專利名稱：一種機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方
法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
首先簡單介紹一下機(jī)器人，機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類的工作，例如制造業(yè)、建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。 機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)部分稱為關(guān)節(jié)，主動(dòng)關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常稱為機(jī)器人的自由度數(shù)。 機(jī)器人的關(guān)節(jié)由電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)器控制下實(shí)現(xiàn)位置、速度、加減速度和力矩的隨動(dòng)。電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的系統(tǒng)被稱作伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)器人對伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)的位置精度、速度穩(wěn)定性、加減速度的快速性、力矩的準(zhǔn)確性以及運(yùn)動(dòng)控制的其它性能和精度等方面的要求都高于其它機(jī)械，因此機(jī)器人用電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一類高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高穩(wěn)定性的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前機(jī)器人用的電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)都是采用永磁同步電動(dòng)機(jī)或直流電動(dòng)機(jī)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子不能高速運(yùn)轉(zhuǎn)，否則定子繞組會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的反電動(dòng)勢，要克服這種反電動(dòng)勢的作用，驅(qū)動(dòng)器就得通過增大定子繞組的電流來使永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生更大的定子磁動(dòng)勢，但是定子磁動(dòng)勢過強(qiáng)會(huì)使轉(zhuǎn)子消磁。另一方面，永磁同步電動(dòng)機(jī)會(huì)受工作溫度的限制，溫度達(dá)到永磁鐵的居里點(diǎn)后，永磁鐵會(huì)消磁。但是，機(jī)器人工作的環(huán)境有時(shí)相當(dāng)惡劣，有些應(yīng)用需要在高溫環(huán)境下工作。而且永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制造成本及材料成本都高于異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于直流電動(dòng)機(jī)存在換向器，所以維護(hù)性差。在工業(yè)應(yīng)用上已經(jīng)被交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所取代。 因此，機(jī)器人利用永磁同步電動(dòng)機(jī)來控制存在轉(zhuǎn)速低，可靠性差的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方法及系統(tǒng)，能夠
解決機(jī)器人利用永磁同步電動(dòng)機(jī)來控制存在轉(zhuǎn)速低，可靠性差的缺點(diǎn)。 本發(fā)明實(shí)施例提供一種機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方法，包括以下步驟 實(shí)時(shí)監(jiān)測異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，將監(jiān)測的異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息
反饋給控制器； 控制器將所述當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息與給定的指令值相比較得到對應(yīng)的控制指令值； 由所述控制指令值對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。 優(yōu)選地，當(dāng)所述當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息為異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角度時(shí)，對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行位置控制，具體為 控制器將異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角度與位置給定指令值做差，將差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)以
4后得到轉(zhuǎn)速控制指令值； 轉(zhuǎn)速控制指令值與異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角頻率做差，由兩者的差值得到電磁轉(zhuǎn)矩指令值； 將電磁轉(zhuǎn)矩指令值和轉(zhuǎn)矩電流之差經(jīng)過電壓方程得到轉(zhuǎn)矩電壓指令值； 由勵(lì)磁電流控制值計(jì)算得到勵(lì)磁電壓指令值；所述勵(lì)磁電流控制值為勵(lì)磁電流指
令值和勵(lì)磁電流之差； 由轉(zhuǎn)矩電壓控制值和勵(lì)磁電壓控制值經(jīng)過M-T坐標(biāo)到三相交流坐標(biāo)變換得到異步電動(dòng)機(jī)的三相電壓控制值；M-T坐標(biāo)系與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，并規(guī)定M軸沿轉(zhuǎn)子磁鏈方向，T軸沿M軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)90度；所述勵(lì)磁電壓控制值為勵(lì)磁電壓指令值和勵(lì)磁解耦電壓之差；所述轉(zhuǎn)矩電壓控制值為轉(zhuǎn)矩電壓指令值和轉(zhuǎn)矩解耦電壓之差；
