电机控制装置 技术领域：本发明涉及一种电机(包括同步电机，直流电机，异步电机，直线电机等)控制装置，能用于机床、半导体制造装备和机械人等的驱动及控制。
背景技术：目前在采用电机(包括同步电机，直流电机，异步电机，直线电机等)对机床、半导体制造装备的平台或者机器人的手臂等负载进行控制时，一般都是先在如NC等的上位控制部生成位置指令，然后由伺服器按此指令对伺服电机进行控制。图2是现行的电机控制装置的结构示意图。在机械结构的构成上，如图9所示，第一机械轴机械控制器2，第一机械轴伺服电流控制器4，作为一个独立单元构成，通常称为第一机械轴伺服控制器17。同样，如图10所示，第二机械轴机械控制器3，第二机械轴伺服电流控制器5作为一个独立单元构成为第二机械轴伺服控制器18。而各个伺服电机则根据机械平台8的要求被装配在机械平台8与机床床体之间。NC控制器1也为一个独立的构成单元。NC控制器1与第一机械轴伺服控制器17及第二机械轴伺服控制器18之间，一般用电缆、光缆或专用插口进行连接。第一机械轴伺服控制器17与第一机械轴伺服电机6之间，一般用电缆连接。第二机械轴伺服控制器18与第二机械轴伺服电机7之间，一般用电缆连接。作为上位控制部的NC控制器1，可以在生成第一NC位置指令r1和第二NC位置指令r2的同时，监视反映各个伺服电机工作状况的第一位置反馈x1和第二位置反馈x2。第一NC位置指令r1和第二NC位置指令r2可以有如下的指令形式来传送。其传送的时间周期Tn一般大于机械控制器Tj或电流控制器的控制周期Ti。因为其它时间周期场合的结果很容易通过类推得出，以下只按Tn＝4*Tj……(1)的场合进行说明。由于无论是绝对位置指令、相对位置指令和差分位置指令，利用现有技术均可以很容易转换为其他形式的指令。为此，以下将只对其中绝对位置指令形式的场合进行说明。由于第一NC位置指令r1在时间周期Tn内不变，所以第一机械轴机械控制器2在进行控制运算时，一般先进行以下的变换。
rc1(K*Tn)＝r1((K-1)*Tn)……(2)
rc1(K*Tn+k*Tj)＝rc1(K*Tn+(k-1)*Tj)+Vc((K-1)*Tn)*Tj……(3)
Vc1((K-1)*Tn)＝r1(K*Tn)-r1((K-1)*Tn)/Tn……(4)
K＝0，1 ，2，，，，……(5)
k＝0，1，2，3……(6)
同时，将第一电机位置xm1与rc1中的一个进行单位换算，使得两者的单位统一。之后，以rc1为周期Tj内的指令，第一机械轴机械控制器2在周期Tj内完成所需地机械控制运算，向第一机械轴伺服电流控制器4提供第一转矩指令fr1。第一机械轴伺服电流控制器4则以第一转矩指令fr1为指令，对第一机械轴伺服电机6进行电流控制等，使得第一机械轴伺服电机6输出的第一机械驱动动力f1与第一转矩指令fr1基本一样。由于第二机械轴机械控制器3，第二机械轴伺服电流控制器5，第二机械轴伺服电机7的工作原理与上述相同，在此省略对它们的说明。二轴机械平台8一般来说，它具有如图4、图5、图6所示的三种结构形式。对应于图4所示的结构，如图7所示，当通过P2点时，NC的速度指令矢量V将从V1激剧地变为V2。由于二轴机械平台8是一个惯性系统，其速度的跳越性变化是无法实现的，所以，在二轴机械平台8的实际轨迹上将出现诸如超程、振动、走内包线和抗干扰能力弱等问题。对应于图5所示的结构，由于二轴机械平台8不但是根据第一机械驱动动力f1和第二机械驱动动力f2的大小，而且还要根据它们的着力点，在其合力方向及围绕重心的旋转方向同时进行机械运动。此时，在图2所示的第一机械轴机械控制器2和第二机械轴机械控制器3上，就无法针对图4所示机械摸型进行控制器的设计，也就无法得到满意的控制结果。所以，在二轴机械平台8的实际轨迹上将出现诸如超程，振动，抗干扰能力弱，机械反应慢等问题。对应于图6所示的结构，由于两个伺服电机作用力在同一个方向上，第一机械驱动动力f1与第二机械驱动动力f2将发生干涉。而在图2所示的第一机械轴机械控制器2和第二机械轴机械控制器3之间，没有必要的信息交换，就无法完全消除这一干涉所带来的影响。所以，在二轴机械平台8的实际轨迹上将出现诸如超程、振动、抗干扰能力弱和机械反应慢等问题。
