马达控制装置、马达控制系统、失控状态检测方法以及程序

摘要

马达控制装置以马达的检测速度与指令速度一致的方式来生成扭矩指令，以控制所述马达。马达控制装置包括：扭矩指令微分部件，对所述扭矩指令进行微分而获得扭矩指令微分值；马达实际速度二阶微分部件，对所述马达的检测速度进行二阶微分以获得马达急动度；以及失控检测部件，若所述马达急动度的符号与所述扭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，则判断所述马达为失控状态。由此，既能抑制误检测，又能短时间地检测马达的失控。

权利要求

1.一种马达控制装置，以马达的检测速度与指令速度一致的方式来生成扭矩指令，以控制所述马达，所述马达控制装置包括：扭矩指令微分部件，对所述扭矩指令进行微分而获得扭矩指令微分值；

马达实际速度二阶微分部件，对所述马达的检测速度进行二阶微分以获得马达急动度；以及失控检测部件，若所述马达急动度的符号与所述扭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，则判断所述马达为失控状态。

2.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中

所述失控检测部件在所述异常状态持续所述规定时间以上之前，若所述马达急动度的符号与所述扭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。

3.根据权利要求1或2所述的马达控制装置，其中

所述失控检测部件在所述扭矩指令为0以外且所述扭矩指令的微分值为0时，若所述马达的一阶微分值即马达加速度的符号与所述扭矩指令的符号不一致，则也判断为异常状态。

4.根据权利要求3所述的马达控制装置，其中

所述失控检测部件在所述异常状态持续所述规定时间以上之前，当所述扭矩指令为0以外且所述扭矩指令的微分值为0时，若所述马达加速度的符号与所述扭矩指令的符号一致，则将所述异常状态的持续时间重置为零。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的马达控制装置，其中所述扭矩指令微分部件及所述马达实际速度二阶微分部件对输入信号适用低通滤波器后求出微分值。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的马达控制装置，还包括：紧急停止部件，在由所述失控检测部件检测到所述马达的失控状态时，通过阻断对所述马达的电流供给、使用动态制动器或者将所述扭矩指令设为0中的至少任一种手法来使所述马达停止。

7.一种马达控制装置，以马达的检测速度与指令速度一致的方式来生成扭矩指令，以控制所述马达，所述马达控制装置的特征在于包括：失控状态检测部件，若所述马达的检测速度的二阶微分值即马达急动度的符号、与所述扭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，则判断所述马达为失控状态。

8.一种马达控制系统，其包括：

马达；以及

权利要求1至7中任一项所述的马达控制装置。

9.一种失控状态检测方法，是由马达控制装置来进行的马达的失控状态检测方法，所述马达控制装置以马达的检测速度与指令速度一致的方式来生成扭矩指令，以控制所述马达，所述失控状态检测方法包括下述步骤：对所述扭矩指令进行微分而获得扭矩指令微分值；

对所述马达的检测速度进行二阶微分以获得马达急动度；以及若所述马达急动度的符号与所述扭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，则判断所述马达为失控状态。

10.一种程序，其用于使计算机执行权利要求9所述的方法的各步骤。

说明书

马达控制装置、马达控制系统、失控状态检测方法以及程序

技术领域

[0001] 本发明涉及一种对马达的失控进行检测的马达控制装置。

背景技术

[0002] 由于伺服马达(servo motor)的误配线等理由，伺服马达有时会陷于与指令反向加速的失控状态。

[0003] 检测此种失控的一个方法是下述手法：当伺服马达处于加速中时，若伺服马达的加速方向与对伺服马达的扭矩(torque)指令不同，则判断为失控状态。但是，存在下述问题：在因偏移(offset)或不平衡负载等而马达有所动作的情况下，会引起误检测。

[0004] 专利文献1中，为了应对此问题，当伺服马达开始加速后监控速度，将速度与峰值(peak)速度即位移速度进行比较，若大于位移速度，则进行位移速度的更新与伺服马达的失控检测。但是，在此手法中存在下述问题：在马达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(gain)设定而产生了控制不稳定的振荡时，也有可能引起误检测。

[0005] 现有技术文献

[0006] 专利文献

[0007] 专利文献1：日本专利第3058360号公报

发明内容

[0008] 发明所要解决的问题

[0009] 本发明的目的在于，既能抑制误检测，又能短时间地检测马达的失控。

[0010] 解决问题的技术手段

[0011] 本发明中，为了解决所述问题，对马达的急动度(也称作加加速度(jerk)或者跃度)的符号、与扭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。