SVP麗逆變器將輸入的三相電壓控制值轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗾译娏鞑⑤斎氲疆惒诫妱?dòng)機(jī)的定子繞組中，實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的伺服控制。 優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)速控制指令值"rnT與異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角頻率"J故差，由兩者的差值得到電磁轉(zhuǎn)矩指令值，具體為
『 *
C = 7^ A + 4》(0
丄"， /=i 其中，k表示當(dāng)前的采樣時(shí)刻；Lm表示異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的自感；i;表示異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的時(shí)間常數(shù)；Vr表示異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈；o^表示異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差；Kp。表示消除誤差e(k)影響的比例增益；K^表示消除累積誤差e(k)影響的積分增益。
優(yōu)選地，將電磁轉(zhuǎn)矩指令值iT' *和轉(zhuǎn)矩電流iT之差經(jīng)過電壓方程得到轉(zhuǎn)矩電壓指令惶Ut' *;具體為 《二 i^,,, ,e,T =,其中KpT表示增益系數(shù)，iT表示轉(zhuǎn)矩電流。 優(yōu)選地，當(dāng)對異步電動(dòng)機(jī)的位置進(jìn)行控制時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩限幅。 本發(fā)明實(shí)施例還提供一種機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括反饋單元、比
較單元和控制單元； 所述反饋單元，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，將監(jiān)測的異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息反饋給比較單元； 所述比較單元，用于將所述當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息與給定的指令值相比較得到對應(yīng)的控制指令值； 所述控制單元，用于由所述控制指令值對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。 優(yōu)選地，當(dāng)所述反饋單元反饋的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息為異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角度時(shí)，
所述比較單元包括位置控制單元、轉(zhuǎn)速控制單元、轉(zhuǎn)矩電流控制單元、勵(lì)磁電流控制單元、
坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元和SVP麗逆變單元； 所述位置控制單元，用于將異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角度與位置給定指令值做差，將差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)以后得到轉(zhuǎn)速控制指令值； 所述轉(zhuǎn)速控制單元，用于將轉(zhuǎn)速控制指令值與異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角頻率做差，由兩者的差值得到電磁轉(zhuǎn)矩指令值； 所述轉(zhuǎn)矩電流控制單元，用于將電磁轉(zhuǎn)矩指令值和轉(zhuǎn)矩電流之差經(jīng)過電壓方程得
5到轉(zhuǎn)矩電壓指令值； 所述勵(lì)磁電流控制單元，用于由勵(lì)磁電流控制值經(jīng)過電壓方程得到勵(lì)磁電壓指令值；
坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元，用于由轉(zhuǎn)矩電壓控制值和勵(lì)磁電壓控制值經(jīng)過M-T坐標(biāo)到三相交 流坐標(biāo)變換得到異步電動(dòng)機(jī)的三相電壓控制值；M-T坐標(biāo)系與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場 同步旋轉(zhuǎn)，并規(guī)定M軸沿轉(zhuǎn)子磁鏈方向，T軸沿M軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)90度；所述勵(lì)磁電壓指令值為 勵(lì)磁電壓控制值和勵(lì)磁解耦電壓之差；所述轉(zhuǎn)矩電壓控制值為轉(zhuǎn)矩電壓指令值與轉(zhuǎn)矩解耦 電壓之差； SVP麗逆變單元，用于將輸入的三相電壓控制值轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗾译娏鞑⑤斎氲疆?步電動(dòng)機(jī)的定子繞組中，實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的伺服控制。 優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)速控制單元，用于將轉(zhuǎn)速控制指令值與異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角 頻率oj故差，由兩者的差值得到電磁轉(zhuǎn)矩指令值，具體為
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，k表示當(dāng)前的采樣時(shí)刻；Lm表示異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的自感；i;表示異步電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的時(shí)間常數(shù)；Vr表示異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈；o^表示異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差；Kp。表 示消除誤差e(k)影響的比例增益；K^表示消除累積誤差e(k)影響的積分增益。