发明内容：本发明的目的就在于利用原来的电机控制装置中已经具备的NC控制器1、第一机械轴伺服电流控制器4、第二机械轴伺服电流控制器5、第一机械轴伺服电机6、第二机械轴伺服电机7、机械平台8的软件和硬件的条件，通过追加综合控制器9并提供原来的第一机械轴机械控制器2和第二机械轴机械控制器3所不具备的控制运算方式，从而改善二轴机械平台8的超程、走内包线、振动、抗干扰能力弱和机械反应慢等问题，提高其实际轨迹精度。本发明是通过下述方案予以实现的：一种电机控制装置，它包括具有生成第一NC位置指令r1和第二NC位置指令r2并监视第一位置反馈x1和第二位置反馈x2的NC控制器1，根据第一转矩指令fr1和第一电机位置xm1生成第一电力信号V1和第一位置反馈x1的第一机械轴伺服电流控制器4，根据第二转矩指令fr2和第二电机位置xm2生成第二电力信号V2和第二位置反馈x2的第二机械轴伺服电流控制器5，根据上述第一电力信号V1生成第一机械驱动动力f1并提供第一电机位置xm1的第一机械轴伺服电机6，根据上述第二电力信号V2生成第二机械驱动动力f2并提供第二电机位置xm2的第二机械轴伺服电机7，在上述第一机械驱动动力f1和上述第二机械驱动动力f2的作用下产生机械运动的机械平台8，其特征是它还包括：根据上述第一NC位置指令r1，第二NC位置指令r2，第一位置反馈x1和第二位置反馈x2，生成第一转矩指令fr1和第二转矩指令fr2，使得机械平台8按NC控制器1的要求产生机械运动的综合控制器9。本发明的电机控制装置由于引入了综合控制器9，就可以通过综合控制器9提供原来的第一机械轴机械控制器2和第二机械轴机械控制器3所不具备的控制运算方式，从而改善二轴机械平台8的超程、走内包线、振动、抗干扰能力弱和机械反应慢等问题，提高了机械平台实际轨迹精度。
本发明还提供一种电机控制装置，它包括具有生成第一NC位置指令r1和第二NC位置指令r2并监视第一位置反馈x1和第二位置反馈x2的NC控制器1，根据第一电力信号V1生成第一机械驱动动力f1并提供第一电机位置xm1的第一机械轴伺服电机6，根据第二电力信号V2生成第二机械驱动动力f2并提供第二电机位置xm2的第二机械轴伺服电机7，在第一机械驱动动力f1和第二机械驱动动力f2的作用下产生机械运动的机械平台8，其特征是它还包括：根据上述第一NC位置指令r1，第二NC位置指令r2，第一位置反馈x1和第二位置反馈x2，生成第一转矩指令fr1和第二转矩指令fr2的综合控制器9；具有位置控制运行方式，速度控制运行方式，转矩控制运行方式，并被设定在转矩控制运行方式的条件下，根据上述第一转矩指令fr1和第一电机位置xm1生成第一电力信号V1和第一位置反馈x1的第一机械轴伺服控制器17；具有位置控制运行方式，速度控制运行方式，转矩控制运行方式，并被设定在转矩控制运行方式的条件下，根据上述第二转矩指令fr2和第二电机位置xm2生成第二电力信号V2和第二位置反馈x2的第二机械轴伺服控制器18。本发明的电机控制装置由于引入了综合控制器9，就可以通过综合控制器9提供原来的第一机械轴机械控制器2和第二机械轴机械控制器3所不具备的控制运算方式，从而改善二轴机械平台8的超程、走内包线、振动、抗干扰能力弱和机械反应慢等问题，提高其实际轨迹精度。同时，在对原有电机控制装置改造时，由于利用了原有电机控制装置中已经具备了的第一机械轴伺服控制器17和第二机械轴伺服控制器18，而没有追加新的伺服控制器，从而降低了改造原有电机控制装置所需的经济成本和缩短了改造原有电机控制装置所需的时间。
附图说明：图1为本发明第一实施方案的电机控制装置的结构示意图，图2为原有电机控制装置的结构示意图，图3为第二实施方案的电机控制装置的结构示意图，图4为电机控制装置的机械平台8的第一种结构示意图，图5为电机控制装置的机械平台8的第二种结构示意图，图6为电机控制装置的机械平台8的第三种结构示意图，图7为原有电机控制装置的NC指令的示意图，图8为第三实施方案的综合控制器9的结构示意图，图9为第二实施方案中第一机械轴伺服控制器17的结构示意图，图10为第二实施方案中第二机械轴伺服控制器18的结构示意图。
