用于檢驗分解器輸出信號可信度的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于檢驗分解器（21）的輸出信號（u1，u2）的可信度的方法，利用該方法可以確定機器（R）的兩個節肢（3-7）相對于彼此的角位置。
【專利說明】用于檢驗分解器輸出信號可信度的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于檢驗分解器的輸出信號的可信度的方法。
【背景技術】
[0002]為了確定機器的兩個可相對于彼此關于轉動軸轉動的部件的角位置，使用所謂的分解器(Resolver)。具有可相對于彼此轉動的部件的機器例如是機器人。機器人通常是處理機器，其裝備有適用的工具并在多個運動軸上特別是關于方向、位置和工作進程是可編程的，以對對象自動進行處理。機器人通常包括具有多個節肢的機器人臂和可編程控制器(控制裝置)，該控制器在運行期間控制或調節機器人臂的運動過程。驅動器例如是電驅動器，而節肢可相對于彼此關于轉動軸可轉動地受到支承。
[0003]由專利文獻EP2211148A2本領域技術人員可了解分解器。分解器是指一種電磁測量變換器，用于將兩個彼此相對運動的部件的角位置變換為電輸出信號。兩個彼此相對運動的部件例如是兩個關于轉動軸可轉動地受到支承的節肢或者電機的轉子，其相對于電機的定子轉動。輸出信號通常是兩個相移90°的正弦電信號，尤其是兩個相移90°的正弦電壓，據此可以確定角位置的模數(modulo) n，在此，n是所謂的分解器的極對數，其可以由線圈繞組的排列得到并且是較小的正自然數，并且也可以是I。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于給出一種用于檢驗分解器輸出信號可信度(Plausibilitaet)的改進的方法。這種可信度檢驗特別是能夠根據極對的數量n>l的分解器的測量值(這至少適用于在機器人中常見的分解器)，推斷出實際的電機角度，而不僅僅是如同現有技術那樣只得到模數n。
[0005]本發明的目的通過一種用于檢驗分解器輸出信號可信度的方法實現，利用該方法可以確定機器的兩個關于轉動軸可轉動地受到支承的節肢相對于彼此的角位置，該方法具有以下步驟:
[0006]在機器正常運行之前，確定所用分解器的特征參數，這使得能夠根據電機位置計算出所期望的分解器輸出信號的有效范圍，
[0007]在機器正常運行期間并借助于分解器產生兩個輸出信號，利用該輸出信號可以確定兩個節肢相對于彼此的角位置，
[0008]將至少一個輸出信號與配屬于分解器的所討論的輸出信號的額定值進行比較，或者將兩個輸出信號的組合與這兩個輸出信號的組合的額定值進行比較，以及
[0009]當所討論的輸出信號不同于其額定值、至少小于一預設的值時，或者當這兩個輸出信號的組合不同于這兩個輸出信號的組合的額定值、至少小于一預設的值時，只使用輸出信號來確定兩個節肢相對于彼此的角位置。
[0010]本發明的另一方面涉及一種機器，其具有:至少兩個相對于彼此關于轉動軸可運動的節肢；和具有電機的驅動器，用于使節肢彼此相對運動；與電機耦合的分解器，用于確定電機的轉子相對于其定子的角位置；和與驅動器以及分解器相連接的控制裝置，用于根據本發明的方法確定兩個節肢相對于彼此的角位置。根據本發明的機器特別是工業機器人，這種工業機器人具有包括多個節肢的機器人臂和用于使節肢運動的驅動器以及與驅動器相連接的控制裝置，將該控制裝置設計為，控制用于使節肢彼此相對運動的驅動器。[0011]使用分解器確定兩個節肢相對于彼此的角位置對于本領域技術人員而言原則上是公知的。在此分解器是一種測量變換器，用于將兩個可彼此相對運動的部件的角位置轉換為電輸出信號。兩個可彼此相對運動的部件例如是兩個關于轉動軸可轉動地受到支承的節肢或相對于電機定子轉動的電機轉子。
[0012]這兩個節肢例如可以借助于機器的電機彼此相對運動，從而使分解器的輸出信號與電機轉子相對于其定子的角位置相對應。優選將至少一個關于電機的至少一個完整的電機旋轉的分解器輸出信號或兩個輸出信號的組合與對應的額定值進行比較。在一個完整的電機旋轉中，電機的軸或轉子相對于電機的定子轉動360°。