優(yōu)選地， 所述轉(zhuǎn)矩電流控制單元，用于將電磁轉(zhuǎn)矩指令值iT' *和轉(zhuǎn)矩電流iT之差經(jīng)過電 壓方程得到轉(zhuǎn)矩電壓指令值UT' * ;具體為 = =《-G.,其中KpT表示增益系數(shù)，iT表示轉(zhuǎn)矩電流。 優(yōu)選地，還包括解耦單元，用于由轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流解耦得到勵(lì)磁解耦電壓和
轉(zhuǎn)矩解耦電壓。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn) 本發(fā)明提供的機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方法及系統(tǒng)，可以滿足機(jī)器人控制系 統(tǒng)對伺服驅(qū)動(dòng)裝置在精度和性能方面的要求。采用異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息和控制 器給定的指令值相比較，以差值作為控制指令，這樣可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地閉環(huán)控制。由于異步電 動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到很高，而且其工作環(huán)境可以不受溫度的限制，因此可以避免采用永磁 同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)帶來的缺點(diǎn)。


圖i是本發(fā)明提供的方法實(shí)施例一流程圖；
圖2是本發(fā)明提供的方法實(shí)施例二流程圖；
圖3是本發(fā)明提供的系統(tǒng)實(shí)施例一示意圖；
圖4是本發(fā)明提供的系統(tǒng)實(shí)施例二示意圖；
圖5是本發(fā)明提供的系統(tǒng)實(shí)施例三示意圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說明。 本發(fā)明實(shí)施例對異步電動(dòng)機(jī)的伺服控制采取閉環(huán)控制，可以包括位置控制、轉(zhuǎn)速 控制和轉(zhuǎn)矩控制。 為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更好地理解和實(shí)施本發(fā)明，下面介紹幾個(gè)技術(shù)術(shù)語。
將異步電動(dòng)機(jī)定子的三相繞組A、 B、 C所在的坐標(biāo)系定義為靜止三相坐標(biāo)系，將異 步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的三相繞組a、b、c所在的坐標(biāo)系定義為二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，用M-T表示。其中， M-T坐標(biāo)系與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，并規(guī)定M軸沿轉(zhuǎn)子磁鏈方向，T軸沿M 軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)90度。 從異步電動(dòng)機(jī)的電源輸入線上通過電流傳感器測量異步電動(dòng)機(jī)的A相電流和B相 電流，分別用"和iB表示。 由靜止三相坐標(biāo)系到M-T坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式(l)，可以由^和"計(jì)算轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁 電流和轉(zhuǎn)矩電流，其中勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別用1m和iT來表示，轉(zhuǎn)換公式(1)具體如下
<formula>formula see original document page 7</formula>L7F」 其中e是M軸與異步電動(dòng)機(jī)A相定子繞組的軸線之間的夾角，e可以有異步電
動(dòng)機(jī)的電源頻率"s積分得到。 需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例提供的異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制方法可以采
用單獨(dú)的位置控制，也可以采用單獨(dú)的轉(zhuǎn)速控制，還可以采用單獨(dú)的轉(zhuǎn)矩控制。 實(shí)施例一 參見圖l，該圖為本發(fā)明提供的方法實(shí)施例一流程圖。 本實(shí)施例提供的機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方法，包括以下步驟 Sl :實(shí)時(shí)監(jiān)測異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，將監(jiān)測的異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)
信息反饋給控制器。 S2:控制器將所述當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息與給定的指令值相比較得到對應(yīng)的控制指令值。
S3 :由所述控制指令值對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。 本發(fā)明提供的機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方法，可以滿足機(jī)器人控制系統(tǒng)對伺
服驅(qū)動(dòng)裝置在精度和性能方面的要求。采用異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息和控制器給定
的指令值相比較，以差值作為控制指令，這樣可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地閉環(huán)控制。由于異步電動(dòng)機(jī)的
轉(zhuǎn)速可以達(dá)到很高，而且其工作環(huán)境可以不受溫度的限制，因此可以避免采用永磁同步電
動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)帶來的缺點(diǎn)。
實(shí)施例二
0066] 下面首先介紹位置控制。 參見圖2，該圖為本發(fā)明提供的方法實(shí)施例二流程圖。
