技术领域
[0001] 本发明涉及反馈控制装置并且还涉及对各种机械装置的马达进行反馈控制的控制装置。
相关背景技术
[0002] 传统上，使用电动马达作为各种机械装置的驱动源。特别地，对于测量设备和机械工具等，在确保充分的驱动力的情况下，要求以高精度进行操作。为了满足这样的要求，使用具有三重控制环路(位置环路、速度环路和电流环路(扭矩环路))的反馈控制装置作为用于对马达进行控制的控制装置(参见日本特开2013-021804)。
[0003] 在这些环路中，电流环路可能由于反馈用的电流传感器而受到性能限制。例如，用于以高精度检测微小电流的传感器难以确保从微小电流扩展至大电流的宽检测范围。另一方面，用于检测大电流的传感器难以以高精度来检测电流。为了消除这种限制，提出了对电流环路使用多个电流检测系统的方法(参见日本特开2014-183609)。
[0004] 在日本特开2014-183609中，使用能够在覆盖大电流的宽范围内进行测量的传感器，并且将该传感器的输出分割至两个系统，并且对第一系统设置放大器。对于大电流，使用通过没有放大器的系统所获得的原样的传感器输出，而对于微小电流，利用放大器来放大传感器输出以获得高精度。
[0005] 在通过在日本特开2014-183609中提及的多个电流检测系统之间进行切换来使用这些系统的情况下，各系统的信号输出可能产生差异。在各系统信号输出产生差异的情况下，反馈的电流值由于多个电流检测系统之间的切换而突然改变，因此可能产生诸如过大的电流流过和电流环路的不稳定性等的问题。因此，优选使伴随着电流检测系统之间的切换的输出差异保持为最小。
[0006] 日本特开2014-183609已经通过使得各系统优选设置等效或共用传感器解决了该问题(日本特开2014-183609的段落[0007])。然而，即使利用具有相同特性的传感器，也由于时间的经过而可能产生差异。另外，即使利用共用传感器，也可能由于具有放大器而产生输出差异。
[0007] 此外，可能期望选择性地使用针对大电流的传感器和针对微小电流的传感器。对于这些不同的传感器，为了消除各自的输出差异，可以考虑设置放大器以调节各输出的情况。然而，即使利用这种技术，用于调节各输出的放大器也可能随着时间而发生变化。因此，期望能够防止或者减小在检测系统之间切换时的检测值的显著变化的结构。
[0008] 这些问题不限于电流环路的反馈，而也可能是针对速度环路和位置环路的反馈的问题。特别地，在电流环路中，过大的电流流过对于电路和布线是严重的问题。
具体实施方式
[0030] 这里所示的细节是举例，并且仅用于例示性地论述本发明的实施例的目的，并且是为了提供被认为是本发明的原理和概念方面的最有用和最容易理解的说明而呈现的。在这方面，没有尝试以比本发明的基本理解所需的细节更详细的方式示出本发明的结构细节，其中利用附图所进行的说明使得在实践中如何能够实现本发明的各种形式对于本领域技术人员而言是明显的。
[0031] 第一实施例
[0032] 图1示出根据本发明第一实施例的马达控制装置1的控制电路。马达控制装置1例如对安装在坐标测量装置的各轴的移动机构中的马达2进行控制。马达控制装置1基于从外部操作命令装置输入的命令信号CS来进行反馈控制。因此，马达控制装置1包括用于控制马达2的控制器(计算控制器3和电流控制器4)并且通过在电流环路5的外部具有速度环路6和位置环路7的三重反馈控制系统来配置。
[0033] 计算控制器3基于命令信号CS来输出电流命令值Ic。电流控制器4基于该电流命令值Ic向马达2供给驱动电流Ir。在利用驱动电流Ir来驱动马达2的情况下，通过电流环路5来检测马达2当前的电流Im，并且将该电流Im作为检测电流值If反馈至计算控制器3。
[0034] 在利用马达2来操作其中的一个移动机构的情况下，通过速度环路6来检测该移动机构当前的速度Vm，并且将该速度Vm作为检测速度Vf反馈至计算控制器3。另外，通过位置环路7来检测该移动机构当前的位置Pm，并且将该位置Pm作为检测位置Pf反馈至计算控制器3。
[0035] 电流环路5包括基于本发明的多个检测系统：第一检测系统10、第二检测系统20以及对来自第一检测系统10和第二检测系统20各自的输出信号求和的电流计算器30。第一检测系统10和第二检测系统20中的每一个分别包括第一传感器11和第二传感器中21以及第一权重调节器12和第二权重调节器22。第一传感器11和第二传感器12检测马达2的电流Im。第一权重调节器12和第二权重调节器22将来自各个传感器的的检测电流值I1和I2乘以权重系数R1和R2并输出至电流计算器30。