[0012] 详细而言，本发明的一实施例的马达控制装置以马达的检测速度与指令速度一致的方式来生成扭矩指令，以控制所述马达，所述马达控制装置包括：扭矩指令微分部件，对所述扭矩指令进行微分而获得扭矩指令微分值；马达实际速度二阶微分部件，对所述马达的检测速度进行二阶微分以获得马达急动度；以及失控检测部件，若所述马达急动度的符号与所述扭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，则判断所述马达为失控状态。

[0013] 当存在不平衡负载等时，即使正常动作，扭矩指令与马达加速度的符号也有可能不一致，但只要是正常动作，则扭矩指令微分值与马达急动度的符号仍是一致的。因此，本实施例的马达控制装置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马达的失控。

[0014] 本实施例中的失控检测部件以规定时间间隔来对扭矩指令微分值与马达急动度的符号进行比较，若反复规定次数检测到不一致这一判定结果，则能够判断马达处于失控状态。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。

[0015] 优选的是，本实施例中的失控检测部件在所述扭矩指令为0以外且所述扭矩指令的微分值为0时，若所述马达的一阶微分值即马达加速度的符号与所述扭矩指令的符号不一致，则也判断为异常状态。

[0016] 设想在失控中扭矩指令值饱和的事态。此时，扭矩指令微分值变为0，依靠扭矩指令微分值与马达急动度的符号比较无法检测失控。因此，若扭矩指令为0以外且扭矩指令微分值为0，则可根据马达加速度的符号与扭矩指令的符号来检测失控。尽管扭矩饱和但马达加速度与扭矩指令不一致的状态并非正常动作，因此在扭矩饱和时，基于马达加速度与扭矩指令的符号的判定也不会产生误检测。

[0017] 失控状态检测部件也可将基于扭矩指令微分值与马达急动度的符号不一致的异常状态、与基于扭矩指令饱和时的扭矩指令与马达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，判断为马达已失控。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，判断为马达已失控。

[0018] 本实施例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，若所述马达急动度的符号与所述扭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(zero reset)。而且，本实施例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，当所述扭矩指令为0以外且所述扭矩指令的微分值为0时，若所述马达加速度的符号与所述扭矩指令的符号一致，则将所述异常状态的持续时间重置为零。

[0019] 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(noise)等造成的符号不一致引起的误检测。

[0020] 本实施例中，还优选的是，所述扭矩指令微分部件及所述马达实际速度二阶微分部件对输入信号适用低通滤波器(low pass filter)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。

[0021] 优选的是，本实施例中的马达控制装置还包括：紧急停止部件，在由所述失控检测部件检测到所述马达的失控状态时，通过阻断对所述马达的电流供给、使用动态制动器(dynamic brake)或者将所述扭矩指令设为0中的至少任一种手法来使所述马达停止。

[0022] 根据此种结构，当检测到马达的失控时，能够立即使马达停止。

[0023] 本发明的另一实施例是一种马达控制装置，以马达的检测速度与指令速度一致的方式来生成扭矩指令，以控制所述马达，所述马达控制装置的特征在于包括：失控状态检测部件，若所述马达的检测速度的二阶微分值即马达急动度的符号、与所述扭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，则判断所述马达为失控状态。

[0024] 本发明的又一实施例是一种马达控制系统，其包括马达、及上述记载的马达控制装置。

[0025] 另外，本发明能够作为具有所述功能的至少一部分的马达控制装置而理解。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。

[0026] 发明的效果

[0027] 马达控制装置既能抑制误检测，又能短时间地检测马达的失控。

附图说明

[0028] 图1是第一实施方式中的马达控制装置的框图。

[0029] 图2是第一实施方式中的失控状态检测处理的流程图。

[0030] 图3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。

[0031] 图4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。

[0032] 图5是第二实施方式中的马达控制装置的框图。

[0033] 图6是第二实施方式中的失控状态检测处理的流程图。

[0034] 图7是对第二实施方式中的失控上他检测处理进行说明的图。

[0035] 图8A是对第三实施方式中的微分器进行说明的图。

[0036] 图8B是对第三实施方式中的微分器的低通滤波器带来的效果进行说明的图。

[0037] 图8C是对无低通滤波器的微分器进行说明的图。

具体实施方式

[0038] (第一实施方式)

[0039] [结构]

[0040] 图1表示装入有本发明的马达控制装置的马达控制系统的概略结构。马达系统包括马达控制装置1、马达2及编码器(encoder)3。马达控制装置1具有下述功能：以马达2的速度与来自控制器(未图示)的速度指令一致的方式来生成扭矩指令，以控制马达2，并且探测马达2的失控。马达2作为未图示的各种机械装置(例如工业机器人(robot)的臂(arm)或搬送装置)的致动器(actuator)而装入所述装置内。例如，马达2为交流电(Alternating Current，AC)马达。编码器3被安装于马达2，以检测马达2的动作。编码器3包含关于马达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(incremental encoder)、绝对式编码器(absolute encoder)。

