命令和控制自动化单元的电动机及所连接的系统的方法

命令和控制自动化单元的电动机及所连接的系统的方法
【专利摘要】一种命令和控制自动化单元(10)的电动机(12)的方法。所述单元包括：机械构件(13)，其由驱动轴(15)驱动；中央命令和控制单元(14)；以及位置检测装置(16)。所述方法提供了中央命令和控制单元(14)从位置检测装置(16)接收电动机(12)的驱动轴(15)和/或机械构件(13)的位置信号，将操作周期划分成由基本单位构成的多个彼此相等的子阶段(“n”个)，并且针对每个所述子阶段、或多个子阶段，选择预定的或自学习的电流参考，并产生包含用于电动机(12)的瞬时电流参考(前馈)的信号。
【专利说明】命令和控制自动化单元的电动机及所连接的系统的方法 发明领域
[0001] 本发明关于命令和控制自动化单元以及所连接的系统的方法，其具有至少一个直 接连接到机械构件的电动机。
[0002] 发明背景
[0003] 众所周知，自动化单元可以包括至少一个电动机，其通过减速（reduction)设备 的方式连接到机械构件或直接连接到机械构件。已知的是，消除中间的减速阶段是积极的 因素，因为这允许限制游隙、提高精度、减少功耗、以及使用更简单的系统、和/或使用更少 的部件。
[0004] 通常，在电动机构件和机械构件之间具有非常适度的大约（in the order of)不 超过约10个单位的减速的系统，也被包括在直接运动（motion)系统中。更准确地说，至少 在本发明中，其中电动机的惯量高于机械构件的惯量的两倍的那些系统被视为直接运动系 统。
[0005] 在直接运动中，通常地并且有利地为但不仅仅为无刷式的电动机，可能遭受由于 机械构件的圆角或所述圆角的部分的内部的可变负载的存在的惯量不平衡。可变负载是由 将被命令的各个设备的几何结构产生的。
[0006] 这些系统的运动可以具有固定的持续时间周期或可变的持续时间周期。
[0007] 还必须考虑的是，周期可以在时间单位中，例如在1分钟之内被快节奏（cadence) 地执行。
[0008] 正常情况下，这些系统的运动必须非常精确，既为了防止自动化单元的不同机械 构件之间的可能的干扰，也为了各个周期所实现的方法的不同步骤的正确执行。应当注意 的是，周期可以涉及一个圆角或多个圆角，或者其可以是圆角的一部分，只要所述部分的总 和构成了机械构件的一个圆角或多个圆角。
[0009] 根据本发明，说到机械构件，我们意指根据必须完成的过程的特定需求的滚筒、曲 柄、缩放仪系统、凸轮或其他构件。
[0010] 可以被认为是本发明的现有技术的文献EP-A2-1，815, 972,其描述了用于冲压生 产线的控制系统，其中的电动机速度可以在生产线的冲压或非冲压条件的基础上变化，独 立权利要求的前序部分实质上是基于此的。
[0011] 然而，总的来说，现有技术的一个缺点是，各个自动化单元的惯量的控制是认为惯 量对整个周期保持恒定来执行的。
[0012] 第二个缺点是，没有在子阶段中对周期进行分析，例如，参照了机械构件的圆角， 但是却将其考虑成同一个阶段。其他缺点来自依赖于热漂移、磨损、机械变形、摩擦力的可 变性、所遇到的电阻的可变性以及电动机的齿槽转矩（cogging)的不同性能。
[0013] 已知类型的命令和控制系统，将操作周期考虑为同一个阶段，因此不允许以详细 的和逐点的方式执行对应于子阶段的预定程序，这些子阶段一同构成了该周期。
[0014] 本发明的一个目的是提供保证与周期的每个子阶段有关的机械构件的不同的运 动在机械构件的角位置、角速度和加速度方面是尽可能准确的命令和控制方法。
[0015] 本发明的另一个目的是实现始终考虑不同的漂移影响，并且可以采用预定义且被 存储的程序，或者采用其中的某些特性因子来干预每个时间点的命令和控制方法，所述干 预具有保持每个子阶段中的机械构件的操作值（速度、加速度、位置等）中的准确性的目 的。
[0016] 申请人:已经设计、测试并展现了本发明，以克服现有技术水平的缺点，并且以获得 这些或其他的目的和优点。


【发明内容】

[0017] 在独立权利要求中对本发明进行了阐述和特征描述，同时独立权利要求描述了本 发明或主要发明构思的变化的其他特性。
[0018] 本发明适用于直接运动自动化单元，其中说到直接运动，我们意指其中电动机的 惯量高于连接到电动机的机械构件的惯量的两倍的运动。