具体实施方案一：下面结合图1具体说明本实施方案。它由具有生成第一NC位置指令r1和第二NC位置指令r2并监视第一位置反馈x1和第二位置反馈x2的NC控制器1，根据第一转矩指令fr1和第一电机位置xm1生成第一电力信号V1和第一位置反馈x1的第一机械轴伺服电流控制器4，根据第二转矩指令fr2和第二电机位置xm2生成第二电力信号V2和第二位置反馈x2的第二机械轴伺服电流控制器5，根据上述第一电力信号V1生成第一机械驱动动力f1并提供第一电机位置xm1的第一机械轴伺服电机6，根据上述第二电力信号V2生成第二机械驱动动力f2并提供第二电机位置xm2的第二机械轴伺服电机7， 在上述第一机械驱动动力f1和上述第二机械驱动动力f2的作用下产生机械运动的机械平台8，根据上述第一NC位置指令r1，第二NC位置指令r2，第一位置反馈x1和第二位置反馈x2，生成第一转矩指令fr1和第二转矩指令fr2，使得机械平台8按NC控制器1的要求产生机械运动的综合控制器9组成。NC控制器1，第一机械轴伺服电流控制器4，第二机械轴伺服电流控制器5，第一机械轴伺服电机6，第二机械轴伺服电机7，机械平台8，与原有方式相同。省略对它们的详细说明。以下，针对机械平台8为图6所示的结构进行说明。这时，第一NC位置指令r1为下平台对地面的位置指令，第二NC位置指令r2为上平台对地面的位置指令，第一位置反馈x1为下平台对地面的实际位置，第二位置反馈x2为上平台对地面的实际位置。综合控制器9按以下的运算生成第一转矩指令fr1和第二转矩指令fr2。其中，s为微分算子，KP1，Kv1，Ki1为针对下平台的控制增益，KP2，Kv2，Ki2为针对上平台的控制增益，m1为下平台的质量，m2为上平台的质量。
fr2＝m2*(Kp2*(r2-x2)-s*x2)*(Ki2/s+Kv2)……(7)
fr1＝m1*(Kp1*(r1-x1)-s*x1)*(Ki1/s+Kv1)-fr2……(8)
由于通过(7)，(8)式的运算，完全消除了上下平台的干涉问题，从而改善了二轴机械平台8的运动特性，使其实际轨迹精度得以提高。而(7)，(8)式的运算在原有的系统结构上是无法得以实现的。
具体实施方案二：下面结合图3具体说明本实施方案。它由具有生成第一NC位置指令r1和第二NC位置指令r2并监视第一位置反馈x1和第二位置反馈x2的NC控制器1，根据第一电力信号V1生成第一机械驱动动力f1并提供第一电机位置xm1的第一机械轴伺服电机6，根据第二电力信号V2生成第二机械驱动动力f2并提供第二电机位置xm2的第二机械轴伺服电机7，在第一机械驱动动力f1和第二机械驱动动力f2的作用下产生机械运动的机械平台8，根据上述第一NC位置指令r1，第二NC位置指令r2，第一位置反馈x1和第二位置反馈x2，生成第一转矩指令fr1和第二转矩指令fr2的综合控制器9；具有位置控制运行方式，速度控制运行方式，转矩控制运行方式，并被设定在转矩控制运行方式的条件下，根据上述第一转矩指令fr1和第一电机位置xm1生成第一电力信号V1和第一位置反馈x1的第一机械轴伺服控制器17；具有位置控制运行方式，速度控制运行方式，转矩控制运行方式，并被设定在转矩控制运行方式的条件下，根据上述第二转矩指令fr2和第二电机位置xm2生成第二电力信号V2和第二位置反馈x2的第二机械轴伺服控制器18组成。NC控制器1，第一机械轴伺服电机6，第二机械轴伺服电机7，机械平台8，与原有方式相同。省略对它们的详细说明。图9所示的第一机械轴伺服控制器17为原有电机控制装置中的伺服控制器，但将它的控制方式设定为转矩控制运行方式。这时第一机械轴伺服控制器17的第一机械轴伺服电流控制器4，根据第一机械轴伺服控制器17的外部提供的第一转矩指令fr1和第一电机位置xm1生成第一电力信号V1和第一位置反馈x1。