[0041] 对马达控制装置1的更具体的结构进行说明。马达控制装置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、扭矩指令微分器15、马达实际速度二阶微分器16、比较器17、失控状态检测部18、马达停止部19。这些结构中，扭矩指令微分器15、马达实际速度二阶微分器16、比较器17、失控状态检测部18是用于检测马达2的失控的功能部。

[0042] 速度指令输入部11从控制器(未图示)受理马达2的指令速度。速度检测器14基于来自编码器3的反馈(feedback)信号，来获取马达2的实际速度(检测速度)。速度控制部12以指令速度与检测速度一致的方式来生成扭矩指令。电流控制器13基于扭矩指令来使绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等开关元件导通/断开(ON/OFF)，以对马达2供给交流电力。

[0043] 扭矩指令微分器15受理速度控制部12所生成的扭矩指令，算出其微分值(一阶微分值)。以下，将扭矩指令微分器15的输出称作扭矩指令微分值。

[0044] 马达实际速度二阶微分器16受理速度检测器14所输出的马达实际速度，算出其二阶微分值。速度的二阶微分(加速度的一阶微分)被称作急动度、跃度、加加速度等。以下，将马达实际速度二阶微分器16的输出称作马达急动度。

[0045] 比较器17受理来自扭矩指令微分器15的扭矩指令微分值、与来自马达实际速度二阶微分器16的马达急动度，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。

[0046] 失控状态检测部18使用比较器17所作出的比较结果，来判断马达2是否处于失控状态。具体而言，失控状态检测部18在扭矩指令微分值与马达急动度的符号不一致时，判断为异常状态，在此异常状态持续了规定时间以上时，判断马达2处于失控状态。另外，图1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，还输入扭矩指令值或马达实际速度(检测速度)，也使用这些信息来进行马达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。

[0047] 扭矩指令微分器15、马达实际速度二阶微分器16、比较器17及失控状态检测部18既可作为数字(digital)电路来安装，也可作为模拟(analog)电路来安装。而且，这些功能部也可通过数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FGPA)或微处理器(Micro Processor Unit，MPU)与程序的组合而实现。

[0048] 马达停止部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，使马达2紧急停止。马达停止部19例如通过阻断从电流控制器13向马达2的电流供给、使用动态制动器(再生制动器)或将扭矩指令设为零中的任一种、或者它们的多个组合，来使马达2停止。

[0049] [处理]

[0050] 图2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2所示的处理是定期地执行，其执行间隔可为任意，但例如可设为1毫秒左右。

[0051] 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中确认马达检测速度为第一阈值以上、及在步骤S12中确认扭矩指令为第二阈值以上。步骤S11中的判定是用于确认马达在动作中，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，例如设定额定扭矩的10％左右的值。

[0052] 在步骤S11及S12中的任一个判定不满足的情况下(S11-否或S12-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。

[0053] 在步骤S11及S12的判定这两者均满足的情况下(S11-是及S12-是)，前进至步骤S13，失控状态检测部18判定扭矩指令微分值与马达急动度的符号是否不同。此判定是基于来自比较器17的输出而进行。

[0054] 若扭矩指令微分值与马达急动度的符号不同(S13-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(increment)。另一方面，若扭矩指令微分值与马达急动度的符号一致(S13-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。

[0055] 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(规定时间)以上。第三阈值是在扭矩指令微分值与马达急动度的符号不一致持续所述规定时间以上时，能够判定为马达失控的时间。作为第三阈值，例如可采用10毫秒(计数器(counter)的值为10)。

[0056] 若异常持续时间小于第三阈值(S14-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-是)，则前进至步骤S16，失控状态检测部18判断为马达2处于失控状态。当检测到马达2的失控时，通过马达停止部19来实施马达2的紧急停止措施。

[0057] [动作例]

[0058] 参照图3、图4来说明具体情况(case)下的失控状态检测处理。

[0059] 图3是表示马达控制装置1与马达2的连接有误时的(A)扭矩指令值、(B)马达加速度、(C)马达速度、(D)扭矩指令微分值、(E)马达急动度的图。此时，扭矩指令的方向与马达的旋转方向相反，速度控制环(loop)构成正反馈。因此，扭矩指令随着时间而增加，伴随于此，马达2的速度也反向增加。