[0019] 根据上述目的，用于根据本发明的自动化单元的命令和控制方法提供了中央单元 执行关于机械构件的操作功能的控制，其通过连接到电动机的轴或者连接到机械构件本身 的位置传感器，或者通过数学模拟驱动轴和/或机械构件的位置的实体的方式，直接地或 者间接地检测机械构件的位置。
[0020] 根据本发明的第一构想（formulation)，机械构件的至少一个圆角或更多个圆角 被划分成了数量为"η"的多个子阶段，每个子阶段都定义了关于机械构件的参考轴（主轴） 的预定义的基本单位。
[0021] 因此，在这种构想中，子阶段根据执行操作周期的机械构件的位置进行定义。
[0022] 根据变化，周期是根据时间考虑的并且子阶段"η"是根据等于周期时间的一部分 的基本时间单位获得的。
[0023] 根据另外的变化，根据模拟驱动轴或机械构件的位置的数学实体定义子阶段"η"。
[0024] 因此，在子阶段"η"每次都代表位置间隔或时间间隔、或数学实体的间隔的情况 下，对应于子阶段"η"的所述基本单位或间隔的总和等于机械构件的至少一个圆角或圆角 的一部分。
[0025] 根据本发明，在控制方法中可用的基本单位或子阶段"η"大约是主参考轴的有限 周期的360分之一。等于360分之一周期的子阶段"η"的值是优选值，但是也可以采用其 他值，例如100分之一、或700分之一或多于700分之一，只要根据本发明的值是等于多个 所考虑的基本单位的"η"的最小值，所述多个的最小是因子2。
[0026] 根据将要实现的关于各个子阶段或"η"的倍数个子阶段的操作条件，中央单元向 电动机发送电流参考（前馈），例如，采用其是但不限于是读取了在中央单元中提供的合适 的表中存储的数据中的相应参数的、关于"η"个或"η"的倍数个子阶段中的特定子阶段评 估的机械构件的瞬时惯量或瞬时加速度的函数的量。
[0027] 在本发明的实施方式的一些形式中，这些参数可以被预先定义，并且因此，如上所 述，存储在合适的表或数据库中，或者在周期的执行过程中，根据由中央单元管理的自学习 周期进行自学习。
[0028] 根据本发明的控制的精确程度受制于由中央单元作出的应答的延迟。如今这种延 迟在毫秒的量级；如果该延迟变化，那么控制"η"个或"η"的倍数个子阶段的角幅度也可变 化。
[0029] 在所识别的条件中，"η"个或"η"的倍数个子阶段的幅度允许进行有效且逐点的 控制，以保证各种机械构件的位置、速度和加速度的精确。
[0030] 根据每个机械构件必须执行的功能和特性，在一个完整的周期内提供了机械构件 必须遵循的运动配置。
[0031] 例如，由摩擦、磨损、温度升高、齿槽转矩和惯量不平衡等引起的可能的漂移能确 定可以从机械构件获得的定位、和/或速度、和/或加速度中的误差。根据本发明的控制方 法通过在对应"η"个或"η"的倍数个子阶段中的每个子阶段的电流参考（电流前馈）被发 送到驱动机械构件的电动机时的时刻启动来进行干预，使得这些漂移基本上被消除。以这 种方式，跟踪误差逐步达到0。
[0032] 根据变化，该方法提供了控制单元发送关于"η"个或"η"的倍数个子阶段中的每 个子阶段的速度参考（速度前馈）。
[0033] 根据另一个变化，该方法提供了控制单元发送关于"η"个或"η"的倍数个子阶段 中的每个子阶段的位置参考（位置前馈）。
[0034] 根据又一个变化，该方法提供了对用于"η"个或"η"的倍数个子阶段中的每个子 阶段的控制环路的增益的修改。
[0035] 本发明的目的是使电子技术的现有水平中的在大约每分600周期的范围中的机 械构件的工作周期成为可能。
[0036] 根据本发明，在以示例方式给出的例子中，将电流参考（前馈）发送到电动机，发 送了关于"η"个或"η"的倍数个子阶段中的每个子阶段的电流强度，其服从下面的算法 ：
[0037] IC = f (A, B)
[0038] 其中，1C =是电流参考。
[0039] A =是所计算出的使得跟踪误差保持在最小值的电流贡献（contribution)。该贡 献在自学习过程期间在"η"个子阶段中的每个子阶段被逐点存储和/或从预定义表中加 载。自学习过程验证周期的位置（"η"个或"η"的倍数个子阶段）和周期的节奏，将值A 存储在相应的表中；
[0040] B =是周期内的"η"个或"η"的倍数个子阶段。
[0041] 根据本发明，为了在算法的演进变化中确定电流参考，也可以考虑下面的附加因 素：
[0042] C =是机械构件应当具有的与周期的节奏关联的逐点速度，其可以改变；
[0043] D =是机械构件应当具有的与周期的节奏关联的速度的导数，其可以改变；
