电机的力矩和电流的比例关系标定方法、系统及终端设备与流程

本发明属于电机标定技术领域，尤其涉及电机的力矩和电流的比例关系标定方法、系统及终端设备。

背景技术：

机器人技术发展迅速，为了实现机器人的动作，需要在机器人上设置关节。永磁同步电机和谐波减速器配合使用是目前机器人关节的主要实现方式。当采用位置模式进行关节的移动轨迹跟踪时，往往需要通过增加电流前馈补偿的方式提高系统的跟踪精度和稳定性，而电流前馈补偿的关键技术之一就是确定电机力矩和电机电流之间的关系。为了易于工程实现，通常设定电机力矩和电机电流之间存在线性关系，这样只要完成电机力矩和电机电流的辨识标定，就可以实现电流前馈补偿。然而，现有的方法往往采用造价较高且结构复杂的测功仪来进行标定，不易大批量针对电机进行操作。

综上，现有技术中存在由于采用造价较高且结构复杂的测功仪来进行电机标定，导致成本高、不易批量实现的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了电机的力矩和电流的比例关系标定方法、系统及终端设备，以解决现有技术中存在由于采用造价较高且结构复杂的测功仪来进行电机标定，导致成本高、不易批量实现的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种电机的力矩和电流的比例关系标定方法，基于标定机构实现，所述标定机构包括所述电机、刚性杆和质量块，所述电机与所述刚性杆相连，所述刚性杆与所述质量块相连，所述刚性杆的中轴与所述电机的输出轴的中轴交叉并相互垂直，所述质量块的重心与所述刚性杆的中轴重合。

所述电机的力矩和电流的比例关系标定方法包括：

控制所述电机的输出轴带动所述质量块以预设速度按照第一预设移动轨迹转动，并采集转动过程中的第一电机电流。

控制所述电机的输出轴带动所述质量块以所述预设速度按照第二预设移动轨迹转动，并采集转动过程中的第二电机电流，所述第二预设移动轨迹与所述第一预设移动轨迹重合且方向相反。

计算所述电机按照所述第一预设移动轨迹转动时的第一电机力矩。

计算所述电机按照所述第二预设移动轨迹转动时的第二电机力矩。

根据所述第一电机电流、所述第二电机电流、所述第一电机力矩和所述第二电机力矩，得到力矩和电流之间的比例关系。

本发明实施例的第二方面提供了一种电机的力矩和电流的比例关系标定系统，基于标定机构实现，所述标定机构包括所述电机、刚性杆和质量块，所述电机与所述刚性杆相连，所述刚性杆与所述质量块相连，所述刚性杆的中轴与所述电机的输出轴的中轴交叉并相互垂直，所述质量块的重心与所述刚性杆的中轴重合。

所述电机的力矩和电流的比例关系标定系统包括：

第一转动控制模块，用于控制所述电机的输出轴带动所述质量块以预设速度按照第一预设移动轨迹转动，并采集转动过程中的第一电机电流。

第二转动控制模块，用于控制所述电机的输出轴带动所述质量块以所述预设速度按照第二预设移动轨迹转动，并采集转动过程中的第二电机电流，所述第二预设移动轨迹与所述第一预设移动轨迹重合且方向相反。

第一力矩计算模块，用于计算所述电机按照所述第一预设移动轨迹转动时的第一电机力矩。

第二力矩计算模块，用于计算所述电机按照所述第二预设移动轨迹转动时的第二电机力矩。

比例关系获取模块，用于根据所述第一电机电流、所述第二电机电流、所述第一电机力矩和所述第二电机力矩，得到力矩和电流之间的比例关系。

本发明实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述电机的力矩和电流的比例关系标定方法的步骤。

本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述电机的力矩和电流的比例关系标定方法的步骤。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过控制所述电机的输出轴带动所述质量块以预设速度按照第一预设移动轨迹转动，并采集转动过程中的第一电机电流；然后控制所述电机的输出轴带动所述质量块以所述预设速度按照第二预设移动轨迹转动，并采集转动过程中的第二电机电流，所述第二预设移动轨迹与所述第一预设移动轨迹重合且方向相反；并计算所述电机按照所述第一预设移动轨迹转动时的第一电机力矩；计算所述电机按照所述第二预设移动轨迹转动时的第二电机力矩；最后根据所述第一电机电流、所述第二电机电流、所述第一电机力矩和所述第二电机力矩，得到力矩和电流之间的比例关系。本发明实施例能够标定电机的力矩和电流的比例关系，方法简单且易于大批量针对电机进行操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一个实施例提供的标定机构的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例提供的电机的力矩和电流的比例关系标定方法的流程示意图；