图10所示的第二机械轴伺服控制器18为原有电机控制装置中的伺服控制器，但将它的控制方式设定为转矩控制运行方式。这时第二机械轴伺服控制器18的第二机械轴伺服电流控制器5，根据第二机械轴伺服控制器18的外部提供的第二转矩指令fr2和第一电机位置xm2生成第一电力信号V2和第二位置反馈x2。以下，针对机械平台8为图6所示的结构进行说明。这时，第一NC位置指令r1为下平台对地面的位置指令，第二NC位置指令r2为上平台对地面的位置指令，第一位置反馈x1为下平台对地面的实际位置，第二位置反馈x2为上平台对地面的实际位置。综合控制器9按(7)、(8)式的运算生成第一转矩指令fr1和第二转矩指令fr2。由于通过(7)、(8)式的运算，完全消除了上下平台的干涉问题，从而改善了二轴机械平台8的运动特性，使其实际轨迹精度得以提高。而(7)、(8)式的运算在原有的系统结构上是无法得以实现的。同时，在对原有电机控制装置改造时，由于利用了原有电机控制装置中已经具备了的第一机械轴伺服控制器17和第二机械轴伺服控制器18，而没有追加新的伺服控制器，从而降低了改造原有电机控制装置所需的经济成本和缩短了改造原有电机控制装置所需的时间。
具体实施方案三：下面结合图8具体说明本实施方案。本实施方案与实施方案一或二的不同点是，该电机控制装置中的综合控制器9包括：根据上述第一NC位置指令r1，第二NC位置指令r2，生成第一实时位置指令rt1和第二实时位置指令rt2的指令还原器10；根据上述第一实时位置指令rt1，第二实时位置指令rt2，第一位置反馈x1，第二位置反馈x2，生成第一实时加速度指令ft1，第二实时加速度指令ft2的二轴机械控制器11；根据上述生成第一实时加速度指令ft1，第二实时加速度指令ft2，生成第一转矩指令fr1和第二转矩指令fr2的指令分配器12。以下，针对机械平台8为图4所示的结构进行说明。第一NC位置指令r1为x平台的位置指令，第二实时位置指令rt2为y平台的位置指令，第一位置反馈x1为x平台的反馈位置，第二位置反馈x2为y平台的反馈位置。指令还原器10，根据上述第一NC位置指令r1，第二NC位置指令r2，通过以下运算，生成第一实时位置指令rt1和第二实时位置指令rt2。
rc1(K*Tn)＝r1((K-1)*Tn)……(9)
Vn1((K-1)*K*Tn)＝r1(K*Tn)-r1((K-1)*Tn)/Tn……(10)
Vm1((K-1)*Tn)＝(Vn1((K-1)*Tn)+Vn1(K*Tn))/2……(11)
Vc1(K*Tn)＝Vm1((K-1)*Tn)……(12)
A1(K*Tn)＝(3*r1(K*Tn)-3*r1((K-1)*Tn)-10*Tj*Vm1((K-1)*K*Tn)-2*Tj*Vm1(K*Tn)/(10*Tj*Tj)……(13)
a1(K*Tn)＝(2*r1((K-1)*Tn)-2*r1(K*Tn)+3*Vm1(K*Tn)*Tj+5*Vm1((K-1)*Tn)*Tj)/(10*Tj*Tj)……(14)
A1(K*Tn+k*Tj)＝A1(K*Tn)+a1(K*Tn)*k……(15)
Vc1(K*Tn+(k+1)*Tj)＝Vc1(K*Tn+k*Tj)+A1(K*Tn+(k+1)*Tj)*Tj……(16)
rc1(K*Tn+(k+1)*Tj)＝rc1(K*Tn+k*Tj)+Vc1(K*Tn+k*Tj)*Tj……(17)
rc2(K*Tn)＝r2((K-1)*Tn)……(18)
Vn2((K-1)*K*Tn)＝r2(K*Tn)-r2((K-1)*Tn)/Tn……(19)
Vm2((K-1)*Tn)＝(Vn2((K-1)*Tn)+Vn2(K*Tn))/2……(20)
Vc2(K*Tn)＝Vm2((K-1)*Tn)……(21)
A2(K*Tn)＝(3*r2(K*Tn)-3*r2((K-1)*Tn)-10*Tj*Vm2((K-1)*K*Tn)-2*Tj*Vm2(K*Tn))/(10*Tj*Tj)……(22)
a2(K*Tn)＝(2*r2((K-1)*Tn)-2*r2(K*Tn)+3*Vm2(K*Tn)*Tj+5*Vm2((K-1)*Tn)*Tj)/(10*Tj*Tj)……(23)
