TWI853191B

TWI853191B - 提升量測正確性的機械手臂設備

Info

Publication number: TWI853191B
Application number: TW110139412A
Authority: TW
Inventors: 賴俊文; 林奎佑; 李慶韋
Original assignee: 達明機器人股份有限公司
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2024-08-21
Also published as: TW202317336A; CN116015152A

Abstract

一種提升量測正確性的馬達驅動器及其機械手臂，馬達驅動器量測一馬達電流而產生一電流感測訊號，及依據一第一溫度、一第一電流偏移量、一第二溫度與一第二電流偏移量校正電流感測訊號，以提升馬達的性能。

Description

提升量測正確性的機械手臂設備

本發明有關一種提升量測正確性的馬達驅動器及其機械手臂，尤其關於提升量測馬達電流的正確性，而降低馬達的力矩漣波，驅使馬達與機械手臂振動減少的馬達驅動器及其機械手臂

一般馬達由馬達驅動器控制其馬達電流與轉動速度，然而，馬達驅動器易受溫度影響，致使電路間運作產生的數值或訊號產生偏移，如此馬達驅動器會誤判從馬達偵測獲得的馬達電流數值，長久運作下來，馬達性能越來越差，例如振動現象嚴重。

鑒於上述問題，本發明提供一種馬達驅動器，提升量測馬達電流的正確性後，可以及時偵錯與動態補償馬達電流，而精準控制馬達電流，達到降低馬達的力矩漣波，驅使馬達的振動減少。

本發明之目的提供一種提升量測正確性的馬達驅動器及其機械手臂，馬達驅動器提升量測馬達電流的正確性後，可以及時偵錯與動態補償馬達電流，而精準控制馬達電流，達到馬達與機械手臂的振動減少。

為了達到前述發明的目的，本發明馬達驅動器量測一馬達電流而產生一電流感測訊號，及依據一第一溫度、一第一電流偏移量、一第二溫度與一第二電流偏移量校正電流感測訊號。

或者，馬達驅動器於第一溫度時量測馬達電流且具有該第一電流偏移量，及於第二溫度時量測馬達電流具有第二電流偏移量，依據第一溫度、第一電流偏移量、第二溫度與第二電流偏移量建立一校正直線，而獲得電流感測訊號的一校正值，以校正電流感測訊號。

或者，馬達驅動器於執行任務前，於第一溫度時量測馬達電流且具有該第一電流偏移量，及於第二溫度時量測馬達電流且具有第二電流偏移量，並依據第一溫度、第一電流偏移量、第二溫度與第二電流偏移量建立補償運算式。如此，馬達驅動器於執行任務時量測一第三溫度下的馬達電流而獲得電流感測訊號，並依據第三溫度與補償運算式運算出校正值，而依據校正值校正電流感測訊號。