[0036] 换句话说，在第一检测系统10中，第一传感器11检测马达2的电流Im，并且输出检测电流值I1。接着，第一权重调节器12将检测电流值I1与权重系数R1相乘，并将产生的信号I1·R1输出至电流计算器30。同样地，在第二检测系统20中，第二传感器21检测马达2的电流Im，并且输出检测电流值I2。接着，第二权重调节器22将检测电流值I2与权重系数R2相乘，并将产生的信号I2·R2输出至电流计算器30。
[0037] 电流计算器30将来自第一检测系统10的输出信号I1·R1和来自第二检测系统20的输出信号I2·R2组合，并且将检测电流值If＝I1·R1+I2·R2返回至计算控制器3。
[0038] 在本实施例中，在第一检测系统10的第一传感器11中，使用具有窄电流检测范围但高检测精度的高精度电流传感器。另外，在第二检测系统20的第二传感器21中，使用具有宽电流检测范围但低检测精度的宽范围电流传感器。为了在第一检测系统10和第二检测系统20之间进行逐渐切换，第一权重调节器12和第二权重调节器22设置有具有图2和3所示的特性的权重系数R1和R2。
[0039] 在本示例中，在第一权重调节器12和第二权重调节器22中，第二传感器21(具有宽范围的电流传感器)的检测电流值I2是共用的基准信号。此外，为了设定第一检测系统10和第二检测系统20之间的切换发生的操作范围，预先针对基准信号设定下限值Ics和上限值Ice。
[0040] 在图2中，在检测电流值I2小于下限值Ics的情况下，第一权重调节器12的权重系数R1恒定为R1＝1。在检测电流值I2在等于或大于下限值Ics并且小于上限值Ice的范围内的情况下，权重系数R1单调递减并且由权重系数R1＝1-(I2-Ics)/(Ice-Ics)来表示。在检测电流值I2等于或大于上限值Ice的情况下，权重系数R1恒定为R1＝0。
[0041] 在图3中，在检测电流值I2小于下限值Ics的情况下，第二权重调节器22的权重系数R2恒定为R2＝0。在检测电流值I2在等于或大于下限值Ics并且小于上限值Ice的范围内的情况下，权重系数R2单调递增并且由权重系数R2＝(I2-Ics)/(Ice-Ics)来表示。在检测电流值I2等于或大于上限值Ice的情况下，权重系数R2恒定为R2＝1。
[0042] 利用这些权重系数R1和R2，系数的总和(R1+R2)始终为1。换句话说，在检测电流值I2小于下限值Ics的情况下，权重系数的总和恒定为(R1+R2)＝1。在检测电流值I2在等于或大于下限值Ics并且小于上限值Ice的范围内的情况下，权重系数R1单调递减而权重系数R2单调递增，并且权重系数的总和恒定为(R1+R2)＝1。在检测电流值I2等于或大于上限值Ice的情况下，权重系数的总和恒定为(R1+R2)＝1。
[0043] 因此，通过使用权重系数R1和R2，可以混合来自第一传感器11和第二传感器中21各自的输出信号，以使得各自的比率逐渐改变。换句话说，在电流计算器30中，在检测电流值I2小于下限值Ics的情况下，由于权重系数R1为R1＝1并且权重系数R2为R2＝0，因此可以将检测电流值If设定为If＝I1·R1+I2·R2＝I1。
[0044] 另外，在检测电流值I2在等于或大于下限值Ics并且小于上限值Ice的范围内的情况下，权重系数R1单调递增而权重系数R2单调递减。因此，检测电流值If具有以与权重系数R1和R2相对应的比率混合的检测电流值I1和I2。此外，在检测电流值I2小于上限值Ice的情况下，由于权重系数R1为R1＝0并且权重系数R2为R2＝1，因此将检测电流值If设定为If＝I1·R1+I2·R2＝I2。
[0045] 如下进行根据本实施例的第一检测系统10和第二检测系统20之间的逐渐切换，并且更具体地，进行检测电流值If在检测电流值I1与I2之间的切换。
[0046] 如图4所示，尽管马达2的电流Im是相同的，但第一传感器11的检测电流值I1与第二传感器21的检测电流值I2是不同的。在马达2的电流Im小的区域中，使用作为具有高电流检测精度但窄检测范围的高精度电流传感器的第一传感器11。因此，在马达2的电流Im变大的情况下，电流Im超过第一传感器11的检测范围，并且检测电流值I1进入处于饱和电流值Is的饱和状态。