[0044] Ε=是机械构件的瞬时惯量，其可以在自学习过程中改变和/或存储。自学习过程 验证在周期中的位置（"η"个或"η"的倍数个子阶段）和周期自身的节奏，将值Ε存储在 相应的表中；
[0045] F =是振动（jerk)，即机械构件应当具有的与周期的节奏关联的速度的二阶导 数，其可以改变。
[0046] 可以直接从机械构件，或者，例如，直接从电动机的轴学习机械构件的参考。
[0047] 根据实施方式的另一形式，因子A(电流贡献）通过也与热漂移相关的算法进行纠 正，并且可以在自学习/自校正过程期间被存储。
[0048] 根据另一特征，系数C、D、E和F中的至少一个也被与热漂移相关的算法纠正。因 子F可以在自学习/自校正过程期间被存储。如上面所表示的，根据本发明的其他可能的 变化，遵循上面描述的关于与电流参考发送和热漂移管理的特定算法有关的基本原理。 [0049] 必须注意的是，根据本发明的方法首先以当前可以获得的硬件为条件：如果响应 能力提高，那么系统也可能被改善，并且因此可以被视为自动更新。
[0050] 根据本发明，数学模拟驱动轴的位置的检测装置或位置传感器、或实体与驱动构 件的轴关联，以防止峰值（peak)、摩擦、相位漂移或游隙。

【专利附图】

【附图说明】
[0051] 根据下面结合附图的作为非限制性示例给出的实施方式的一种形式的描述，本发 明的这些和其他的特性将更清楚，其中的附图如下：
[0052] 图1是具有两个在其上运用了根据本发明的命令和控制方法的操作单元的自动 化单元的示意视图；
[0053] 图2是图1中的部件的细节；
[0054] 图3示意性地示出了图1中的设备的部件的工作阶段的分布；
[0055] 图4是强调在其上运用了根据本发明的方法的子阶段"η"的概念的简化流程图；
[0056] 图5是根据本发明的算法的简化流程图；
[0057] 图6是示出在根据本发明的方法的执行中的每个子阶段的电流值（前馈）的发送 情况的框图。
[0058] 为了便于理解，在可能的地方，已经使用了相同的参考标记，以对附图中的相同的 常见元件进行标识。

【具体实施方式】
[0059] 参照附图，命令和控制根据本发明的电动机的方法对自动化单元是有用的。所述 自动化单元被应用在各种领域中，并且仅有的相关事实是，在支配所需的操作功能的驱动 构件（下文中指电动机12)和机械设备（下文中指机械构件13)之间没有被限制为高达约 数值10的减速或者多个减速。
[0060] 参照图1，以示例的方式给出的情况下，，自动化单元10包含两个操作单元11，每 个都具有检测位置的装置、或电动机12和/或机械构件13的位置检测装置16。位置检测 装置16,其在这种情况下直接连接到电动机12的轴，检测其中的角度位置，并且向中央命 令和控制单元14提供驱动轴15和机械构件13的逐点和精确的角度位置（图1)。
[0061] 位置检测装置16与中央命令和控制单元14通过数据连接线27连接。需要注意 的是，位置检测装置16可以包含与驱动轴15关联或与机械构件13关联的位置传感器。也 可以使用模拟驱动轴15或机械构件13的位置的数学实体。下文中，术语"位置检测装置 16"中包括了每次都采用的所有的这些变化。
[0062] 对于每个周期单位（或"η"个或"η"的倍数个子阶段），在此处以示例方式给出的 情况中，中央命令和控制单元14产生并发送例如通过自学习技术获得的、并且可能根据热 漂移纠正的前馈模式中的电流参考。
[0063] 事实上，中央命令和控制单元14被配置并且被编程为对操作单元的确定的工作 程序进行定义，并且因此对其电动机12的确定的工作程序进行定义。连接线18执行将来 自各操作单元11的命令和控制信息传送到中央命令和控制单元14,和/或将来自中央命令 和控制单元14的命令和控制信息发送给的各操作单元11的功能。数据连接线27和18是 否是物理类型或无线类型、或其他类型是没有区别的。
[0064] 如图2中示出的，各个操作单元11包括有利地但不是必须为无刷式的电动机12， 以及旨在实际执行操作步骤的机械构件13。机械构件13和电动机12通过驱动轴15分别 连接到可能的减速单元17,所述减速单元17具有最多约为数值10的减速。给定了低的减 速值，电动机12和机械构件13可以被认为是直接连接，实现了所谓的"直接运动"。对于操 作单元11的每个完整的操作周期的这种情况下，驱动轴15,在其正常发挥功能期间，执行 完整的转动（圆角）、和/或多个、和/或部分的转动，其在所述转动期间执行期望的一个或 多个工作阶段。
