專利名稱：用于加熱冷環(huán)境中的機器人的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及加熱冷環(huán)境中的機器人，尤其是工業(yè)機器人的方法和系統(tǒng)，本發(fā)明的機器人具有永磁體無刷或三相同步電動機，該永磁體無刷或三相同步電動機具有包括三個定子線圈的三相繞組和具有永磁體勵磁的轉(zhuǎn)子，其中三個定子線圈與能夠由控制單元控制的逆變器(inverter)連接。
背景技術：
當今，機器人僅可以在大約+5°C至50°C的溫度范圍內(nèi)操作。在例如冷藏庫等冷的環(huán)境中或者在室外環(huán)境中，溫度可以低至例如-20°C至-30°C，這使工業(yè)機器人的使用受到限制。當今的標準工業(yè)機器人的溫度范圍主要受到關節(jié)軸承密封件以及齒輪的潤滑油的限制。為了在低于+5°C的條件下使機器人運轉(zhuǎn)，需要在操作之前加熱齒輪及其周圍的部 件。一旦機器人處于正常操作中，傳動系所散發(fā)出的能量足以使機器人的關鍵區(qū)域被保持加熱。然而，在靜止不動之后，經(jīng)常需要通過下述方式來加熱傳動系或者通過進行預熱運動，或者通過進行額外的外部局部加熱；但是，進行熱身運動會使冷的部件磨損很利害，而進行額外的外部局部加熱會增加設備的成本。當使用一些專用低溫密封件等時，機器人的一些部件可在常規(guī)的規(guī)格之外運行。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種加熱冷環(huán)境中的機器人的方法和系統(tǒng)。利用一種加熱冷環(huán)境中的機器人的方法解決了該問題，本發(fā)明的機器人具有永磁體無刷或三相同步電動機，所述電動機具有包括三個定子線圈的三個電動機相和具有永磁體勵磁的轉(zhuǎn)子，其中三個定子線圈與能夠由控制單元控制的逆變器連接，如果所述電動機靜止不動則將電流施加到所述電動機的至少一個相中以生成定向的磁通，所述定向的磁通與所述轉(zhuǎn)子的永磁體以使所產(chǎn)生的扭矩接近于零的方式相互作用。進一步地，利用一種用于加熱冷環(huán)境中的機器人的系統(tǒng)解決了該問題，本發(fā)明的機器人具有永磁體無刷或三相同步電動機，所述電動機具有包括三個定子線圈的三個電動機相和具有永磁體勵磁的轉(zhuǎn)子，其中三個定子線圈與能夠由控制單元控制的逆變器連接，其中利用逆變器和處于靜止狀態(tài)的永磁體無刷或三相同步電動機用于加熱重要的傳動系部件，并且其中通過至少一個監(jiān)控單元(5)監(jiān)視所述電動機的溫度以避免過熱。優(yōu)點是流過定子繞組的電流利用電阻損耗來加熱定子，這將對電動機進行有利的預熱。以這種方式，本發(fā)明能夠非常快速地加熱傳動系。這一方面節(jié)約了時間，另一方面保護了機器人的機械結(jié)構(gòu)免遭損壞。幾乎不需要額外的設備，并且其過程非常容易實施。在從屬權(quán)利要求中涉及了本發(fā)明的進一步優(yōu)選的實施例。


下面將通過示例性實施例并參考附圖進一步描述本發(fā)明，在附圖中
圖I示出具有在定子坐標系中的轉(zhuǎn)子坐標系和轉(zhuǎn)子位置的永磁體無刷或同步電動機，圖2示出具有逆變器和電動機的機器人驅(qū)動系統(tǒng)，圖3示出直流電流流過一個定子線圈的第一應用實例，圖4示出直流電流流過兩個定子線圈的第二應用實例，以及圖5示出與轉(zhuǎn)子軸線d對準的定向的磁通并且定向的直流電流流過兩個定子線圈的第三應用實例。
具體實施例方式圖I示出具有在定子坐標系中的轉(zhuǎn)子坐標系和轉(zhuǎn)子位置的永磁體無刷或同步電、動機I，該永磁體無刷或同步電動機I包括 三個電動機相,其包括定子線圈LpLyL3, 直角定子坐標系，其分別具有軸線a和軸線b， 具有永磁體的轉(zhuǎn)子2,該永磁體具有北極N和南極S , 直角轉(zhuǎn)子坐標系，其分別具有軸線d和軸線q， 相對于定子坐標系a，b的轉(zhuǎn)子位置a，這表示a與定子軸線a和轉(zhuǎn)子軸線d之間的角度相對應。圖2示出具有逆變器和電動機的機器人驅(qū)動系統(tǒng)，該機器人驅(qū)動系統(tǒng)包括 旋轉(zhuǎn)場逆變器3，其具有六個半導體器件3A、3B、3C、3D、3E、3F，該六個半導體器件3A、3B、3C、3D、3E、3F設置成與輸入直流電壓U0三相橋接并且分別輸出電動機相電流I1'