[0047] 与此相对，第二传感器21是具有低电流检测精度但宽检测范围的宽范围电流传感器，因此检测电流值I2不饱和，并且可以在马达2的电流Im的整个变动范围内被使用。此外，尽管电流Im在第一传感器11的有效检测范围(不饱和区域)内是相同的，但来自第一传感器11和第二传感器21的检测电流值I1和I2存在偏差。
[0048] 通过基于马达2的电流Im的大小在第一传感器11和第二传感器21之间切换来使用第一传感器11和第二传感器21。具体地，在马达2的电流Im小的区域内使用高精度的第一传感器11，而在马达2的电流Im大的区域内使用宽范围的第二传感器21。通过这种方式，本实施例在从各传感器输出的检测电流值I1和I2之间进行切换，并且作为检测电流值If反馈至计算控制器3。
[0049] 如图5所示，基于上述第一传感器11和第二传感器21的输出偏差，在电流Im＝Imo的时刻，检测电流值I1＝I1o与检测电流值I2＝I2o不同。因此，在电流Im＝Imo的时刻同时切换检测电流值I1和I2的情况下，检测电流值If中产生陡台阶状的变动。在将检测电流值If中这样的台阶状的变动反馈至计算控制器3的情况下，计算控制器3向电流控制器4发送与该台阶状的变动相对应的电流命令值Ic。结果，可能产生诸如马达2的剧烈动作和过大的电流流过等的问题。
[0050] 然而，在本实施例中，通过使用权重系数R1和R2来进行逐渐切换，防止了检测电流值If中的剧烈变动。在图6中，在作为基准信号的检测电流值I2是下限值Ics的情况下，将检测电流值I2设定成I2＝I2s(＝Ics)并且检测电流值I1为I1＝I1s(I1s
[0051] 在作为基准信号的检测电流值I2小于下限值Ics的区域(电流ImIms的区域)内，权重系数R1为R1＝0并且权重系数R2为R2＝1，因此检测电流值If＝I2；即，仅选择来自第二传感器21的输出信号。
[0052] 因此，在本实施例中，以平缓的节奏进行第一传感器11的检测电流值I1和第二传感器21的检测电流值I2之间的切换，因此，可以防止检测电流值If的剧烈变动。此外，在第一检测系统10和第二检测系统20的每一个中，将来自第二传感器21的输出信号设定成共用的基准信号，因此可以精确且容易地使权重系数R1和R2相关联(例如，设定成使得总和等于1)。
[0053] 此外，使用来自具有宽检测范围的第二传感器的输出信号作为基准信号，因此可以覆盖马达2的整个范围的操作状态，并且可以精确地进行第一检测系统10和第二检测系统20之间的切换。另外，通过设定共用的基准信号的下限值Ics和上限值Ice，可以自由配置第一检测系统10和第二检测系统20之间的切换行为。例如，能够进行诸如在窄范围内进行相对急剧的切换和在宽范围内扩展多个系统并行进行操作的状态等的配置。
[0054] 第二实施例
[0055] 图7示出根据本发明的第二实施例。本实施例的马达控制装置1A具有与上述第一实施例的马达控制装置1的基本结构相同的基本结构。因此，省略了共同结构的重复说明，并且以下仅说明不同的结构。
[0056] 在上述第一实施例中，如图1所示，第一检测系统10和第二检测系统20设置有第一权重调节器12和第二权重调节器22。通过两者均参考作为基准信号的检测电流值I2，并且通过调节权重系数R1和R2，将检测电流值If＝I1·R1+I2·R2返回至计算控制器3。
[0057] 与此相对，在本实施例中，如图7所示，第一检测系统10和第二检测系统20设置有第一权重调节器12A和第二权重调节器22A。然而，各调节器仅是放大器。第一权重调节器12A和第二权重调节器22A连接至权重设定部40。
[0058] 权重设定部40参考作为基准信号的检测电流值I2，基于与第一实施例相同的下限值Ics和上限值Ice，来调节权重系数R1和R2，并且将权重系数R1和R2输出至第一权重调节器12A和第二权重调节器22A。基于这些权重系数R1和R2，第一权重调节器12A和第二权重调节器22A调节第一传感器11的检测电流值I1和第二传感器21的检测电流值I2之间的平衡。
[0059] 结果，在电流计算器30中，与第一实施例相同，计算检测电流值If＝I1·R1+I2·R2，并且可以将该检测电流值返回至计算控制器3。因此，在第二实施例中，可以实现与第一实施例同样的效果。
[0060] 第三实施例
[0061] 图8示出根据本发明的第三实施例。在本实施例中，基本结构与上述第一实施例的马达控制装置1相同，然而，权重系数R1和R2的设置是不同的。因此，以下说明具有不同配置的权重系数R1和R2。
