩电流检测值iq的电流检测器，用减法器510进行转矩电流指令值iqref与对电动机1供给的转矩电流检测iq的偏差量即电流偏差iqerr的运算。电流控制器504是与转矩电流偏差iqerr相应地调整上述电力转换器的输出电流的电流控制器。

在图5中示出本实施例中的位置指令生成器501的详细结构。在位置指令生成器501内，具有计算与位置指令Pref对应的修正脉冲Pofst的位置修正器30、和对位置指令Pref加上修正脉冲Pofst的加法器31。

在图6中示出位置修正器30内的处理流程的一例。

首先，位置修正器30根据STEP301中输入的位置指令Pref计算出要使电动机移动至的目标位置N(M)对应于修正位置N(x)的何处(STEP302)。例如，用以下式(1)，根据位置指令Pref与修正开始位置Pstart的差，计算出与修正开始位置的距离。通过对与修正开始位置的距离除以数据间隔N，能够求出计算出修正脉冲的数据编号M。

[数学式1]

在STEP303中，判断目标位置N(M)是否处于从修正开始位置至修正结束位置的范围内。具体而言，判断用(式1)求出的数据编号M是否满足0≤M≤X。

M处于从修正开始位置至修正结束位置的范围外的情况下，位置修正器30输出0作为修正脉冲Pofst，结果，位置指令Pref未被修正地从位置指令生成器501输出(STEP304)。

M处于从修正开始位置至修正结束位置的范围内的情况下，判断数据编号M是否整数(STEP305)。如果数据表编号M是整数，则因为由位置指令Pref指定的目标位置N(M)与保存了修正脉冲量的修正位置N(x)中的某一个一致，所以使用位置修正数据表中保存的与修正位置N(M)对应的修正脉冲Pofst[M]进行修正即可。

数据编号M并非整数的情况下前进至STEP306，用图7说明的方法求出修正脉冲。

在图7中示出位置指令Pref与修正脉冲Pofst的关系。横轴是位置指令Pref，纵轴是修正脉冲Post。数据间隔N是对于从修正开始位置Pstart至修正结束位置Pend的位置修正区间按保存的修正脉冲等间隔地分割得到的值。因为M并非整数，所以由位置指令Pref指定的目标位置N(M)与保存了修正脉冲量的修正位置并不一致，为了求出Pofst需要进行位置修正数据的插值。作为插值的方法，例如可以考虑使用以下式(2)进行的线性插值。

此时，对于M设m<M<m+1(m是整数)进行以下处理。

[数学式2]

修正脉冲Pofst的线性插值对于修正位置N(m)求出与由位置指令指定的目标位置N(M)的距离，进行从修正脉冲Pofst[m]到修正脉冲Pofst[m+1]的修正。

即，对于位置指令Pref，计算出将数据表编号M与数据间隔N相乘得到的值的差，由此计算从修正位置N(m)至N(M)的距离。接着，除以数据间隔N，并乘以修正脉冲Pofst[m+1]与修正脉冲Pofst[m]的差值。对于得到的值加上修正脉冲Pofst[m]，由此能够求出进行线性插值后的修正脉冲Pofst[M]。

这样，即使在由位置指令Pref指定了并非修正数据获取位置的位置的情况下，也能够通过使用目标位置的前后的修正位置和修正脉冲的数据进行插值而实现高精度的位置控制。

另外，本实施例中关于位置指令Pref采用了在接受了来自用户的位置指定的上级装置内使用距离换算数据生成、并从上级装置对电动机控制装置输入的结构，但不限定于此。例如，也可以采用将距离换算数据保存在存储部507中、在电动机控制装置5内生成的结构。该情况下，从上级装置对电动机控制装置5输入作为目标的位置信息，在电动机控制装置5内使用距离换算数据将位置信息变换为编码器的脉冲数。无论哪一种情况下，进行从位置信息向编码器的脉冲数的变换时，都使用与信息处理装置6中使用的相同的距离换算数据，由此消除与位置修正数据的偏差，能够高精度地进行位置控制。

图8是表示本发明的效果的图。设横轴为位置指令，纵轴为实际的转子的机械位置，示出了无位置偏差地动作的情况下如理想位置曲线60所示地定位、但实际上产生位置偏差、所以如实际位置曲线61所示地动作的例子。