S101 :位置傳感器將測得的異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角度9 r反饋給控制器，控制器將異
步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角度、與位置給定指令值ej^做差，將兩者的差值進(jìn)行pi調(diào)節(jié)以后得
到轉(zhuǎn)速控制指令值
S102 :轉(zhuǎn)速控制指令值" *與異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角頻率"J故差，由兩者的差值 得到電磁轉(zhuǎn)矩指令值iT' *。
iT' *的具體計(jì)算公式如下 其中，k表示當(dāng)前的采樣時(shí)刻；Lm表示異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的自感；Tr表示異步電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的時(shí)間常數(shù)；Vr表示異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈；o^表示異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差；Kp。表 示消除誤差e(k)影響的比例增益；K^表示消除累積誤差e(k)影響的積分增益。
需要說明的是，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于或等于異步電動(dòng)機(jī)額定頻率時(shí)，Vr為固定值，當(dāng)
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于異步電動(dòng)機(jī)額定頻率時(shí)，按異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)或試驗(yàn)得到的規(guī)律減小。此處，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差計(jì)算式是: =1飾，+^化化〈叫或^〉A(chǔ)，"s定
子電源的頻率，^= "se+"M， "M是異步電動(dòng)機(jī)的電角頻率。a、b、c為常數(shù)，異步電動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì)參數(shù)由異步電動(dòng)機(jī)廠家提供或測試獲得。"。為低頻轉(zhuǎn)差非線性轉(zhuǎn)折頻率，C0k為高頻 轉(zhuǎn)差非線性轉(zhuǎn)折頻率，由異步電動(dòng)機(jī)廠家提供或測試獲得。 S103 :將電磁轉(zhuǎn)矩指令值iT' ^和轉(zhuǎn)矩電流iT之差經(jīng)過電壓方程得到轉(zhuǎn)矩電壓指令 惶Ut' *。





電磁轉(zhuǎn)矩指令值iT' *和轉(zhuǎn)矩電流iT之差為轉(zhuǎn)矩電流的控制值iT*。 具體如下
=《p7.e,T ,e,T =《-/7.，其中KpT表示增益系數(shù)。 S104:轉(zhuǎn)矩電壓指令值UT' ^和轉(zhuǎn)矩解耦電壓u/做差得到轉(zhuǎn)矩電壓控制值u/ 下面介紹如何獲得勵(lì)磁電壓控制值uM*。
首先由勵(lì)磁電流iM計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈Vr，具體的計(jì)算公式如下 K"",j^ (3) 其中，Vr表示轉(zhuǎn)子磁鏈；Tr表示轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)；Lm表示異步電動(dòng)機(jī)定子的自感；P 表示微分算子。 磁鏈給定指令值1^**和轉(zhuǎn)子磁鏈Vr做差后計(jì)算勵(lì)磁電流指令值iM *，具體的計(jì) 算公式如下 & =~)T^(^V -K) ( 4 J 勵(lì)磁電流指令值iM *和勵(lì)磁電流iM做差后得到勵(lì)磁電流控制值iM*。
由勵(lì)磁電流控制值iM*計(jì)算得到勵(lì)磁電壓指令值UM *，具體的計(jì)算公式如下《=i^Me,M ，e,M = c 一 zM ,其中KpM表示增益系數(shù)。 勵(lì)磁電壓指令值UM *和勵(lì)磁解耦電壓％'做差得到勵(lì)磁電壓控制值u/。 下面結(jié)合如何獲得轉(zhuǎn)矩解耦電壓u/和勵(lì)磁解耦電壓u/ ，具體的計(jì)算公式如
8<formula>formula see original document page 9</formula>(5) 其中，P表示微分算子；o表示漏磁系數(shù)，= 1 - Z2 ， / ; Lm表示異步電動(dòng)機(jī)定
子繞組的自感；RS表示異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的內(nèi)阻；Lr表示異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的自感；Rr 表示異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的內(nèi)阻；U^表示定子磁鏈，本發(fā)明中定義定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈相 等，艮卩Vm = Vr。 需要說明的是，無論是位置控制，還是轉(zhuǎn)速控制或轉(zhuǎn)矩控制，均需要?jiǎng)?lì)磁控制環(huán) 路，這是為了給轉(zhuǎn)子提供旋轉(zhuǎn)的磁場。勵(lì)磁控制是通過將磁鏈指令值與勵(lì)磁電流相結(jié)合來 控制輸出的勵(lì)磁電壓控制值。由于勵(lì)磁電流是異步電動(dòng)機(jī)的反饋值，這樣可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控 制。 S105 :由轉(zhuǎn)矩電壓控制值uT*和勵(lì)磁電壓控制值uM*經(jīng)過M-T坐標(biāo)到三相交流坐標(biāo) 變換可以得到異步電動(dòng)機(jī)的三相電壓控制值uA*、 uB*和uc*。 S106 :SVP麗逆變器將輸入的u/、u/和《轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗾译娏鞑⑤斎氲疆惒诫妱?dòng) 機(jī)的定子繞組中，實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的伺服控制。 由轉(zhuǎn)矩電壓控制值uT*和勵(lì)磁電壓控制值uM*計(jì)算三相電壓控制值uA*、uB*和uc*的 計(jì)算公式具體如下
1
0
cos61 sin 6
一sin夕 cos^w7.