10:馬達驅動器

30:位置控制模組

31:第一運算電路

32:位置控制器

40:速度控制模組

41:第二運算電路

42:速度控制器

50:電流控制模組

51:電流運算電路

52:電流控制器

53:溫度感測器

54:電流感測電路

541:電流感知器

55:數位類比轉換電路

56:微處理器

60:馬達

70:編碼器

80:速度計算器

a:馬達電流

ADC1:數位類比轉換電路

ADC2:數位類比轉換電路

ADC3:數位類比轉換電路

b:馬達電流

c:馬達電流

cmd:電流命令

Cp:校正值

GND:接地電壓

L56:校正直線

O1:偏移量

O2:偏移量

Ref V1:參考電壓

Ref V2:參考電壓

Ref V3:參考電壓

V31:第一運算訊號

V32:位置控制訊號

V41:第二運算訊號

V42:速度控制訊號

V51:電流運算訊號

V52:馬達控制電壓

V55:類比訊號

V56:回授訊號

V70:馬達位置訊號

V80:馬達速度訊號

Va_T:電流感測訊號

Va_T1:電流感測訊號

Va_T2:電流感測訊號

Va_T3:電流感測訊號

Vb_T:電流感測訊號

Vc_T:電流感測訊號

T:溫度資訊

T1:溫度資訊

T2:溫度資訊

T3:溫度資訊

第一圖為本發明馬達驅動器校正溫度影響之一實施例的電路圖。

第二圖為本發明電流控制模組校正溫度影響之一實施例的電路圖。

第三圖為本發明估算溫度對馬達驅動器的影響之一實施例的流程圖。

第四圖為本發明電流控制模組之一校正直線之一實施例的示意圖。

第五圖為本發明機械手臂在線校正溫度影響之一實施例的流程圖。

有關本發明為達成上述目的，所採用之技術手段及其功效，茲舉實施例，並配合圖式加以說明如下。

請參閱第一圖，其為本發明馬達驅動器校正溫度影響之一實施例的電路圖。如圖所示，馬達驅動器10控制馬達60運作，及量測一馬達電流a而產生一電流感測訊號Va_T，惟馬達驅動器10會因溫度影響導致，電流感測訊號Va_T的準位非實際馬達電流a。所以在不同溫度時，例如一第一溫度與一第二溫度下，馬達驅動器10會有一第一電流偏移量與一第二電流偏移量，而本發明馬達驅動器10利用第一溫度、第二溫度、第一電流偏移量與第二電流偏移量校正電流感測訊號Va_T，獲得正確的馬達電流a，提升量測正確性，而可以精確控制馬達電流a，使馬達的振動現象減緩。如此。本發明之馬達驅動器10應用至機械手臂時，亦可以減少機械手臂運作時的振動。

馬達驅動器10包含一位置控制模組30、一速度控制模組40與一電流控制模組50，馬達驅動器10接收一電流命令cmd，位置控制模組30、速度控制模組40與電流控制模組50依據電流命令cmd控制馬達60的運作。電流控制模組50依據電流命令cmd產生一馬達控制電壓V52控制馬達60運作，電流控制模組50包含一電流控制器52、一電流感測電路54與一微處理器56。如此，電流控制器52於第一溫度時依據電流命令cmd輸出馬達控制電壓V52，而控制馬達60運轉產生馬達電流a，及於第二溫度時依據電流命令cmd輸出馬達控制電壓V52，而控制馬達60運轉產生馬達電流a。其中，假設馬達60運轉產生的馬達電流a符合電流命令cmd的控制，無明顯偏移的現象。

電流感測電路54於第一溫度下量測馬達電流a而產生第一溫度下的電流感測訊號Va_T1(如第三圖)，及於第二溫度下量測馬達電流a而產生第二溫度下的電流感測訊號Va_T2(如第三圖)。微處理器56運算電流命令cmd與第一溫度下的電流感測訊號Va_T1，而產生第一電流偏移量；及運算電流命令cmd與第二溫度下的電流感測訊號Va_T2，而產生第二電流偏移量。如此，微處理器56依據電流命令cmd與不同溫度量測到的電流感測訊號Va_T而運算出第一電流偏移量與第二電流偏移量。另外實施例中利用一溫度感測器53量測第一溫度與第二溫度，而產生一第一溫度資訊(如第三圖)與一第二溫度資訊(如第三圖)，所以微處理器56儲存不同溫度下的第一電流偏移量與第二電流偏移量，及儲存不同溫度下的第一溫度資訊T1與第二溫度資訊T2。

因此，馬達驅動器10於第一溫度時量測馬達電流a具有第一電流偏移量，於第二溫度時量測馬達電流a具有第二電流偏移量，並依據第一溫度、第一電流偏移量、第二溫度與第二電流偏移量建立一補償運算式，而可以依據補償訊算式獲得電流感測訊號Va_T的一校正值Cp。換言之，微處理器56利用所儲存的第一電流偏移量、第二電流偏移量、第一溫度資訊T1與第二溫度資訊T2建立補償運算式，而運算出電流感測訊號Va_T的校正值Cp。如此，藉由校正值Cp提升量測馬達電流a的正確性，而校正過的電流感測訊號Va_T可以使馬達驅動器10及時偵錯與動態補償馬達電流a，而精準控制馬達電流a，達到馬達60與機械手臂的振動減少。

復參閱第一圖，馬達驅動器10的電流控制模組50包含一數位類比轉換電路55，其耦接電流感測電路54而轉換電流感測訊號Va_T為一類比訊號V55。微處理器56耦接數位類比轉換電路55而接收類比訊號V55，以產生一回授訊號V56。一電流運算電路51接收回授訊號V56與一速度控制訊號V42而產生一電流運算訊號V51。如此，電流控制器52依據電流運算訊號V51產生馬達控制電壓V52，並可以依據高正確性的回授訊號V56(電流感測訊號Va_T)調整馬達電流a。此外，從馬達60到電流運算電路51之間皆是回授迴路，其間的訊號皆可以算是回授的訊號。

