阅读说明：本技术 一种交流伺服控制系统 (Alternating current servo control system ) 是由 董直姜 张太猛 张太为 于 2020-05-11 设计创作，主要内容包括：一种交流伺服控制系统,用于控制交流伺服电机,包括：中央处理单元MCU、人机交互单元、接口单元,编码器和电机控制单元,中央处理单元MCU分别连接人机交互单元、接口单元和电机控制单元；编码器被安装于电机上,以反馈电机的动作；电机控制单元与编码器连接,用于根据编码器的反馈来生成转矩指令。根据本发明所述的交流伺服控制系统,既能及时地检测电机的失控,又能抑制误检测。(An ac servo control system for controlling an ac servo motor, comprising: the system comprises a central processing unit MCU, a man-machine interaction unit, an interface unit, an encoder and a motor control unit, wherein the central processing unit MCU is respectively connected with the man-machine interaction unit, the interface unit and the motor control unit; the encoder is arranged on the motor to feed back the action of the motor; the motor control unit is connected with the encoder and used for generating a torque command according to feedback of the encoder. According to the alternating current servo control system, the out-of-control of the motor can be detected timely, and the false detection can be restrained.)

一种交流伺服控制系统

技术领域

本发明属于数字控制技术领域，涉及一种交流伺服电机的驱动控制技术，该技术特别用于对电机的失控进行检测。

背景技术

交流伺服电机由于误配线等原因，会进入与加速指令反向的失控状态。现有技术中对检测这种失控状态的方法通常有两种：

（1）当伺服电机处于加速中时，若伺服电机的加速方向与对伺服电机的转矩指令不同，则判断为失控状态。但是，该方法在电机因偏移或不平衡负载等有所动作的情况下，会出现误检测。

（2）当伺服电机开始加速后监控速度，将速度与位移速度进行比较，若大于位移速度，则进行位移速度的更新与伺服电机的失控检测。但是，该方法在电机速度超过峰值速度之前无法检测失控，尤其在惯性负载大的情况下，失控检测耗费时间。而且，在因控制器的增益设定而产生了控制不稳定的振荡时，也会出现误检测。

发明内容

本发明的目的在于，如何既能及时地检测电机的失控，同时又能抑制误检测。

本发明中，为了解决上述技术问题，公开了一种交流伺服控制系统，用于控制交流伺服电机，包括：中央处理单元MCU、人机交互单元、接口单元，编码器和电机控制单元，中央处理单元MCU分别连接人机交互单元、接口单元和电机控制单元；编码器被安装于电机上，以检测电机的动作；电机控制单元与编码器连接，用于根据编码器的反馈来生成转矩指令。

本发明中对电机的急冲的符号、与转矩指令微分值的符号进行比较，若两者符号的不一致持续规定时间以上，则判断为失控状态。

详细而言，本发明的电机控制单元以电机的检测速度与指令速度一致的方式来生成转矩指令，以控制所述电机，所述电机控制单元包括：转矩指令微分部件，对所述转矩指令进行微分而获得转矩指令微分值；二阶微分部件，对所述电机的检测速度进行二阶微分以获得电机急冲；以及失控检测部件，若所述电机急冲的符号与所述转矩指令微分值的符号不一致的异常状态持续规定时间以上，则判断所述电机为失控状态。

当存在不平衡负载等时，即使正常动作，转矩指令与电机加速度的符号也有可能不一致，但只要是正常动作，则转矩指令微分值与电机急冲的符号仍是一致的。因此，本发明的电机控制单元即使在存在不平衡负载的情况下，也能够无误检测且迅速地检测电机的失控。

本发明的失控检测部件以规定时间间隔来对转矩指令微分值与电机急冲的符号进行比较，若反复规定次数检测到不一致这一判定结果，则能够判断电机处于失控状态。例如，当将所述规定时间设为10毫秒时，每隔1毫秒来判定符号的一致/不一致，只要连续10次为不一致时，判定为失控状态即可。

优选的是，本发明中的失控检测部件在所述转矩指令不为0且所述转矩指令的微分值为0时，若所述电机的一阶微分值即电机加速度的符号与所述转矩指令的符号不一致，则也判断为异常状态。

设想在失控中转矩指令值饱和的事态。此时，转矩指令微分值变为0，依靠转矩指令微分值与电机急冲的符号比较无法检测失控。因此，若转矩指令不为0且转矩指令微分值为0，则可根据电机加速度的符号与转矩指令的符号来检测失控。