(6)
l/c = 一W爿—w5 實(shí)施例二介紹的異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是對機(jī)器人采取位置控制，需要說明的 是，上位機(jī)的控制指令為位置控制時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對機(jī)器人采取位置控制。
需要說明的是，本實(shí)施例提供的位置控制，位置定位精度可以達(dá)到±1脈沖，異步 電動(dòng)機(jī)的位置具體可以由位置檢測傳感器獲得，例如光學(xué)編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。
需要說明的是，位置控制時(shí)可以進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩限幅。 轉(zhuǎn)速限幅具體為 其中，
《=《—("+《w Z & (0當(dāng)
為轉(zhuǎn)速限幅設(shè)定值。
氣， < 份lu
9
轉(zhuǎn)矩限幅具體為


其中，iT lit 實(shí)施例三
下面介紹轉(zhuǎn)速控制 S201 :轉(zhuǎn)速給定指令值
、zr = znim
為轉(zhuǎn)矩限幅設(shè)定值。
得到電磁轉(zhuǎn)矩指令值
"rnT與異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角頻率"r做差，由兩者的差值
的具體計(jì)算公式如下
定的值:
J7 、，
(7)
e("=《(KA;)
需要說明的是，公式(7)與公式(2)的計(jì)算方法相同。
需要說明的是，轉(zhuǎn)速給定指令值"rnT是由異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制器給
轉(zhuǎn)速控制的后續(xù)步驟與位置控制相同，即與S102-S106相同，在此不再贅述。 實(shí)施例三介紹的異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是對機(jī)器人采取轉(zhuǎn)速控制，需要說明的 是，上位機(jī)的控制指令為轉(zhuǎn)速控制時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對機(jī)器人采取轉(zhuǎn)速控制。
需要說明的是，本實(shí)施例提供的轉(zhuǎn)速控制中，轉(zhuǎn)速控制可以達(dá)到最低值為 1/100Hz、l/256Hz、l/512Hz，最大值600Hz，轉(zhuǎn)速控制精度可以達(dá)到小于或等于0. 05Hz，加 減速度指令范圍l/65535Hz 1Hz，轉(zhuǎn)矩指令范圍在電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的10% 300%。
需要說明的是，轉(zhuǎn)速控制時(shí)可以進(jìn)行轉(zhuǎn)矩限幅，具體的轉(zhuǎn)矩限幅與實(shí)施例二中的 相同，在此不再贅述。
實(shí)施例四
下面介紹轉(zhuǎn)矩控制 S301 :由轉(zhuǎn)矩給定指令值1\**計(jì)算轉(zhuǎn)矩電流給定指令值iT**。
具體的計(jì)算公式如下 'V
丄
(8)
時(shí)imm
的值。
其中，Pn表示異步電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)；i皿表示產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁鏈的等效勵(lì)磁電流；穩(wěn)態(tài) im， Lm表示異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的自感；Lr表示異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的自感。 需要說明的是，轉(zhuǎn)矩給定指令值TT**是由異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制器給定
由
S302 :轉(zhuǎn)矩電流給定指令值i^和轉(zhuǎn)矩電流iT做差得到轉(zhuǎn)矩電流的控制值iT 電壓方程得到轉(zhuǎn)矩電壓指令值UT' *。 需要說明的是，由轉(zhuǎn)矩電流的控制值i/經(jīng)過電壓方程計(jì)算轉(zhuǎn)矩電壓指令值UT' * 與實(shí)施例二中的S103相同，在此不再贅述。 轉(zhuǎn)矩控制的后續(xù)步驟與實(shí)施例二的后續(xù)步驟相同，即與S104-S106相同。
實(shí)施例四介紹的異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是對機(jī)器人采取轉(zhuǎn)矩控制，需要說明的
10是，上位機(jī)的控制指令為轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對機(jī)器人采取轉(zhuǎn)矩控制。
需要說明的是，轉(zhuǎn)矩控制時(shí)可以進(jìn)行轉(zhuǎn)速限幅，具體的轉(zhuǎn)速限幅與實(shí)施例二中的 相同，在此不再贅述。 位置指令、轉(zhuǎn)速指令、轉(zhuǎn)矩指令均可同時(shí)或獨(dú)立在線改變，指令值改變后，電動(dòng)機(jī) 按照指令值實(shí)際運(yùn)動(dòng)。位置指令、速度指令和轉(zhuǎn)矩指令三種指令可以通過不同接口與上位 機(jī)連接進(jìn)行通訊。 基于以上實(shí)施例提供的機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方法，本發(fā)明實(shí)施例還提供