馬達驅動器10包含一編碼器70與一速度計算器80。編碼器70偵測馬達60的一馬達轉動位置而產生一馬達位置訊號V70，速度計算器80耦接編碼器70，而依據馬達位置訊號V70產生一馬達速度訊號V80。位置控制模組30包含一第一運算電路31與一位置控制器32，第一運算電路31接收電流命令cmd與馬達位置訊號V70而產生一第一運算訊號V31，位置控制器32依據第一運算訊號V31產生一位置控制訊號V32。速度控制模組40包含一第二運算電路41與一速度控制器42，第二運算電路41接收位置控制訊號V32與馬達速度訊號V80而產生一第二運算訊號V41，速度控制器40依據第二運算訊號V41產生速度控制訊號V42。

因此，馬達驅動器10於驅動執行任務前依據第一溫度、第一電流偏移量、第二溫度與第二電流偏移量建立補償運算式，而馬達驅動器10於驅動執行任務時量測一第三溫度下的馬達電流a而獲得電流感測訊號Va_T3，並依據第三溫度與補償運算式運算出另一校正值Cp，而依據該校正值Cp校正電流感測訊號Va_T3。其中，第一溫度不同於第二溫度，但未限制第三溫度是否相同於第一溫度與第二溫度。此外，若馬達驅動器10在出廠前有校正第一溫度下所量測到的電流感測訊號Va_T1，則馬達驅動器10沒有第一電流偏移量，即第一電流偏移量為0。

請參閱第二圖，其為本發明電流控制模組校正溫度影響之一實施例的電路圖。如圖所示，馬達驅動器10因偵測複數馬達電流a、b、c而於設置複數電流感測電路54，且該些電流感測電路54分別包含一電流感知器541與複數阻抗元件，以分別偵測馬達電流a、b、c後，分別產生電流感測訊號Va_T、Vb_T、Vc_T至ADC電路55。再者，該些電流感測電路54的電流感知器541分別耦接參考電壓Ref V1、Rer V2、Rer V3以供運作之用，且第二圖所示三個參考電壓Ref V1、Rer V2、Rer V3可以互為相同或不同，其為設計之選項。因此，於第二圖實施例中包含複數個ADC電路55，例如ADC1、ADC2、ADC3，從第二圖的上至下，分別耦接三個電流感測電路54。而且ADC1電路、ADC2電路與ADC3電路設置於微處理器56內，或者可以如第一圖實施例設置於微處理器56外，皆為設計之選項，本發明之實施未加以限制。

再者，溫度感測器53同樣可以選擇設置於電流控制模組50內，而量測環境溫度，例如第一溫度、第二溫度與第三溫度，環境溫度可以包含馬達驅動器10本身運作產生的溫度加上周遭的整體溫度。溫度感測器53量測環境溫度後產生溫度資訊T，第一溫度的溫度資訊為T1(如第三圖)，第二溫度的溫度資訊為T2(如第三圖)，第三溫度的溫度資訊為T3(如第五圖)。而且，該些電流感測訊號Va_T、Vb_T、Vc_T亦可能受溫度變化的影響，無法代表正確的該些馬達電流a、b、c。如此，微處理器56依據儲存的資訊建立補償運算式後，可以產生各別的校正值Cp校正該些電流感測訊號Va_T、Vb_T、Vc_T，而產生各自的回授訊號V56。

請參閱第三圖，其為本發明估算溫度對馬達驅動器的影響之一實施例的流程圖。如圖所示，先估算馬達驅動器10驅動執行任務前受到溫度影響的電流偏移量，而馬達驅動器10可以應用於機械手臂，換言之，估算機械手臂執行任務(例如焊接、取放工件或其他協作任務)前受到溫度影響的電流偏移量。馬達驅動器10(或機械手臂)剛啟用時，環境溫度應是低溫或為室溫，即開始步驟S11，低(室)溫(如第一溫度)偏移估算程序。步驟S12，一控制器耦接馬達驅動器10，並輸出電流命令cmd至馬達驅動器10，以控制馬達60運作。步驟S13，馬達驅動器10的電流感測電路量測馬達電流a，產生低(室)溫下的電流感測訊號Va_T1。其中，馬達60有三相馬達電流a、b、c，惟實施例通常以一個馬達電流a進行說明。於步驟S14，馬達驅動器10(或微處理器56)計算低(室)溫下電流感測訊號Va_T1的電流偏移量(如第一電流偏移量)O1=cmd-Va_T1。於步驟S15，溫度感測器53量測環境的溫度以產生溫度資訊T1，即第一溫度的溫度資訊T1。於步驟S16，馬達驅動器10(或微處理器56)儲存低(室)溫下估算的電流偏移量O1與量測到的溫度資訊T1。