例如，不使用基于修正脉冲Pofst的位置指令修正地驱动至位置指令Pref1的情况下，理想的机械位置是Pm1，但实际定位完成时成为机械位置Preal1的位置。

机械位置Preal1与修正位置Pm1的误差角度是根据编码器2与绝对位置测定单元3的差分预先测定的修正脉冲Pofst。基于对于位置指令Pref加上修正脉冲Pofst得到的修正后位置指令Pcrct进行位置控制时，在定位完成时成为机械位置Pm1的位置。同样地，位置指令Pref2～Pref5也能够通过使用修正脉冲Pofst，而分别定位在理想位置Pm2～Pm5。

如以上所述，通过使用将编码器的脉冲数与实际距离关联得到的距离换算数据和进行位置修正用的位置修正数据进行电动机控制，在机器工作时无需使用特别的追加部件，就能够用电动机控制装置和编码器信息进行高精度的位置控制。另外，关于事先生成的位置修正数据，因为位置修正区域不限于机械原点位置而是能够设定任意区域，所以能够成为与修正区域的大小和用途相应的适当的数据量，能够减小电动机控制装置的处理负荷。

实施例2

实施例2中，能够设定多个误差角度的应用范围。以下，使用图9进行说明。

如图9所示地将伺服电动机组装在存在多个workrange的负载上的情况下，从修正位置N(0)至N(x)地测定Workrange1的情况下的位置修正数据，接着从修正位置N＇(0)至N＇(x)地测定Worlrage2的情况下的位置修正数据。

通过这样将进行位置修正的区间分为多个，能够减少数据总量，同时在必要的区间中精细地采集数据，能够进行高精度的位置修正。

实施例3

在实施例3中，对于变更机械原点位置时的位置修正数据进行说明。

图10A、10B对于从信息处理装置6预先获得了位置修正数据的电动机控制装置5即使在变更了机械原点位置的情况下也无需再次测定误差角度地进行位置修正的方法进行说明。

假设以初次机械原点位置Homeposition1为基准按从修正开始位置Pstart至修正结束位置Pend的工作范围Workrange生成了进行位置修正用的位置修正数据。

此时，位置修正处理实施、未实施的判断，如式(3)、式(4)所示地，判断位置指令Pref是否以初次机械原点位置Homeposition1为基准位置、在从修正开始位置Pstart至修正结束位置Pend的修正范围中，在满足式(3)、式(4)的情况下执行位置修正处理。

Pref+Homeposition1≥Pstart……式(3)

Pref+Homeposition1≤Pend……式(4)

修正开始位置Pstart和修正结束位置Pend保存了从初次机械原点位置Homeposition1起的移动距离，因此再次设定机械原点位置、初次机械原点位置Homeposition1的信息消失的情况下，不再能够正常地进行位置修正处理。

本实施例中，通过保存生成位置修正数据表时的机械原点位置，即使变更机械原点位置也不需要再次测定位置修正数据表。生成时机械原点位置Sethome是每当再次设定机械原点时如式(5)所示地设定的值。HomepositionA是机械原点位置的原点回归位置数据，Homeposition_err是以机械原点位置为基准位置的到初次机械原点位置的距离。

Sethome＝HomepositionA-Homeposition_err……式(5)

例如，初次机械原点位置Homeposition1是机械原点位置，将该原点位置设定为0的情况下，因为是生成位置修正数据时的机械原点位置，所以生成时机械原点位置Sethome是0。

为了使机械原点位置成为机械原点位置Homeposition2而再次设定机械原点位置，将该原点位置设定为30的情况下，因为初次机械原点位置Homeposition1在以机械原点位置Homeposition2为基准时是-60，所以生成时机械原点位置Sethome成为-30。

使用式(5)，如式(6)、式(7)所示地对修正开始位置Pstart和修正结束位置Pend分别加上生成时机械原点位置Sethome。

Pref+Homeposition2≥Pstart+Sethome……(式6)

Pref+Homeposition2≤Pend+Sethome……(式7)

例如，机械原点位置Homeposition2的情况下，因为修正开始位置Pstart＝120-30＝90，修正开始位置Pend＝160-30＝120，机械原点位置Homeposition2＝30，所以即使变更机械原点位置，也不会失去初次原点回归位置的信息，能够正常地进行位置修正。