A2(K*Tn+k*Tj)＝A2(K*Tn)+a2(K*Tn)*k……(24)
Vc2(K*Tn+(k+1)*Tj)＝Vc2(K*Tn+k*Tj)+A2(K*Tn+(k+1)*Tj)*Tj……(25)
rc2(K*Tn+(k+1)*Tj)＝rc2(K*Tn+k*Tj)+Vc2(K*Tn+k*Tj)*Tj……(26)
rt1＝rc1……(27)
rt2＝rc2……(28)
二轴机械控制器11，根据上述第一实时位置指令rt1，第二实时位置指令rt2，第一位置反馈x1，第二位置反馈x2，通过以下的控制运算，生成第一实时加速度指令ft1，第二实时加速度指令ft3。其中，KP1，Kv1，Ki1为针对x平台的控制增益，KP2，Kv2，Ki2为针对y平台的控制增益，m1为x平台的质量，m2为y平台的质量。
ft2＝m2*(Kp2*(rt2-x2)-s*x2)*(Ki2/s+Kv2)……(29)
ft1＝m1*(Kp1*(rt1-x1)-s*x1)*(Ki1/s+Kv1)……(30)
指令分配器12，根据上述生成第一实时加速度指令ft1，第二实时加速度指令ft2，通过以下的方式将第一转矩指令fr1和第二转矩指令fr2输出。
fr1＝ft1……(31)
fr2＝ft2……(32)
由于根据以上运算得出的Vc1，Vc2在图7所示的P2点上没有了跳跃现象，从而改善了二轴机械平台8的运动特性，使其实际轨迹精度得以更大的提高。
具体实施方案四：下面结合图8说明本实施方案。本实施方案与实施方案一的不同点是，该电机控制装置中的综合控制器9包括：根据上述第一NC位置指令r1，第二NC位置指令r2，生成第一实时位置指令rt1和第二实时位置指令rt2的指令还原器10；根据上述第一实时位置指令rt1，第二实时位置指令rt2，第一位置反馈x1，第二位置反馈x2，生成第一实时加速度指令ft1，第二实时加速度指令ft2的二轴机械控制器11；根据上述生成第一实时加速度指令ft1，第二实时加速度指令ft2，生成第一转矩指令fr1和第二转矩指令fr2的指令分配器12。以下，针对机械平台8为图5所示的结构进行说明。第一NC位置指令r1为机械平台8的第一机械轴位置指令，第二实时位置指令rt2为机械平台8的第二机械轴位置指令，第一位置反馈x1为机械平台8的第一机械轴反馈位置，第二位置反馈x2为机械平台8的第二机械轴反馈位置。指令还原器10，根据上述第一NC位置指令r1，第二NC位置指令r2，通过(9)～(28)式的运算，生成第一实时位置指令rt1和第二实时位置指令rt2。二轴机械控制器11，根据上述第一实时位置指令rt1，第二实时位置指令rt2，第一位置反馈x1，第二位置反馈x2，通过以下的控制运算，生成第一实时加速度指令ft1，第二实时加速度指令ft2。其中，KP1，Kv1，Ki1为针对机械平台8的旋转方向的控制增益，KP2，Kv2，Ki2为针对机械平台8的平移方向的控制增益，Jm为机械平台8的转动惯量，M为机械平台8的质量，R为第一机械轴与第二机械轴的着力点之间的距离。
ft1＝Jm*(Kp1*(rt1-rt2)/R-(x1-x2)/R)-s*x1)*(Ki1/s+Kv1)……(33)
ft2＝M*(Kp2*(rt1+rt2)/2-(x1+x2)/2)-s*(x1+x2)/2)*(Ki2/s+Kv2)……(34)
指令分配器12，根据上述生成第一实时加速度指令ft1，第二实时加速度指令ft2，通过以下运算，生成第一转矩指令fr1和第二转矩指令fr2。其中，Rx为第一机械轴的着力点与机械平台8的旋转重心之间的距离，Ry第二机械轴的着力点与机械平台8的旋转重心之间的距离。
fr1＝ft2+ft1*Rx……(35)
fr2＝ft2-ft1*Ry……(36)
由于根据以上运算得出的第一转矩指令fr1和第二转矩指令fr2中，已经解决了第一机械轴与第一机械轴之间的干涉问题，从而改善了二轴机械平台8的运动特性，使其实际轨迹精度得以更大的提高。