[0013]分解器包括例如兩個錯開90°的繞組和可關于轉動軸旋轉的另一繞組。在分解器的運行中，向其另一繞組施加交變電壓，由此在固定的繞組中分別感應出彼此相移90°的交變電壓。這兩個交變電壓是兩個固定繞組或分解器的輸出信號。由于通常這些繞組中的若干個會旋轉偏移n倍(在此，該倍數相當于伺服電機中的極對的數n)地設置，因此所產生的輸出信號在理想化的制造的情況下會以1/n電機旋轉為周期重復地進行，因此，理想化制成的極對數為n的分解器理論上只能作為用于1/n電機旋轉的絕對值產生器。
[0014]在理想化的或理想設定的分解器中，其輸出信號準確地相位錯移90°，并產生相同振幅且周期為1/n電機旋轉的正弦輸出信號。如果將該輸出信號標準化，則在正確工作的理想化分解器中，輸出信號的平方和始終為1.0。
[0015]但是，真實的部件，包括真實的解析器在實踐中與理想化的部件或者說理想設定的部件是有所不同的。例如，實際的分解器的輸出信號并非精確的相位錯移90°，因此輸出信號的平方和也不會總是正好為1.0。同樣，極對的n倍排列通常不是精確對稱的。這意味著，極對數為n的分解器的輸出信號不是以1/n電機旋轉為周期(不考慮其它干擾)，實際上是以I次電機旋轉為周期。盡管信號以近乎1/n電機旋轉為周期，但是在實際的周期性在I次電機旋轉時才作為干擾被忽略，相比于對其進行有益的分析，其更可能會導致問題。
[0016]如果所期待的分解器輸出信號是已知的，則根據本發明將至少一個輸出信號與配屬于分解器的該所討論的輸出信號的額定值進行比較。特別是可以利用兩個輸出信號在極值位置上的絕對值，以在分解器的特定狀態下唯一地推斷出角位置，尤其是電機的角位置。
[0017]如果所討論的輸出信號與其額定值最大相差預先設定的值，則將該輸出信號用于角度計算，否則不予采納。因此，這表現出對分解器輸出信號的可信度測試或者說可信度檢查。
[0018]該預設值例如是可預期的最大噪聲，其會影響到輸出信號。
[0019]替代地可以采用兩個輸出信號的組合，并與這兩個輸出信號的組合的額定值進行比較。輸出信號的組合的一個例子是輸出信號的平方和。
[0020]在根據本發明方法的一種優選實施方式中，將輸出信號標準化。輸出信號的組合就是經標準化的輸出信號的平方和，而兩個輸出信號的組合的額定值f滿足以下條件:
[0021]f = I+a ? sin (x+b)[0022]其中，參數a是具有小于零的正值的常數，參數b是恒定值，它們可以根據分解器的制造公差取得，額定值f說明了電機轉子的角位置。
[0023]參數a和b例如可以借助于參數識別方法，通過分析以下條件來確定:
[0024]U12+^2 = I+a ? sin (x+b)。
[0025]其中，U1和U2是分解器的輸出信號，X表不電機角，也就是在一次電機旋轉過程中從0到2 的運行。特別是對于參數識別來說，電機轉子至少轉動一個完整的旋轉。
[0026]在根據本發明方法的一種變形中，該方法具有以下方法步驟:
[0027]通過對輸出信號的特別是循環采樣，生成離散的分解器輸出信號，
[0028]確定電機在至少一個完整的電機旋轉期間在所有理論上可能的離散角位置的額定值，
[0029]將離散輸出信號的標準化的平方和與相應的額定值進行比較，以及
[0030]對于那些所討論的標準化輸出信號的平方和與額定值最大相差一個預設值的離散輸出信號，只使用離散輸出信號來確定電機轉子相對于定子的角位置。
[0031]優選利用分解器的角位置的范圍，在該范圍內角位置的對應關系是唯一的，或者至少不會有兩個關于一個完整的電機旋轉的假設都是不可信的。
[0032]在根據本發明方法的一種變形中，為了實現對可信的分解器輸出信號的預選，可以只使用那些位于[1-a-r，1+a+r]范圍內的標準化的輸出信號。
[0033]在根據本發明方法的一種實施方式中，為了使根據本發明的機器即使在分解器的輸出信號不可信的情況下也能夠運行，只要所討論的標準化的輸出信號的平方和與額定值的差大于預設值，就對兩個節肢相對于彼此的當前角位置實行估測。