[0065] 图3示意性地示出了周期，例如，对应驱动轴的角度的"X"度转动。需要记住的是， 图3还可以与由数学构件作出的时间周期或圆角关联，以便执行该周期。
[0066] 对分别用21、22、23表示的每个子阶段，运用根据本发明的算法，并且中央命令和 控制单元14发送对应的电流值（前馈），例如通过自学习的、或者预先存储在表中的、以及 被纠正为防止可能的热漂移的方式获得的电流值。
[0067] 图4示出了简化的流程图，该简化的流程图示出了由中央命令和控制单元14执行 的命令和控制的总的功能作用原理。以电动机12的驱动轴15的转动角度为基础的周期， 即周期时间，其被划分成相等的子阶段"η"（在这里示出的情况中的"η"等于360° )。"η" 个子阶段中的每个子阶段（在图3中用21、22和23表示），分别由中央命令和控制单元14 管理，其中这些子阶段"η"的每一个都执行所提供的不同控制。
[0068] 应当记住的是，控制和管理也可能针对"η"的倍数个子阶段中的每一个执行。
[0069] 还应当记住的是，周期的每个阶段能以在"η"个或"η"的倍数个子阶段中的特定 子阶段特性的基础上的控制和命令为特征。
[0070] 图5示出了表示中央命令和控制单元14执行的用来管理和控制自动化单元10的 不同阶段的流程图。在该图中的参考数字具有下面的意义：Α对应于由中央命令和控制单 元14向电动机12发送的自学习的电流贡献；B对应于"η"个或"η"的倍数个子阶段中的 特定的子阶段；C对应于速度；D对应于加速度；Ε对应于瞬时惯量；F对应于振动，其是加速 度的导数。
[0071] 在操作单元11的活动中，通过中央命令和控制单元14,驱动轴15改变其通过位置 检测装置16的方式检测到的角度位置，以建立操作单元11所处的操作阶段。
[0072] -旦确定了操作单元11所处的特定的子阶段"η"，中央命令和控制单元14就获取 由程序提供的工作参数，并且运用控制算法，其结果是向电动机12发送电流参考（前馈）， 其是周期的位置（"η"个或"η"的倍数个子阶段）的函数，以允许如由程序所提供的克服 不一致并且对齐机械构件13。
[0073] 利用根据本发明的方法，已经示出了自学习过程，由于由中央命令和控制单元14 发送的电流贡献，其允许消除跟踪误差并且确定与已经设置为对应周期的各个子阶段关联 的那些相关的运动配置，从而优化了电动机的控制和由机械构件13执行的操作。
[0074] 图6示出了执行根据本发明的算法的示例，其中前馈（FF)的关于周期的特定子阶 段（η = 1，2, 3···，7,…）并且对应主参考轴线（驱动轴15或机械构件13)的确定的转动速 度的电流参考被存储在自学习表中。在该表中，可以看出特定和不同的电流参考如何能够 从中央命令和控制单元14送出，以优化依赖于特定阶段的操作周期的控制，并且以在自学 习过程已经执行后最小化跟踪误差。
[0075] 以这种方式，操作周期得到优化，其也是热漂移、摩擦、榫接或其他的每个单独阶 段的特定的函数。
[0076] 明显的是，可以对此前描述的自动化单元做出部分的修改和/或补充，而没有背 离本发明的领域和范围。
[0077] 同样明显的是，尽管本发明已经参照一些特定的示例进行了描述，但是本领域的 技术人员肯定能够实现许多具有在权利要求中阐述的特性的自动化单元的其他等价形式， 因此所有这些都落入其所定义的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种优化自动化单元（10)的电动机（12)的命令和控制的方法，所述自动化单元 (10)包括：机械构件（13)，其由所述电动机（12)的轴（15)驱动；以及中央命令和控制单元 (14)，其中所述自动化单元（10)包括至少一个位置检测装置（16)，以检测所述电动机（12) 的所述轴（15)和/或所述机械构件（13)的瞬时位置，其中所述电动机（12)和所述机械构 件（13)构成了适于执行所述机械构件（13)的一个或多个圆角或其部分的操作单元（11)， 其特征在于，所述方法提供了下列步骤： 所述中央命令和控制单元（14)从所述位置检测装置（16)至少接收所述电动机（12) 的轴（15)和/或所述机械构件（13)的位置信号； 每个圆角、或其部分都被划分成包含基本单位的彼此相等的数量为"η"的多个子阶 段； 所述中央命令和控制单元（14)，针对所述子阶段中的每一个、或针对倍数个子阶段中 的每一个，选择预定义的电流参考值、或通过所述方法自身的方式自学习的电流参考值，并 产生包含用于所述电动机（12)的瞬时电流参考（前馈）的信号，从而使得对于所述子阶段 中的每一个、或对于倍数个子阶段中的每一个，至少所述机械构件（13)的位置和/或速度 和或加速度实质上对应于所述参考值。