图3是本发明的一个实施例提供的图2中步骤S105的具体流程示意图；

图4是本发明的一个实施例提供的电机的力矩和电流的比例关系标定系统的结构示意图；

图5是本发明的一个实施例提供的图4中比例关系获取模块的具体结构示意图；

图6是本发明的一个实施例提供的终端设备的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

以下实施例均基于一种标定机构实现，如图1所示，所述标定机构包括所述电机、刚性杆和质量块，所述电机与所述刚性杆相连，所述刚性杆与所述质量块相连，所述刚性杆的中轴与所述电机的输出轴的中轴交叉并相互垂直，所述质量块的重心与所述刚性杆的中轴重合。

在一个实施例中，刚性杆的一端与电机的输出轴相连，刚性杆的另一端与质量块相连。

在一个实施例中，标定机构还包括减速器，电机的输出轴与减速器的输入端连接，减速器的输出端与刚性杆的一端连接，刚性杆的另一端与质量块连接。

具体应用中，电机固定在平面上。

实施例1：

图2示出了本发明一实施例所提供的电机的力矩和电流的比例关系标定方法的实现流程图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

如图2所示，本发明实施例所提供的一种电机的力矩和电流的比例关系标定方法，包括：

在步骤S101中，控制所述电机的输出轴带动所述质量块以预设速度按照第一预设移动轨迹转动，并采集转动过程中的第一电机电流。

在步骤S102中，控制所述电机的输出轴带动所述质量块以所述预设速度按照第二预设移动轨迹转动，并采集转动过程中的第二电机电流，所述第二预设移动轨迹与所述第一预设移动轨迹重合且方向相反。

本实施例中，电机的转动方向包括逆时针方向和顺时针方向，第一预设移动轨迹和第二预设移动轨迹均可以为任意一种方向。所述第二预设移动轨迹与所述第一预设移动轨迹的方向相反，具体地，所述第一预设移动轨迹为逆时针方向，所述第二预设移动轨迹为顺时针方向。

本实施例中，由于第二预设移动轨迹与第一预设移动轨迹重合且方向相反，并且质量块在这两个轨迹上移动的速度相同，所以，在分别沿第一预设移动轨迹与第二预设移动轨迹运动时，质量块在相应位置上受到的摩擦力矩大小相同且方向相反。

本实施例中，电机在转动时，通过输入电机电流来驱动电机转动。电机的转动距离随时间变化，第一电机电流和第二电机电流也随时间变化。通过电流采集模块来采集第一电机电流和第二电机电流。

在一个实施例中，采集第一电机电流并保存，同时保存对应的采集时间和转动角度。采集第二电机电流并保存，同时保存对应的采集时间和转动角度。

在步骤S103中，计算所述电机按照所述第一预设移动轨迹转动时的第一电机力矩。

在步骤S104中，计算所述电机按照所述第二预设移动轨迹转动时的第二电机力矩。

本实施例中，电机在转动时会输出电机力矩，以带动电机负载运行。电机的输出轴带动质量块转动时，由于移动轨迹的不同，电机输出的电机力矩也不同。

本实施例中，由于电机力矩包括转动惯量和摩擦力矩，并且，在分别沿第一预设移动轨迹与第二预设移动轨迹运动时，由于速度相同，质量块在相应位置上受到的摩擦力矩大小相同且方向相反，所以，在计算第一电机力矩与第二电机力矩之和时可以抵消掉摩擦力矩，消除了难以定量计算的摩擦力矩，能够提高计算的准确性。

在一个实施例中，第一电机力矩等于质量块的转动惯量与摩擦力矩的绝对值之和。第二电机力矩等于所述转动惯量与所述摩擦力矩的绝对值之差。

在步骤S105中，根据所述第一电机电流、所述第二电机电流、所述第一电机力矩和所述第二电机力矩，得到力矩和电流之间的比例关系。

本实施例中，通过采集到的第一电机电流和第二电机电流，以及基于力学计算得到的第一电机力矩和第二电机力矩，利用拟合算法得到力矩和电流之间的比例关系。

本发明实施例能够标定电机的力矩和电流的比例关系，方法简单且易于大批量针对电机进行操作。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，图2所对应的实施例中的步骤S105具体包括：