计算出上一次机械原点位置Homeposition1与更新机械原点位置Homeposition2的差值，设为更新机械原点位置Homeposition2。

Pref-Homeposition

将来自伺服电机控制装置的机械原点变更为其他原点位置的情况下，输出测定误差角度时的机械原点位置与下一次设定的机械原点位置的差，根据来自伺服电机控制装置的机械原点回归运转指令，使伺服电机移动至机械原点。通过该动作，使伺服电机和编码器和绝对位置计测用高分辨能力编码器定位在机械绝对位置的原点。

用伺服电机控制装置使伺服电机移动至任意的修正开始位置，从修正开始位置起例如每1度地进行定位，用个人计算机导入进行该定位时的绝对位置计测用高分辨能力编码器和伺服电机的进行位置检测的编码器的两个位置数据，得到绝对位置计测用高分辨能力编码器的绝对角度和对绝对位置计测用高分辨能力编码器的位置数据减去编码器的位置数据得到的误差角度数据。

反复执行上述定位而获取伺服电机的绝对角度和误差角度数据时，将绝对角度和误差角度数据作为表格式的数据文件输出。输出的数据数能够任意地设定，每隔绝对位置计测用高分辨能力编码器的等分得到的角度地进行定位而得到误差角度。

关于伺服电机的修正，根据机械原点测定修正位置。机械原点因机械的变更等而改变的情况下，通过设定从机械原点起的修正量，能够使用同一修正数据进行修正。

实施例4

实施例4中，对于修正数据间的修正量判断在线性插值以外、是否使用一次曲线插值或其他插值并进行修正。

附图标记说明

1：伺服电机

2：编码器

3：绝对位置测定单元

5：电动机控制装置

6：信息处理装置

7：连接器

8：负载

9：工作对象

30：位置修正器

400：位置修正数据

501：位置指令生成器

502：位置控制器

503：速度控制器

504：电流控制器

505：电力转换器。

Claims (8)

1.一种用于对电动机供电的电动机控制装置，其特征在于：

所述电动机控制装置具有用于保存位置修正数据和电动机的机械原点位置的信息的存储部，

所述电动机控制装置使用从外部输入的位置指令和所述位置修正数据来生成修正后位置指令，基于所述修正后位置指令和从编码器输入的位置信息来转换要提供给所述电动机的电功率，

所述位置修正数据是将修正位置和修正量相关联地记录的数据，

所述修正位置的开始位置与所述机械原点位置不同。

2.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于：

所述电动机控制装置确定与所述位置指令对应的修正位置，从所述修正位置和所述位置修正数据计算修正量，并对所述位置指令加上所述修正量来生成所述修正后位置指令。

3.如权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于：

所述电动机控制装置在与所述位置指令对应的修正位置不存在于所述位置修正数据的范围内的情况下，使所述修正量为0来生成所述修正后位置指令。

4.如权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于：

所述电动机控制装置在与所述位置指令对应的修正位置存在于所述位置修正数据的范围内且不存在一致的修正位置数据的情况下，使用对所述位置修正数据进行插值得到的插值数据来计算所述修正量。

5.一种由对电动机供电的电动机控制装置进行的电动机控制方法，其特征在于：

使用从外部输入的位置指令和位置修正数据来生成修正后位置指令，

基于所述修正后位置指令和从编码器输入的位置信息来转换要提供给所述电动机的电功率，

将与所述电动机的机械原点位置不同的修正位置的开始位置和修正量相关联地记录来作为所述位置修正数据。

6.如权利要求5所述的电动机控制方法，其特征在于：

确定与所述位置指令对应的修正位置，从所述修正位置和所述位置修正数据计算修正量，并对所述位置指令加上所述修正量来生成所述修正后位置指令。

7.如权利要求6所述的电动机控制方法，其特征在于：

在与所述位置指令对应的修正位置不存在于所述位置修正数据的范围内的情况下，使所述修正量为0来生成所述修正后位置指令。

8.如权利要求6所述的电动机控制方法，其特征在于：

在与所述位置指令对应的修正位置存在于所述位置修正数据的范围内且不存在一致的修正位置数据的情况下，使用对所述位置修正数据进行插值得到的插值数据来计算所述修正量。

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