[0060] 本实施方式中，不论马达的负载惯性的大小如何，均能够迅速地检测马达2的失控。其原因在于，本实施方式中，并非将马达速度超过峰值速度作为失控检测的条件，而是将扭矩指令微分值的符号与马达急动度的符号的不一致作为条件。扭矩指令微分值的符号与马达急动度的符号从马达刚驱动之后(T1)开始不同，因此，在从T1经过规定时间后的T2时，能够检测到马达的失控。

[0061] 图4是表示存在不平衡负载等外部干扰时的(A)扭矩指令值、(B)马达加速度、(C)马达速度、(D)扭矩指令微分值、(E)马达急动度的图。本例中，设想下述情况：由制动器等所保持的马达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。

[0062] 在存在不平衡负载的情况下，扭矩指令与马达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，扭矩指令与马达加速度的符号不一致。因此，若如以往技术那样基于扭矩指令与马达加速度的符号来进行失控检测，则有可能产生误检测。

[0063] 但是，扭矩指令微分值与马达急动度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，也能够防止尽管马达未失控但误检测为马达失控的情况。

[0064] 如上所述，根据本实施方式，不论马达的负载惯性如何，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。

[0065] (第二实施方式)

[0066] [结构]

[0067] 第二实施方式中，即使在扭矩指令饱和的情况下，也能检测马达的失控。图5是表示本实施方式的马达控制装置1的结构的图。对于图5所示的功能部中的与图1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。

[0068] 本实施方式的马达控制装置1与第一实施方式相比，具备马达实际速度一阶微分器20及比较器21。

[0069] 马达实际速度一阶微分器20受理速度检测器14所输出的马达实际速度，算出其一阶微分值。以下，将马达实际速度一阶微分器20的输出称作马达加速度。

[0070] 比较器21受理来自速度控制部12的扭矩指令值、与来自马达实际速度一阶微分器20的马达加速度，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。

[0071] 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扭矩指令微分器15的扭矩指令微分值。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6来进行说明。

[0072] [处理]

[0073] 在图6的流程图中，对于与图2所示的处理为实质上相同者，伏上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中判定扭矩指令微分值是否为零。若扭矩指令微分值并非为零(S18-否)，则前进至步骤S13而进行与第一实施方式同样的判定。即，若扭矩指令微分值与马达急动度的符号不同，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。

[0074] 另一方面，若扭矩指令微分值为零(S18-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，判定扭矩指令值与马达加速度的符号是否不同。尽管扭矩指令饱和但马达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。

[0075] [动作例]

[0076] 图7是表示在马达控制装置1与马达2的连接有误的情况下，扭矩指令饱和时(A)扭矩指令值、(B)马达加速度、(C)马达速度、(D)扭矩指令微分值、(E)马达急动度的图。因误配线，扭矩指令微分值与马达急动度的符号不同。此处，假定为：直至扭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，扭矩指令的微分值为零，而且，伴随于此，马达急动度也变为零，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，当扭矩指令微分值为零时，可对扭矩指令的符号与马达加速度的符号进行比较，以检测马达的失控。

[0077] 这样，本实施方式中，即使在扭矩指令饱和的情况下，也能够切实地检测马达的失控。

[0078] 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。

[0079] (变形例1)

[0080] 在所述实施方式的说明中，对进行马达的速度控制的示例进行了说明，但马达控制装置也可进行位置控制。而且，设想马达控制装置1为伺服驱动器，但马达控制装置1也可为逆变器(inverter)。作为通过逆变器来驱动的马达，可例示感应马达。

[0081] (变形例2)

[0082] 作为所述实施方式中的微分器(一阶微分器、二阶微分器)，也可如图8A所示，采用包含低通滤波器81与微分器82的波段限制微分器80。波段限制微分器80对输入信号适用低通滤波器后求出微分值，由此，能够限制微分器82的波段。若不通过低通滤波器来限制微分器的波段，则如图8C所示，频率越高，增益将变得越高，噪声变得越多。因此，容易发生失控状态的误检测。与此相对，通过低通滤波器来限制微分器的波段，由此，如图8B所示，能够抑制高频率下的增益，从而能够降低噪声。因此，能够抑制以因微分产生的噪声为原因的失控状态误检测的发生。

[0083] 符号的说明

[0084] 1：马达控制装置

[0085] 2：马达

[0086] 3：编码器

[0087] 11：速度指令输入部

[0088] 12：速度控制部

[0089] 13：电流控制器

[0090] 14：速度检测器

[0091] 15：扭矩指令微分器

[0092] 16：马达实际速度二阶微分器

[0093] 17：比较器

[0094] 18：失控状态检测部

[0095] 19：马达停止部

[0096] 20：马达实际速度一阶微分器

[0097] 21：比较器