尽管转矩饱和但电机加速度与转矩指令不一致的状态并非正常动作，因此在转矩饱和时，基于电机加速度与转矩指令的符号的判定也不会产生误检测。

失控状态检测部件也可将基于转矩指令微分值与电机急冲的符号不一致的异常状态、与基于转矩指令饱和时的转矩指令与电机加速度的不一致的异常状态视为相同的异常状态，当满足其中任一者的状态持续了规定时间以上时，判断为电机已失控。

或者，失控状态检测部件也可将这两个失控状态视为不同者，当其中一个条件连续地持续规定时间以上时，判断为电机已失控。

本发明中的失控检测部件也可在所述异常状态持续所述规定时间以上之前，若所述电机急冲的符号与所述转矩指令微分值的符号一致，则将所述异常状态的持续时间重置为零。而且，本发明中的失控检测部件也可在所述异常状态持续所述规定时间以上之前，当所述转矩指令不为0且所述转矩指令的微分值为0时，若所述电机加速度的符号与所述转矩指令的符号一致，则将所述异常状态的持续时间重置为零。

根据此种结构，能够去除偶发性地发生的符号不一致或因噪声等造成的符号不一致引起的误检测。

还优选的是，所述转矩指令微分部件及所述二阶微分部件对输入信号适用低通滤波器后求出微分值。若不限制微分部件的波段，则频率越高，增益将变得越高，噪声变得越大，从而越容易产生误检测。通过对微分部件设置低通滤波器以限制微分信号的波段，从而能够抑制以因微分产生的噪声为原因的误检测。

优选的是，本发明中的电机控制单元还包括：紧急停止部件，在由所述失控检测部件检测到所述电机的失控状态时，通过阻断对所述电机的电流供给、使用动态制动器或者将所述转矩指令设为0中的至少任一种手法来使所述电机停止。

根据此种结构，当检测到电机的失控时，能够立即使电机停止。

还优选的是，本发明的人机交互单元包括输入显示单元和通讯控制单元，输入显示单元通过通讯控制单元与中央处理单元MCU相连。

还优选的是，本发明的接口单元包括485总线接口、CAN总线接口、Ethercat总线接口、以及M2/M3总线接口。

本发明公开了一种应用于上述交流伺服控制系统中的电机控制单元，以电机的检测速度与指令速度一致的方式来生成转矩指令，以控制所述电机，所述电机控制单元包括：失控状态检测部件，若所述电机的检测速度的二阶微分值即电机急冲的符号、与所述转矩指令的微分值的符号不一致，则判断为异常状态，若所述异常状态持续规定时间以上，则判断所述电机为失控状态。

另外，本发明能够作为具有所述功能的至少一部分的电机控制单元而理解。而且，本发明也能够作为执行所述处理的至少一部分的控制方法而理解。而且，本发明也能够作为用于使计算机执行所述方法的计算机程序、或者非暂时地存储所述计算机程序的计算机可读存储介质而理解。所述部件及处理各自能够尽可能地彼此组合而构成本发明。

技术效果

电机控制单元既能及时地检测电机的失控，又能抑制误检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的驱动控制系统与交流伺服电机的连接示意图。

图2是第一实施方式中的电机控制单元的框图。

图3是第一实施方式中的失控状态检测处理的流程图。

图4A至图4E是对第一实施方式中的配线误连接时的失控状态检测进行说明的图。

图5A至图5E是对第一实施方式中的外部干扰发生时的失控状态检测进行说明的图。

图6是第二实施方式中的电机控制单元的框图。

图7是第二实施方式中的失控状态检测处理的流程图。

图8A至图8E是对第二实施方式中的失控状态检测处理进行说明的图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

第一实施方式：

图1为本发明的驱动控制系统与交流伺服电机的连接示意图。

一种交流伺服控制系统，用于控制交流伺服电机，包括：中央处理单元MCU、人机交互单元、接口单元，编码器和电机控制单元，中央处理单元MCU分别连接人机交互单元、接口单元和电机控制单元；编码器被安装于电机上，以反馈电机的动作；电机控制单元与编码器连接，用于根据编码器的反馈来生成转矩指令。

图2表示装入有本发明的应用于上述交流伺服控制系统中的电机控制单元的示意性结构框图。电机控制单元1具有下述功能：以电机2的速度与来自中央处理单元MCU的速度指令一致的方式来生成转矩指令，以控制电机2，并且探测电机2的失控。电机2作为未图示的各种机械装置(例如工业机器人的臂或搬送装置)的致动器而装入所述装置内。例如，电机2为交流电机。编码器3被安装于电机2，以检测电机2的动作。编码器3包含关于电机2的旋转轴的旋转位置(角度)的位置信息、所述旋转轴的旋转速度的信息等。对于编码器3，可使用一般的增量式编码器或者绝对式编码器等。