一種機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，下面結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。 參見圖3，該圖為本發(fā)明提供的系統(tǒng)第一實(shí)施例示意圖。 本實(shí)施例提供的機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括反饋單元401、比較單 元402和控制單元403。 所述反饋單元401，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，將監(jiān)測的異步電動(dòng) 機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息反饋給比較單元402。 所述比較單元402，用于將所述當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息與給定的指令值相比較得到對 應(yīng)的控制指令值。 所述控制單元403，用于由所述控制指令值對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。 本發(fā)明提供的機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以滿足機(jī)器人控制系統(tǒng)對伺
服驅(qū)動(dòng)裝置在精度和性能方面的要求。采用異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息和控制器給定
的指令值相比較，以差值作為控制指令，這樣可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地閉環(huán)控制。由于異步電動(dòng)機(jī)的
轉(zhuǎn)速可以達(dá)到很高，而且其工作環(huán)境可以不受溫度的限制，因此可以避免采用永磁同步電
動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)帶來的缺點(diǎn)。 參見圖4，該圖為本發(fā)明提供的系統(tǒng)第二實(shí)施例示意圖。 本實(shí)施例以監(jiān)測異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角度，對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行位置控制為例進(jìn)行詳 細(xì)介紹。 當(dāng)所述反饋單元反饋的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息為異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角度時(shí)，所述比較 單元包括位置控制單元、轉(zhuǎn)速控制單元、轉(zhuǎn)矩電流控制單元、勵(lì)磁電流控制單元、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 單元和SVP麗逆變單元。
所述位置控制單元，用于將異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角度er與位置給定指令值9_**做
差，將差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)以后得到轉(zhuǎn)速控制指令值； 所述轉(zhuǎn)速控制單元，用于將轉(zhuǎn)速控制指令值與異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角頻率做差，由 兩者的差值得到電磁轉(zhuǎn)矩指令值 所述轉(zhuǎn)矩電流控制單元，用于將電磁轉(zhuǎn)矩指令值"和轉(zhuǎn)矩電流之差經(jīng)過電壓方 程得到轉(zhuǎn)矩電壓指令值UT' *; 所述勵(lì)磁電流控制單元，用于將勵(lì)磁電流指令值iM *和勵(lì)磁電流iM之差經(jīng)過電壓 方程得到勵(lì)磁電壓指令值UM *。 需要說明的是，勵(lì)磁電流指令值iM *和勵(lì)磁電流iM之差為勵(lì)磁電流控制值iM*。
坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元，用于由轉(zhuǎn)矩電壓控制值uT*和勵(lì)磁電壓控制值uM*經(jīng)過M-T坐標(biāo)到 三相交流坐標(biāo)變換得到異步電動(dòng)機(jī)的三相電壓控制值；M-T坐標(biāo)系與異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁 場同步旋轉(zhuǎn)，并規(guī)定M軸沿轉(zhuǎn)子磁鏈方向，T軸沿M軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)90度；所述勵(lì)磁電壓控制值u/為勵(lì)磁電壓指令值UM *和勵(lì)磁解耦電壓％'之差；所述轉(zhuǎn)矩電壓控制值u/為轉(zhuǎn)矩電壓 指令惶Ut' *與轉(zhuǎn)矩解耦電壓1!/之差。 SVP麗逆變單元，用于將輸入的三相電壓控制值轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗾译娏鞑⑤斎氲疆?br> 步電動(dòng)機(jī)的定子繞組中，實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的伺服控制。 需要說明的是，轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流是由異步電動(dòng)機(jī)的相電流經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到 的，具體可以參見公式(1)。 參見圖5，該圖為本發(fā)明提供的系統(tǒng)實(shí)施例三示意圖。 勵(lì)磁解耦電壓和轉(zhuǎn)矩解耦電壓是由解耦單元通過勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流解耦得到 的，具體可以參見公式(5)。 需要說明的是，需要說明的是，無論是位置控制，還是轉(zhuǎn)速控制或轉(zhuǎn)矩控制，均需 要?jiǎng)?lì)磁控制環(huán)路，這是為了給轉(zhuǎn)子提供旋轉(zhuǎn)的磁場。勵(lì)磁控制是通過將磁鏈指令值與勵(lì)磁 電流相結(jié)合來控制輸出的勵(lì)磁電壓控制值。由于勵(lì)磁電流是異步電動(dòng)機(jī)的反饋值，這樣可 以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 下面具體介紹勵(lì)磁的計(jì)算。本實(shí)施例提供的系統(tǒng)還包括磁鏈計(jì)算單元和磁鏈控制 單元，其中磁鏈計(jì)算單元是由勵(lì)磁電流計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈。 