步骤S201，基于动力学公式计算转动惯量。

本实施例中，质量块在转动时具有转动惯量。相对于质量块的质量，刚性杆的质量可以忽略不计，本实施只计算质量块的转动惯量。

在一个实施例中，测量质量块的质量和回转半径，根据质量和回转半径得到转动惯量。

步骤S202，根据所述转动惯量，得到所述第一电机力矩与所述第二电机力矩之和对应的力矩时间函数曲线。

在本发明的一个实施例中，所述第一电机力矩与所述第二电机力矩之和等于两倍的所述转动惯量。

本实施例中，由于在分别沿第一预设移动轨迹与第二预设移动轨迹运动时，质量块在相应位置上受到的摩擦力矩大小相同且方向相反，例如，第一电机力矩等于质量块的转动惯量与摩擦力矩的绝对值之和，第二电机力矩等于所述转动惯量与所述摩擦力矩的绝对值之差。所以，在计算第一电机力矩与第二电机力矩之和时可以抵消掉摩擦力矩，第一电机力矩与第二电机力矩之和等于两倍的转动惯量。本实施例通过将第一电机力矩与第二电机力矩求和，抵消掉了难以测量和计算的摩擦力矩，便可以准确的计算出力矩时间函数曲线。

步骤S203，根据采集的所述第一电机电流和所述第二电机电流，得到所述第一电机电流与所述第二电机电流之和对应的电流时间函数曲线。

本实施例中，根据保存的第一电机电流和对应的采集时间，以及保存的第二电机电流和对应的采集时间，基于曲线拟合算法，得到所述第一电机电流与所述第二电机电流之和对应的电流时间函数曲线。

步骤S204，基于线性最小二乘拟合算法，得到所述力矩时间函数曲线和所述电流时间函数曲线之间的比例关系。

本发明实施例仅通过测量质量块的质量和回转半径得到转动惯量，就可以标定电机的输出力矩和输入电流的比例关系，方法简单且易于大批量针对电机进行操作。

为了便于理解，下面以一个具体应用场景为例对上述实施例进行说明。

1)设定第一预设移动轨迹和第二预设移动轨迹均为余弦运动轨迹。第一预设移动轨迹为逆时针方向，第二预设移动轨迹为顺时针方向。需要说明的是，第一预设移动轨迹和第二预设移动轨迹并不限于仅为余弦运动轨迹，正弦运动轨迹等均可，只需满足转动速度相同、方向相反即可。

所述第一预设移动轨迹为：

所述第二预设移动轨迹为：

其中，θ1为第一转动角度，θ2为第二转动角度，θ为基准转动角度，A为最大转动角度，t为转动时间，T为预设周期。

2)控制所述电机的输出轴带动所述质量块按照上述余弦运动轨迹转动，并采集转动过程中的第一电机电流I1和第二电机电流I2。

3)根据拉格朗日方程可以得到运动的动力学公式为：

其中，τ为电机力矩，τf为摩擦力矩，m为所述质量块的质量，r为所述质量块的重心至所述输出轴的中轴的垂直距离，为θ对t的二次导数(即加速度)，g为重力加速度。为转动惯量。

4)因为摩擦力矩的方向只和转动速度的方向有关，摩擦力矩的大小只和转动速度的大小有关，所以针对仅方向相反的沿第一预设移动轨迹和第二预设移动轨迹转动的两种运动，在同样位置上摩擦力矩的大小相等方向相反。那么，第一电机力矩为转动惯量与摩擦力矩的绝对值之和，第二电机力矩为转动惯量与摩擦力矩的绝对值之差。

所述计算所述电机按照所述第一预设移动轨迹转动时的第一电机力矩，包括：

其中，τ1为所述第一电机力矩，m为所述质量块的质量，r为所述质量块的重心至所述输出轴的中轴的垂直距离，为θ对t的二次导数，g为重力加速度，τf为摩擦力矩。

所述计算所述电机按照所述第二预设移动轨迹转动时的第二电机力矩，包括：

其中，τ2为所述第二电机力矩。

5)因为摩擦力矩无法测量，所以将算式(4)和算式(5)相加，便可得到第一电机力矩与第二电机力矩之和。由于电机电流与电机力矩为比例关系，便也可得到第一电机电流和第二电机电流之和。

所述力矩时间函数曲线为：

所述电流时间函数曲线为：

其中，k为所述比例关系，I1为所述第一电机电流，I2为所述第二电机电流。

6)根据保存的θ、I1和I2，带入到算式(7)中，再利用线性最小二乘拟合即可得到力矩和电流之间的比例关系k。

本发明实施例提出的一种电机的力矩和电流的比例关系标定方法，不仅计算过程简单，标定机构易于操作，成本低廉，同时可以大批量用于电机的标定工艺，且符合机器人系统的轨迹跟踪使用环境，得到的力矩电流比例系数用于机器人关节电流前馈的补偿算法中能够得到显著效果。

本发明实施例中，仅通过测量质量块的质量和回转半径得到转动惯量，并给定余弦运动轨迹，就可以标定电机的输出力矩和输入电流的比例关系，方法简单且易于大批量针对电机进行操作。