[0034]在根據本發明方法的一種實施方式中，為了識別在電源電壓中斷期間分解器的轉動(Verdrehung),可以執行以下步驟:
[0035]存儲已確定的角位置，
[0036]在確定角位置所需要的電源電壓發生故障、并在該電源電壓可再次使用之后，將直接在所述電源電壓可再次使用之后所確定的角位置與直接在電源電壓發生故障之前所存儲的角位置進行比較，并
[0037]根據比較結果確定分解器在電源電壓發生故障期間是否發生轉動。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]下面參照附圖對本發明的實施例進行說明。其中，
[0039]圖1示出了一種具有機器人臂和控制裝置的機器人，
[0040]圖2示出了具有一個極對的分解器，
[0041]圖3示出了具有三個極對的理想分解器的輸出信號，
[0042]圖4示出了具有三個極對的真實分解器的輸出信號。
【具體實施方式】
[0043]圖1以透視圖示出了具有機器人臂2的機器人I。
[0044]在本實施例中，機器人臂2包括多個依次設置并通過關節相連接的節肢。在此，節肢特別是指固定的或可移動的支架3和可相對于支架3圍繞垂直軸Al轉動地受到支承的轉盤4。在本實施例中，機器人臂2的其他節肢包括搖臂5，懸臂6和優選為多軸的機器人手7，機器人手7具有設計為法蘭的固定裝置，用于固定未示出的末端執行器。搖臂5在下端部上，例如在未詳細示出的搖臂軸承頭上圍繞優選為水平的軸A2可擺動地支承在轉盤4上。懸臂6圍繞同樣優選為水平的軸A3可擺動地支承在搖臂5的上端部上。懸臂6在端側支承具有優選為三個軸A4、A5、A6的機器人手7。
[0045]為了使機器人I或其機器人臂2運動，機器人以公知的方式包括與控制裝置9相連接的驅動器，這些驅動器特別是電驅動器。在圖1中只示出了這些驅動器的幾個電機10、
11。在控制裝置9上運行計算機程序，控制裝置9在機器人R運行期間通過計算機程序控制機器人，使法蘭8或所謂的工具中心點執行預先規定的運動。控制裝置9根據需要調整驅動器，這在理論上是為本領域技術人員所公知的。
[0046]為了確定機器人臂2的各個節肢相對于彼此的角位置，機器人臂2包括在圖2中示出的分解器21，其以本領域技術人員所公知的方式設置在使各個節肢運動的電機10、11上。分解器有時也被稱為角度編碼器。
[0047]人們可以將分解器理解為一種電磁測量變換器，尤其是用于將兩個可彼此相對運動的部件的角位置轉換為電輸出信號。兩個可彼此相對運動的部件例如可以是兩個關于轉動軸可轉動地受到支承的節肢或者相對于電機定子轉動的電機轉子。
[0048]在該極對數為I的分解器的實施例中，分解器21具有特別是圓柱形的殼體22，在該殼體中，設有兩個相對于殼體22固定、彼此錯開90°的繞組(第一繞組23和第二繞組24)。分解器21還具有一個可關于轉動軸旋轉的三極對的另一繞組25。例如，如果電機10配備有分解器21，則另 一繞組25隨電機10的轉子或軸相對于電機定子轉動。
[0049]在分解器21的運行中，向其另一繞組25施加交流電壓，由此在固定繞組23、24上分別感應出交流電壓，這兩個交流電壓彼此相位錯移90°。這兩個交流電壓是兩個固定繞組23、24的輸出信號七、U2，在此將第一繞組23的輸出信號標記為U1，并將第二繞組24的輸出信號標記為u2。分解器21與控制裝置9相連接，由此可以使控制裝置9獲得分解器21的輸出信號Ul、U2以用于分析。
[0050]假設該分解器21是理想部件，則其固定繞組23、24精準地錯開90°地設置，并生成具有相同振幅的輸出信號Ul、u2。這在圖3中示出，其中，第一信號U1為余弦，而第二信號U2為正弦。在此輸出信號Up U2描述了所討論的電機10、11的軸或轉子的狀態(數學表達:軸的一次旋轉相當于2 )。如果將輸出信號七、~標準化，則其振幅是相同的，為1.0，并且輸出信號Ul、u2例如為:
[0051]U1 = cos (X)
[0052]U2 = sin (x)。