对电机控制单元1的更具体的结构进行说明。电机控制单元1包括速度指令输入部11、速度控制部12、电流控制器13、速度检测器14、转矩指令微分器15、二阶微分器16、比较器17、失控状态检测部18、电机停止部19。这些结构中，转矩指令微分器15、二阶微分器16、比较器17、失控状态检测部18是用于检测电机2的失控的功能部。

速度指令输入部11从中央处理单元MCU受理电机2的指令速度。速度检测器14基于来自编码器3的反馈信号，来获取电机2的实际速度。速度控制部12以指令速度与检测速度一致的方式来生成转矩指令。电流控制器13基于转矩指令来使绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)等开关元件导通/断开，以对电机2供给交流电力。

转矩指令微分器15受理速度控制部12所生成的转矩指令，算出其微分值(一阶微分值)。以下，将转矩指令微分器15的输出称作转矩指令微分值。

二阶微分器16受理速度检测器14所输出的电机实际速度，算出其二阶微分值。以下，将电机实际速度二阶微分器16的输出称作电机急冲。

比较器17受理来自转矩指令微分器15的转矩指令微分值、与来自二阶微分器16的电机急冲，判定这些值的符号是否一致。比较器17所作出的比较结果被输入至失控状态检测部18。

失控状态检测部18使用比较器17所作出的比较结果，来判断电机2是否处于失控状态。具体而言，失控状态检测部18在转矩指令微分值与电机急冲的符号不一致时，判断为异常状态，在此异常状态持续了规定时间以上时，判断电机2处于失控状态。另外，图2中，表示了对于失控状态检测部18仅输入比较器17的比较结果，但实际上，还输入转矩指令值或电机实际速度，也使用这些信息来进行电机2的失控状态检测。对于失控状态检测处理的详细，以下一边参照流程图一边进行说明。

电机停止部19在从失控状态检测部18受理检测到失控状态的意旨的信号时，使电机2紧急停止。电机停止部19例如通过阻断从电流控制器13向电机2的电流供给、使用动态制动器(再生制动器)或将转矩指令设为零中的任一种、或者它们的多个组合，来使电机2停止。

图3是表示失控状态检测部18所进行的失控状态检测处理的流程的流程图。图3所示的处理是定期地执行，其执行间隔可为任意，例如可设为1ms左右。

首先，作为失控状态检测的前提，失控状态检测部18在步骤S11中确认电机检测速度为第一阈值以上、及在步骤S12中确认转矩指令为第二阈值以上。步骤S11中的判定是用于确认电机在动作中，作为第一阈值，设定充分小的值。步骤S12中的判定是用于避免误检测的判定，作为第二阈值，例如设定额定转矩的10％左右的值。

在步骤S11及S12中的任一个判定不满足的情况下(S11为“否”或S12为“否”)，前进至步骤S17，失控状态检测部18将用于对异常状态的持续进行计数的异常持续时间重置为零。

在步骤S11及S12的判定这两者均满足的情况下(S11为“是”及S12为“是”)，前进至步骤S13，失控状态检测部18判定转矩指令微分值与电机急冲的符号是否不同。此判定是基于来自比较器17的输出而进行。

若转矩指令微分值与电机急冲的符号不同(S13为“是”)，则前进至步骤S14，失控状态检测部18对异常持续时间进行增量。另一方面，若转矩指令微分值与电机急冲的符号一致(S13为“否”)，则前进至步骤S17，失控状态检测部18将异常持续时间重置为零。

步骤S15中，失控状态检测部18判定异常持续时间是否为第三阈值以上。第三阈值是在转矩指令微分值与电机急冲的符号不一致持续所述规定时间以上时，能够判定为电机失控的时间。作为第三阈值，例如可采用10ms(计数器的值为10)。

若异常持续时间小于第三阈值(S14为“否”)，则失控状态检测部18保留判定而结束处理。另一方面，若异常持续时间为第三阈值以上(S14为“是”)，则前进至步骤S16，失控状态检测部18判断为电机2处于失控状态。当检测到电机2的失控时，通过电机停止部19来实施电机2的紧急停止措施。

参照图4A至图4E、图5A至图5E来说明具体情况下的失控状态检测处理。

图4A至图4E分别是表示电机控制单元1与电机2的连接有误时的转矩指令值、电机加速度、电机速度、转矩指令微分值、电机急冲的图。此时，转矩指令的方向与电机的旋转方向相反，速度控制环构成正反馈。因此，转矩指令随着时间而增加，电机2的速度也反向增加。