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电动机（12)的轴（15)和所述机械构 件（13)之间的连接是直接运动方式，其中所述直接运动是其中所述电动机（12)的惯量高 于所述机械构件（13)的惯量的两倍的运动。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，每个子阶段至少对应由所述电动机 (12)的所述轴（15)执行的圆角的一部分。
4. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，每个子阶段对应于基本时间单位，表示 至少完成所述圆角或其部分所花费的时间的总的持续时间被划分成所述基本时间单位。
5. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，每个子阶段对应于基本单位，所述基本 单位产生于模拟所述电动机（12)的轴（15)和/或所述机械构件（13)的位置的数学实体。
6. 如之前的任意权利要求所述的方法，其特征在于，所述电流参考（前馈）至少是所述 机械构件（13)的瞬时跟踪误差、参考瞬时速度、所述机械构件（13)的参考瞬时速度的一阶 导数、所述机械构件（13)的参考瞬时速度的二阶导数、所述机械构件（13)关于所述周期的 节奏的瞬时惯量中的一个或多个的函数。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还提供了供应给所述电动机（12) 的在自学习过程中瞬时存储的电流参考（前馈）的贡献，所述自学习过程旨在瞬时最小化 用于"η"个或"η"的倍数个子阶段中的每个子阶段的所述跟踪误差，所述自学习过程验证 在所述周期（"η"个或"η"的倍数个子阶段）中的位置和所述周期的节奏，将用于"η"个 子阶段中的每个子阶段的必需的电流值（前馈）存储在相应的表中。
8. 如权利要求6或7中的一项所述的方法，其特征在于，所述方法提供了对所述机械构 件（13)的瞬时惯量的管理，所述惯量能够在所述自学习过程中变化和/或被存储，所述过 程至少验证所述圆角或其部分（子阶段"η"）的位置和所述周期的节奏，将用于"η"个子阶 段中的每个子阶段的值存储在相应的表中。
9. 如权利要求6到8中的任一项所述的方法，其特征在于，所述电流参考（前馈）也对 于例如由所述自动化单元（10)的机械部件和电气部件的摩擦、或任何其他类型的热漂移 确定的热漂移进行纠正。
10.采用如之前的任一项权利要求所述的方法的系统，所述系统包括电动机（12)，所 述电动机（12)是操作单元（11)的部分，所述电动机（12)具有机械构件（13)所连接的转 动轴（15)，所述系统还具有位置检测装置（16)，所述操作单元（11)至少执行由所述电动机 (12)驱动的所述机械构件（13)的圆角、或所述圆角的一部分，其特征在于，所述系统包括 中央命令和控制单元（14)，所述中央命令和控制单元（14)被配置成： -从所述位置检测装置（16)获取所述电动机（12)的轴（15)和/或所述机械构件（13) 的位置数据； -至少将所述机械构件（13)的圆角、或其部分划分成包含基本单位的相等的"η"个或 "η"的倍数个子阶段； -根据"η"个或"η"的倍数个子阶段中的特定的子阶段和所述周期的节奏，选择存储在 或存在于自学习表中的电流参考（前馈）贡献； -施加方法来纠正针对所述电动机（12)所选择的所述电流参考（前馈），以保证即使 在存在比如变化的摩擦力、电气漂移或其他情况的热漂移时，所述机械构件（13)也具有实 质上对应参考瞬时值的位置和/或速度和/或加速度的值。
【文档编号】G05B19/19GK104126156SQ201280061056
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2012年10月15日 优先权日:2011年10月13日
【发明者】尤里·莫纳里, 菲奥伦佐·德拉盖蒂 申请人:Gima Tt 有限责任公司