[0053]這樣，控制裝置9可以利用這兩個輸出信號Ul、ii2計算所討論的電機10、11的轉子
相對于其定子的角位置。
[0054]此外，對于標準化的輸出信號Ul、U2，其平方和始終等于1.0，即:
[0055]f理想0
[0056]其中，是可信度信號，根據對該信號的分析可以推斷出所測得的輸出信號Ul、U2是否正確，即，通過分析這兩個標準化的輸出信號Ul、u2的平方和是否等于1.0或近似等于1.0來得出。[0057]但是在實踐中，真實的部件、也包括真實的分解器21與理想化的部件或者說理想設定的部件是不同的。圖4至少近似地示出了輸出信號U1、U2和極對數為3 (針對21的修改，在此為簡單起見使用了(較少感興趣的)極對數I)的真實分解器的可信度信號f的值的曲線，該曲線并不是完全旋轉對稱地具有三個周期。由此將至少近似地得到以下所期待的
可信度信號:
[0058]f = U12+^2 = I+a ? Sin (x+b)
[0059]其中，參數a是具有小于零的正值的常數，參數b是恒定值，它們可以根據分解器2的制造公差基本上隨機地取得，b特別是位于0.2 的范圍內，X表示電機角度。
[0060]在本實施例中，需要提前為每個所使用的分解器21確定參數a、b并存儲在控制裝置9中。這些參數例如在參數識別的框架中例如通過消除誤差計算來確定，在此，例如隨著所討論電機10、11的至少一個、優選為多個軸的旋轉記錄下各個可信度信號f，然后進行分析。在本實施例中，這將由控制裝置9利用合適的計算機程序自動執行。
[0061]此外，可以給定邊界值，特別是噪聲邊界值r，其優選小于參數a，并表示所討論的分解器21的通常預期的最大信號噪聲。特別是在運用統計方法時，該噪聲邊界值r也可以大于或等于參數a，從而仍然能夠使用原則上所描述的方法。
[0062]在本實施例中，在控制裝置9上運行的是用于處理輸出信號Ul、U2的計算機程序。為了實現此目的，首先例如借助于A/D轉換器對輸出信號Ul、U2采樣，然后根據需要利用模擬和/或數字濾波器進行濾波。特別是以足夠高的頻率對輸出信號Ul、U2進行循環采樣。最后利用計算機程序對采集到的輸出信號UpU2做進一步處理。
[0063]如果采用噪聲邊界值r，則可以將在控制裝置9上運行的計算機程序設計為，其首先對輸出信號Up U2或者這兩個信號的組合進行第一可信度檢驗，并且例如僅采用對于所確定的標準輸出信號UpU2的值，值f=Ul2+i!22位于范圍[l-a-r，l+a+r]內的、采集的輸出信號的值來確定所討論的電機10、11的轉子相對于其定子的角位置。
[0064]如果所確定的值位于范圍[1-a-r, 1+a+r]之外,則放棄采集的輸出信號U1'U2,即不將其用于確定所討論的電機10、11的轉子相對于其定子的角位置。這特別是示出了對所討論的分解器21的輸出信號Ul、U2的第一可信度檢驗。然后，對于那些位于范圍[1-a-r，1+a+r]內的所討論的分解器21的標準化的輸出信號ul、u2，控制裝置9確定配屬于分解器
21的分解器角度@9?!，也就是說，所討論的電機10、11的、以極對數n為模的轉子相對于其
定子的相應角位置。這例如通過以下公式得到:
[0065]
【權利要求】
1.一種用于檢驗極對數為n的分解器(21)的輸出信號U1, U2)的可信度的方法，利用該方法可以確定機器(R)的兩個關于轉動軸(A1-A6)可轉動地受到支承的節肢(3-7)相對于彼此的角位置，該方法具有以下步驟: 在所述機器(R)正常運行期間并借助于所述分解器(21)產生兩個輸出信號(Ul，u2)，利用這些輸出信號確定所述兩個節肢(3-7)相對于彼此的模數為n的角位置； 將所述輸出信號(U1, U2)中的至少一個與對應于所述分解器(21)的所討論輸出信號U1,U2)的額定值進行比較，或者將所述兩個輸出信號(Ul，U2)的組合與這兩個輸出信號U1,U2)的組合在所有n個相應于所確定的模數為n的位置的角位置上的額定值(f)進行比較，當所討論的輸出信號U1, U2)在這些n種情況的至少一種情況下與其額定值最大相差一預設值時，或者當所述兩個輸出信號U1, U2)的組合在這些n種情況的至少一種情況下與所述兩個輸出信號U1, U2)的組合的額定值(f)最大相差一預設值(r)時，只采用輸出信號Cu1, U2)用于確定所述兩個節肢(3-7)相對于彼此的模數為n的角位置。