本实施方式中，不论电机的负载惯性的大小如何，均能够迅速地检测电机2的失控。其原因在于，本实施方式中，并非将电机速度超过峰值速度作为失控检测的条件，而是将转矩指令微分值的符号与电机急冲的符号的不一致作为条件。转矩指令微分值的符号与电机急冲的符号从电机刚驱动之后(T1)开始不同，因此，在从T1经过规定时间后的T2时，能够检测到电机的失控。

图5A至图5E分别是表示存在不平衡负载等外部干扰时的转矩指令值、电机加速度、电机速度、转矩指令微分值、电机急冲的图。本例中，设想下述情况：由制动器等所保持的电机在驱动开始后解除保持状态，因不平衡负载而产生了加速度。

在存在不平衡负载的情况下，转矩指令与电机加速度的符号有时会不一致。图例中，在从驱动后直至T3为止的期间、与从T6直至T7为止的期间，转矩指令与电机加速度的符号不一致。因此，若如以往技术那样基于转矩指令与电机加速度的符号来进行失控检测，则有可能产生误检测。

但是，转矩指令微分值与电机急冲的符号在所有期间内一致。因此，本实施方式即使在存在不平衡负载等外部干扰的情况下，也能够防止尽管电机未失控但误检测为电机失控的情况。

如上所述，根据本实施方式，不论电机的负载惯性如何，均能够迅速地检测失控，并且能够抑制发生了外部干扰时的误检测。

第二实施方式

第二实施方式中，即使在转矩指令饱和的情况下，也能检测电机的失控。图6是表示本实施方式的电机控制单元1的结构的图。对于图6所示的功能部中的与图2所示的功能部实质上相同者，标注相同的参照符号并省略其详细说明。

本实施方式的电机控制单元1与第一实施方式相比，具备一阶微分器20及比较器21。

一阶微分器20受理速度检测器14所输出的电机实际速度，算出其一阶微分值。以下，将一阶微分器20的输出称作电机加速度。

比较器21受理来自速度控制部12的转矩指令值、与来自一阶微分器20的电机加速度，判定这些值的符号是否一致。比较器21所作出的比较结果被输入至失控状态检测部18。

本实施方式中的失控状态检测部18除了比较器17的比较结果以外，还受理比较器21的比较结果以及来自转矩指令微分器15的转矩指令微分值。对于本实施方式的失控状态检测部18的失控状态检测处理，参照图7来进行说明。

在图7的流程图中，对于与图3所示的处理为实质上相同者，标注相同的参照符号并省略其详细说明。本实施方式中，在满足步骤S11及S12的判定这两者的情况下，失控状态检测部18在步骤S18中判定转矩指令微分值是否为零。若转矩指令微分值并非为零(S18为“否”)，则前进至步骤S13而进行与第一实施方式同样的判定。即，若转矩指令微分值与电机急冲的符号不同，则判断为异常状态并对异常持续时间进行增量，若并非如此，则将异常持续时间重置为零。

另一方面，若转矩指令微分值为零(S18为“是”)，则前进至步骤S19。在步骤S19中，失控状态检测部18使用比较器21所作出的比较结果，判定转矩指令值与电机加速度的符号是否不同。尽管转矩指令饱和但电机的旋转方向与指令相反的状态不能说是正常状态。因此，若它们的符号不同，则判断为异常状态并前进至步骤S14，对异常持续时间进行增量。另一方面，若它们的符号一致，则判断为并非异常状态并前进至步骤S17，将异常持续时间重置为零。以后的处理与第一实施方式同样。

图8A至图8E分别是表示在电机控制单元1与电机2的连接有误的情况下，转矩指令饱和时转矩指令值、电机加速度、电机速度、转矩指令微分值、电机急冲的图。因误配线，转矩指令微分值与电机急冲的符号不同。此处，假定为：直至转矩指令饱和为止的时间(T7至T8的时间)短于用于失控检测的阈值时间。T8以后，转矩指令的微分值为零，而且，伴随于此，电机急冲也变为零，因此无法进行基于这些值的符号的失控检测。但是，本实施方式中，当转矩指令微分值为零时，可对转矩指令的符号与电机加速度的符号进行比较，以检测电机的失控。

这样，本实施方式中，即使在转矩指令饱和的情况下，也能够切实地检测电机的失控。

本实施方式中，失控状态检测部18在步骤S13的判定或步骤S19的判定中的任一者为肯定的状态持续了规定时间以上的情况下，判断为失控状态。但是，失控状态检测部18也可将步骤S13为肯定的状态与步骤S19为肯定的状态视为各不相同的异常状态，若任一异常状态持续规定时间以上，则判断为失控状态。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。