磁鏈控制單元用于將磁鏈給定指令值11^**和轉(zhuǎn)子磁鏈Vr的差值經(jīng)過計(jì)算得到勵(lì) 磁電流指令值iM *。 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖 然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明 技術(shù)方案做出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離 本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同 變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，包括以下步驟實(shí)時(shí)監(jiān)測異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，將監(jiān)測的異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息反饋給控制器；控制器將所述當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息與給定的指令值相比較得到對應(yīng)的控制指令值；由所述控制指令值對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，當(dāng)所述當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息為異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角度時(shí)，對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行位置控制，具體為控制器將異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角度與位置給定指令值做差，將差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)以后得到轉(zhuǎn)速控制指令值；轉(zhuǎn)速控制指令值與異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角頻率做差，由兩者的差值得到電磁轉(zhuǎn)矩指令值；將電磁轉(zhuǎn)矩指令值和轉(zhuǎn)矩電流之差經(jīng)過電壓方程得到轉(zhuǎn)矩電壓指令值；由勵(lì)磁電流控制值計(jì)算得到勵(lì)磁電壓指令值；所述勵(lì)磁電流控制值為勵(lì)磁電流指令值和勵(lì)磁電流之差；由轉(zhuǎn)矩電壓控制值和勵(lì)磁電壓控制值經(jīng)過M-T坐標(biāo)到三相交流坐標(biāo)變換得到異步電動(dòng)機(jī)的三相電壓控制值；M-T坐標(biāo)系與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，并規(guī)定M軸沿轉(zhuǎn)子磁鏈方向，T軸沿M軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)90度；所述勵(lì)磁電壓控制值為勵(lì)磁電壓指令值和勵(lì)磁解耦電壓之差；所述轉(zhuǎn)矩電壓控制值為轉(zhuǎn)矩電壓指令值和轉(zhuǎn)矩解耦電壓之差；SVP麗逆變器將輸入的三相電壓控制值轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗾译娏鞑⑤斎氲疆惒诫妱?dòng)機(jī)的定子繞組中，實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的伺服控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速控制指令值" *與異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角頻率"r做差，由兩者的差值得到電磁轉(zhuǎn)矩指令值，具體為一 A:4* = f ^鳥++《/ Z e(/)/0) = w: ,(A:)-A(A:)其中，k表示當(dāng)前的采樣時(shí)刻；Lm表示異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的自感；Tr表示異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的時(shí)間常數(shù)；Vr表示異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈；o^表示異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差；Kp。表示消除誤差e(k)影響的比例增益；K^表示消除累積誤差e(k)影響的積分增益。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，將電磁轉(zhuǎn)矩指令值i/*和轉(zhuǎn)矩電流iT之差經(jīng)過電壓方程得到轉(zhuǎn)矩電壓指令值UT' * ;具體為《=X,e,r ，& =《,其中KpT表示增益系數(shù)，iT表示轉(zhuǎn)矩電流。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，當(dāng)對異步電動(dòng)機(jī)的位置進(jìn)行控制時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩限幅。