[0062] 在上述第一实施例中，以在下限值Ics和上限值Ice处改变方向的折线来示出权重系数R1和R2。与此相对，在本实施例中，利用双曲线正切函数来设定权重系数R2B。具体地，将R2B设定为R2B＝tanh(I2-Ih)+0.5，其中，Ih＝(Ics+Ice)/2。另一方面，将权重系数R1B设定为R1B＝1-R2B(垂直反转R2B的轨迹)。
[0063] 在本实施例中，权重系数R1B和R2B与第一实施例的权重系数R1和R2的折线大体相同，并利用平滑曲线绘制了线的弯曲。因此，可以将返回至计算控制器3的检测电流值If＝I1·R1+I2·R2的变动进一步平缓。另外，利用双曲线函数，可以简化第一权重调节器12和第二权重调节器22的设置。
[0064] 第四实施例
[0065] 图9示出根据本发明的第四实施例。本实施例具有与上述第一实施例的马达控制装置1相同的基本结构。然而，在第一实施例中设置有两个系统(第一检测系统10和第二检测系统20)，而在本实施例中使用三个系统(第一检测系统、第二检测系统和第三检测系统)。此外，具有三个系统的检测系统的示例仅是向图1的马达控制装置1添加了与第一检测系统10和第二检测系统20的结构相同的又一个系统，因此省略了图示。返回至计算控制器3的检测电流值If是If＝I1·R1+I2·R2+I3·R3。
[0066] 图9示出使得在三个系统之间能够进行逐渐切换的权重系数R1、R2和R3。在作为基准信号的检测电流值I2小于第一下限值Ics1的区域内，权重系数R1恒定为R1＝1。在检测电流值I2等于或大于第一下限值Ics1的情况下，权重系数R1逐渐减小，并且在检测电流值I2等于或大于第一上限值Ice1的情况下，权重系数R1恒定为R1＝0。
[0067] 在作为基准信号的检测电流值I2小于第一下限值Ics1的区域内，权重系数R2恒定为R2＝0。在检测电流值I2等于或大于第一下限值Ics1的情况下，权重系数R2逐渐增大，并且在检测电流值I2等于或大于第一上限值Ice1的情况下，权重系数R2恒定为R2＝1。此外，在检测电流值I2等于或大于第二下限值Ics2的情况下，权重系数R2逐渐减小，并且在检测电流值I2等于或大于第二上限值Ice2的情况下，权重系数R2恒定为R2＝0。
[0068] 在作为基准信号的检测电流值I2小于第二下限值Ics2的区域内，权重系数R3恒定为R3＝0。在检测电流值I2等于或大于第二下限值Ics2的情况下，权重系数R3逐渐增大，并且在检测电流值I2等于或大于第二上限值Ice2的情况下，权重系数R3恒定为R3＝1。
[0069] 在本实施例中，权重系数R1、R2和R3使得能够在检测系统的三个系统之间进行顺次切换。在各切换区域内，也可以逐渐增大或减小来自切换的各系统的切换信号，并且可以使得返回至计算控制器3的检测电流值If的变动更平缓。
[0070] 其它实施例
[0071] 本发明不限于上述实施例的结构，并且包括在能够实现本发明的效果的范围内的变形例。例如，在各上述实施例中，各系统的传感器具有不同的检测范围和检测精度。然而，可以配置使用其它的检测特性和检测原理等不同的多个检测系统，并且本发明可以应用于这些检测系统之间的切换。
[0072] 另外，在上述实施例中，本发明应用于电流环路5。然而，本发明可以应用于速度环路6或者位置环路7。此外，本发明不限于诸如坐标测量设备等的测量设备，并且可以应用于机械工具等。
[0073] 本发明涉及反馈控制装置并且可以在对各种机械装置的马达进行反馈控制的控制装置中被使用。
[0074] 注意，已提供的上述示例仅用于说明的目的，并且决没有被构造成对本发明的限制。尽管已参考典型实施例说明了本发明，但应当理解，这里已使用的词语是用于描述和说明的词语，而不是用于进行限制的词语。在没有背离本发明的各方面的精神和范围的情况下，可以在如当前陈述和修改的权利要求书的界限内进行改变。尽管这里已参考特定结构、材料和实施例说明了本发明，但本发明并不意图局限于这里所公开的细节；相反，本发明扩展至诸如处于所附权利要求书的范围内等的在功能上等同的所有结构、方法和用途。
[0075] 本发明不限于上述实施例，并且可以在没有背离本发明的范围的情况下进行各种改变和修改。
[0076] 相关申请的交叉引用
[0077] 本申请要求2015年7月14日提交的日本申请2015-140635的优先权，在此通过引用明确包含其全部内容。