再者，馬達驅動器10(或機械手臂)工作一段時間後溫度逐漸上升，即為第二溫度。於步驟S21，開始進行高溫偏移估算程序。於步驟S22，控制器同樣輸出電流命令cmd至馬達驅動器10以控制馬達60運轉，然而，未限制第二溫度時的電流命令cmd是否相同於第一溫度時的電流命令cmd。於步驟S23，電流感測電路54量測馬達電流a，產生高溫(如第二溫度)下的電流感測訊號Va_T2。於步驟S24，微處理器56計算高溫下電流感測訊號Va_T2的電流偏移量(如第二電流偏移量)O2=cmd-Va_T2。於步驟S25，溫度感測器53量測環境的溫度以產生溫度資訊T2，即第二溫度的溫度資訊T2。於步驟S26，微處理器56儲存高溫下估算的電流偏移量O2與量測到的溫度資訊T2。

第四圖為本發明電流控制模組之校正直線之一實施例的示意圖。馬達驅動器10所儲存的資訊可以建立補償運算式，並繪出第一交會點(O1,T1)與第二交會點(O2,T2)以建立一校正直線L56，並依據校正直線L56校正電流感測訊號Va_T。然而，當機械手臂經過出廠前校正時，並無第一電流偏移量O1，所以第一交會點可以改成(0,T1)，而第二交會點不變，但校正直線L56的斜率不同。其中，X軸為相關於溫度的溫度資訊T，Y軸為電流偏移量，所以Y軸顯示出電流感測訊號Va_T所需的補償值，亦可以稱為校正值Cp。換言之，機械手臂儲存校正直線L56的相關訊息後，開始執行任務，即在相同或不同於第一溫度或第二溫度的第三溫度下，可以利用查詢的方式，依據第三溫度(X軸)對應查出電流偏移量(Y軸)，以校正電流感測訊號Va_T。如此，機械手臂於運作時可以選擇，不經由補償運算式運算出校正值Cp，同樣可以提升量測馬達電流a的正確性。此外，補償運算式的運算非限制由微處理器56進行，其他具備相符的運算能力(如控制器)，亦可以處理相同運算。

請參閱第五圖，其為本發明機械手臂在線校正溫度影響之一實施例的流程圖。如圖所示，除了第四圖實施例的依據校正直線L56查詢不同溫度下的校正值Cp外，可以採用第五圖實施例以補償運算式，獲得校正值Cp。於步驟S31開始在線校正程序，即機械手臂(馬達驅動器10)運作下亦同時進行校正。補償運算式可以如上述說明先建立並儲存，或者如步驟S32，當需要時再進行讀取相關資訊，即讀取低(室)溫的電流偏移量O1、溫度資訊T1，與讀取高溫的電流偏移量O2、溫度資訊T2。於步驟S33，依據先前讀取的資訊，而建立機械手臂內電流控制模組50的補償運算式，其為Y=((O2-O1)/(T2-T1))*X+((O1T2-O2T1)/(T2-T1))。於步驟S34，機械手臂內的溫度感測器53量測環境溫度，而產生相關第三溫度的溫度資訊T3。於步驟S35，將溫度資訊T3帶入上述補償運算式，為Cp=((O2-O1)/(T2-T1))*T3+((O1T2-O2T1)/(T2-T1))，而求出校正值Cp。於步驟S36，電流控制模組50量測馬達電流a而產生電流感測訊號Va_T3，此時的電流感測訊號是於第三溫度下所量測，故標記為Va_T3。於步驟S37，補償於第三溫度下的電流感測訊號Va_T3，即電流感測訊號Va_T3減去受溫度影響的電流偏移量(如校正值Cp)後為Va=Va_T3-Cp，獲得實際的馬達電流a，即降低環境溫度的影響。此外，第五圖實施例是先建立補償運算式，再量測環境的溫度資訊T3，惟實施方式可以改成先量測環境的溫度資訊T3，再建立補償運算式，其為實施例可調整之選擇。

綜上所述，本發明馬達驅動器量測一馬達電流而產生一電流感測訊號，及依據一第一溫度、一第一電流偏移量、一第二溫度與一第二電流偏移量校正電流感測訊號。

上述兩種實施方式皆可以及時偵錯與動態補償馬達電流，而精準控制馬達電流，達到馬達的振動減少。而且，應用於機械手臂亦可以減少手臂的振動現象。

以上所述者，僅為用以方便說明本發明之實施例，本發明之範圍不限於該等實施例，凡依本發明所做的任何變更，於不脫離本發明之精神下，皆屬本發明申請專利之範圍。