6. —種機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，包括反饋單元、比較單元和控制單元；所述反饋單元，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，將監(jiān)測的異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息反饋給比較單元；所述比較單元，用于將所述當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息與給定的指令值相比較得到對應(yīng)的控制指令值；所述控制單元，用于由所述控制指令值對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)所述反饋單元反饋的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息為異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角度時(shí)，所述比較單元包括位置控制單元、轉(zhuǎn)速控制單元、轉(zhuǎn)矩電流控制單元、勵(lì)磁電流控制單元、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元和SVP麗逆變單元；所述位置控制單元，用于將異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角度與位置給定指令值做差，將差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)以后得到轉(zhuǎn)速控制指令值；所述轉(zhuǎn)速控制單元，用于將轉(zhuǎn)速控制指令值與異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角頻率做差，由兩者的差值得到電磁轉(zhuǎn)矩指令值；所述轉(zhuǎn)矩電流控制單元，用于將電磁轉(zhuǎn)矩指令值和轉(zhuǎn)矩電流之差經(jīng)過電壓方程得到轉(zhuǎn)矩電壓指令值；所述勵(lì)磁電流控制單元，用于由勵(lì)磁電流控制值經(jīng)過電壓方程得到勵(lì)磁電壓指令值；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元，用于由轉(zhuǎn)矩電壓控制值和勵(lì)磁電壓控制值經(jīng)過M-T坐標(biāo)到三相交流坐標(biāo)變換得到異步電動(dòng)機(jī)的三相電壓控制值；M-T坐標(biāo)系與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，并規(guī)定M軸沿轉(zhuǎn)子磁鏈方向，T軸沿M軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)90° ;所述勵(lì)磁電壓指令值為勵(lì)磁電壓控制值和勵(lì)磁解耦電壓之差；所述轉(zhuǎn)矩電壓控制值為轉(zhuǎn)矩電壓指令值與轉(zhuǎn)矩解耦電壓之差；SVP麗逆變單元，用于將輸入的三相電壓控制值轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗾译娏鞑⑤斎氲疆惒诫妱?dòng)機(jī)的定子繞組中，實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的伺服控制。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速控制單元，用于將轉(zhuǎn)速控制指令值" *與異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際角頻率"r做差，由兩者的差值得到電磁轉(zhuǎn)矩指令值，具體為<formula>formula see original document page 3</formula>其中，k表示當(dāng)前的采樣時(shí)刻；Lm表示異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的自感；Tr表示異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的時(shí)間常數(shù)；Vr表示異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈；o^表示異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差；Kp。表示消除誤差e(k)影響的比例增益；K^表示消除累積誤差e(k)影響的積分增益。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)矩電流控制單元，用于將電磁轉(zhuǎn)矩指令值iT' *和轉(zhuǎn)矩電流iT之差經(jīng)過電壓方程得到轉(zhuǎn)矩電壓指令值u/ *;具體為<formula>formula see original document page 3</formula>，其中KpT表示增益系數(shù)，iT表示轉(zhuǎn)矩電流。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，還包括解耦單元，用于由轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流解耦得到勵(lì)磁解耦電壓和轉(zhuǎn)矩解耦電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供一種機(jī)器人用異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方法及系統(tǒng)，其中所述方法包括實(shí)時(shí)監(jiān)測異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，將監(jiān)測的異步電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息反饋給控制器；控制器將所述當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息與給定的指令值相比較得到對應(yīng)的控制指令值；由所述控制指令值對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。由于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到很高，而且其工作環(huán)境可以不受溫度的限制，因此可以避免采用永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)帶來的缺點(diǎn)。
文檔編號H02P27/05GK101777868SQ201010103989
公開日2010年7月14日 申請日期2010年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月2日
發(fā)明者孫昌國 申請人:北京科技大學(xué)