本发明实施例中，通过设计双方向的余弦往复运动，可以消除无法测量的摩擦力矩带来的误差，仅保留可以计算的转动惯量，用于标定力矩。

本发明实施例中，针对永磁同步电机和谐波减速器配合使用的应用对象，不需要复杂的测功仪，实验平台简单，能够快速获得电机力矩和电流的关系，应用于后续的电机摩擦补偿和重力补偿。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

实施例2：

如图4所示，本发明的一个实施例提供的电机的力矩和电流的比例关系标定系统100，用于执行图2所对应的实施例中的方法步骤，其包括：

第一转动控制模块110，用于控制所述电机的输出轴带动所述质量块以预设速度按照第一预设移动轨迹转动，并采集转动过程中的第一电机电流。

第二转动控制模块120，用于控制所述电机的输出轴带动所述质量块以所述预设速度按照第二预设移动轨迹转动，并采集转动过程中的第二电机电流，所述第二预设移动轨迹与所述第一预设移动轨迹重合且方向相反。

第一力矩计算模块130，用于计算所述电机按照所述第一预设移动轨迹转动时的第一电机力矩。

第二力矩计算模块140，用于计算所述电机按照所述第二预设移动轨迹转动时的第二电机力矩。

比例关系获取模块150，用于根据所述第一电机电流、所述第二电机电流、所述第一电机力矩和所述第二电机力矩，得到力矩和电流之间的比例关系。

如图5所示，在本发明的一个实施例中，图4所对应的实施例中的比例关系获取模块150还包括用于执行图3所对应的实施例中的方法步骤的结构，其包括：

转动惯量计算单元151，用于基于动力学公式计算转动惯量。

力矩曲线获取单元152，用于根据所述转动惯量，得到所述第一电机力矩与所述第二电机力矩之和对应的力矩时间函数曲线。

电流曲线获取单元153，用于根据采集的所述第一电机电流和所述第二电机电流，得到所述第一电机电流与所述第二电机电流之和对应的电流时间函数曲线。

比例关系获取单元154，用于基于线性最小二乘拟合算法，得到所述力矩时间函数曲线和所述电流时间函数曲线之间的比例关系。

在本发明的一个实施例中，所述第一预设移动轨迹为：

所述第二预设移动轨迹为：

其中，θ1为第一转动角度，θ2为第二转动角度，θ为基准转动角度，A为最大转动角度，t为转动时间，T为预设周期。

在本发明的一个实施例中，所述计算所述电机按照所述第一预设移动轨迹转动时的第一电机力矩，包括：

其中，τ1为所述第一电机力矩，m为所述质量块的质量，r为所述质量块的重心至所述输出轴的中轴的垂直距离，为θ对t的二次导数，g为重力加速度，τf为摩擦力矩；

所述计算所述电机按照所述第二预设移动轨迹转动时的第二电机力矩，包括：

其中，τ2为所述第二电机力矩。

在本发明的一个实施例中，所述力矩时间函数曲线为：

所述电流时间函数曲线为：

其中，k为所述比例关系，I1为所述第一电机电流，I2为所述第二电机电流。

在一个实施例中，电机的力矩和电流的比例关系标定系统100还包括其他功能模块/单元，用于实现实施例1中各实施例中的方法步骤。

实施例3：

图6是本发明一实施例提供的终端设备的示意图。如图6所示，该实施例的终端设备6包括：处理器60、存储器61以及存储在所述存储器61中并可在所述处理器60上运行的计算机程序62。所述处理器60执行所述计算机程序62时实现如实施例1中所述的各实施例中的步骤，例如图2所示的步骤101至105。或者，所述处理器60执行所述计算机程序62时实现如实施例2中所述的各系统实施例中的各模块/单元的功能，例如图4所示模块110至150的功能。

所述终端设备6可以是智能手机、桌上型计算机、笔记本、平板电脑、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器60、存储器61。本领域技术人员可以理解，图6仅仅是终端设备6的示例，并不构成对终端设备6的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备6还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

终端设备6上一般都安装有操作系统，包括但不限于：Windows操作系统、LINUX操作系统、安卓(Android)操作系统、Symbian操作系统、Windows mobile操作系统、以及iOS操作系统等等。

所称处理器60可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processot，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器61可以是所述终端设备6的内部存储单元，例如终端设备6的硬盘或内存。所述存储器61也可以是所述终端设备6的外部存储设备，例如所述终端设备6上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器61还可以既包括所述终端设备6的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器61用于存储所述计算机程序以及所述终端设备6所需的其他程序和数据。所述存储器61还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

实施例4：

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如实施例1中所述的各实施例中的步骤，例如图2所示的步骤S101至步骤S105。或者，所述计算机程序被处理器执行时实现如实施例2中所述的各系统实施例中的各模块/单元的功能，例如图4所示的模块110至150的功能。

所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本发明实施例系统中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。