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述預設值是最大預期噪聲，所述輸出信號U1,U2)或所述兩個輸出信號U1, U2)的組合受該最大預期噪聲(r)的影響。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中，所述兩個節肢(3-7)通過所述機器(R)的電機(10，11)相對于彼此運動，并且所述分解器(21)的輸出信號(Ul，U2)與所述電機(10，13)的轉子相對于其定子的角位置相對應，并且特別是對所述電機(10，11)的至少一個完整的電機旋轉的輸出信號(U1, U2)進行分析。
4.如權利要求3所述的方法，其中，將所述輸出信號(Ul，U2)標準化，所述輸出信號U1,u2)的組合是經標準化的輸出信號 的平方和，所述兩個輸出信號(Ul，U2)的組合的額定值(f)滿足以下條件:
f = I+a ? sin (x+b) 其中，參數a是具有小于零的正值的常數，參數b是恒定值，它們可以根據所述分解器(21)的制造公差獲得，而所述額定值(f)描述所述電機(10，11)的轉子相對于其定子的角位置。
5.如權利要求4所述的方法，具有以下步驟: 借助于參數識別方法，通過分析以下規定來確定所述參數a和b: uX = I+a ? sin (x+b)。
6.如權利要求3或4所述的方法，具有以下方法步驟: 通過對所述輸出信號U1, U2)的特別是循環采樣，生成所述分解器(21)的離散輸出信號(U1, U2), 確定所述電機(10，11)在一個完整的電機旋轉期間的所有理論上可能的離散角位置的額定值(f)， 將所述離散輸出信號(UpU2)的標準化的平方的和與相應的所述額定值(f)進行比較，并 對于那些所討論的標準化的輸出信號U1, u2)的平方和與所述額定值(f)最大相差為所述預設值(r )的離散輸出信號(U1，U2)，只采用離散輸出信號(U1，U2)來確定所述電機(10，11)的轉子相對于其定子的角位置。
7.如權利要求3至6中任一項所述的方法，具有以下方法步驟:只米用位于[1-a-r, 1+a+r]范圍內的標準化的輸出信號(U1, u2)。
8.如權利要求1至9中任一項所述的方法，具有以下方法步驟: 當所討論的所述標準化的輸出信號U1, U2)的平方和與所述額定值(f)相差大于所述預設值(r)時，對所述兩個節肢(3-7)相對于彼此的當前角位置實行估測。
9.如權利要求1至8中任一項所述的方法，具有以下方法步驟: 存儲所確定的角位置， 在確定角位置所需的電源電壓發生故障、并在該電源電壓可再次使用之后，將直接在所述電源電壓可再次使用之后所確定的角位置與直接在該電源電壓發生故障之前存儲的角位置進行比較，以及 根據比較結果確定所述分解器在所述電源電壓發生故障期間是否發生轉動。
10.一種機器，特別是工業機器人，具有:至少兩個關于轉動軸(A1-A2)可相對于彼此運動的節肢(3-7);具有電機(10，11)的驅動器，用于使所述節肢(3-7)彼此相對運動；與所述電機(10，11)耦合的分解器(21)，用于確定所述電機(10，11)的轉子相對其定子的角位置；和與所述驅動器和所述分解器(21)相連接的控制裝置(9)，用于根據如權利要求1至9中任一項所述的方法確定所述兩個 節肢(3-7)相對于彼此的角位置。
【文檔編號】G01D5/20GK103649686SQ201280034852
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年7月11日 優先權日:2011年7月14日
【發明者】安德烈亞斯·哈格瑙爾 申請人:庫卡羅伯特有限公司
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