工2、工3， 控制單元4，其控制逆變器3的半導體器件3A、3B、3C、3D、3E、3F，接收來自電動機相電流傳感器10、11的信號， 永磁體無刷或同步電動機1，其具有定子線圈Li、L2、L3, 具有(一個或多個)永磁體的轉(zhuǎn)子2， 轉(zhuǎn)子位置傳感器7， 用于轉(zhuǎn)子2的制動器6, 磁通①，其由定子線圈Lp L2、L3產(chǎn)生， 電動機溫度傳感器8， 環(huán)境溫度傳感器9， 電流傳感器10、11， 監(jiān)控單元5，其控制制動器6和控制單元4，并且接收來自轉(zhuǎn)子位置傳感器7、電動機溫度傳感器8和環(huán)境溫度傳感器9的信號。本發(fā)明提出使用機器人驅(qū)動系統(tǒng)作為電源，以便在機器人開始操作之前在不設置預熱運動循環(huán)的情況下通過下述方式加熱永磁體無刷或同步電動機I :沿轉(zhuǎn)子的d-方向施加定子電流(參見圖I中的d-坐標)，該設置不會產(chǎn)生任何運動，而是由于電阻損耗而產(chǎn)生熱量。由于電動機I與齒輪直接連接，這樣產(chǎn)生的熱量將通過熱傳導直接傳遞到齒輪及其潤滑油和密封件中。以這種方式，不需要設置額外的加熱設備，并且可以避免機器人的冷傳動系的運轉(zhuǎn)。
現(xiàn)有的具有逆變器3的機器人驅(qū)動系統(tǒng)能夠通過以大約幾kHz的頻率開關相電壓對電動機I激發(fā)直流電流(參見圖2)。由于各定子線圈U、L2, L3產(chǎn)生定子電感，所以電流被濾波。該特征通常有助于產(chǎn)生準正弦三相電流，該準正弦三相電流生成用于驅(qū)動電動機I的旋轉(zhuǎn)場，但是，如果電動機I靜止不動，該特征也用于生成靜態(tài)的“準直流”電流。為了控制由逆變器的脈沖直流電壓引起的電流，常規(guī)的方法是在電動機的兩相中使用電流傳感器
10、11，并且使用電流調(diào)節(jié)器控制逆變器的開關模式以實現(xiàn)期望的平均電流。由于三相電流累加為零，因此不需要第三電動機相電流傳感器。圖3示出直流電流流過一個定子線圈的第一應用實例。在本發(fā)明的該實施例中，將脈沖直流電流Itl施加到電動機的一個相中(在逆變器3和控制單元4的幫助下)——在所示的情況下，直流電流Itl流過定子線圈L1。通過例如脈沖寬度調(diào)制的開關模式(在半導體器件3A、3B、3C、3D、3E、3F的幫助下)來控制電流的大小。直流電流Itl生成定向的磁通O，該磁通O與轉(zhuǎn)子2的永磁體相互作用。
基于施加電流時的初始轉(zhuǎn)子位置a (參見圖1)，則產(chǎn)生使電動機作用與制動器6相反的扭矩，這是不希望的操作方法。在沒有制動器6的情形下，電動機將“躥”到換向位置(commutation position),即，取向為定子磁通的方向。當將轉(zhuǎn)子對準時,移動停止并且速度降為零。為了避免不希望的扭矩，可以實施下述過程第一步驟接通逆變器3，釋放制動器6。第二步驟電動機I的轉(zhuǎn)子2單獨地移動若干度以進入換向位置。第三步驟再次應用制動器6。第四步驟如果在此時施加直流電流Itl，則所產(chǎn)生的扭矩將接近于零，這是優(yōu)選的操作模式。歸因于齒輪箱變速器，機器人臂在該過程中的實際移動量非常小。然而，為了避免碰撞，機器人應處于容許少量移動的安全位置。該方法的缺點是因為制動器的打開可能使機器人臂下落而導致安全隱患，所以該方法不能應用在承受重力載荷的軸上。圖4示出直流電流流過兩個定子線圈的第二應用實例，這表示將直流電流施加到電動機的兩個相中，并且直流電流Itl被分配為流過定子線圈L1的第一直流電流L/2和流過定子線圈L3的第二直流電流\11。該方法具有與前述方法類似的優(yōu)點和缺點，但是由于所有線圈均被加熱，所以該方法使定子內(nèi)具有更好的熱量分配。圖5示出與轉(zhuǎn)子軸線d對準的定向的磁通并且定向的直流電流流過兩個定子線圈的第三應用實例。在本發(fā)明的該實施例中，通過獲知固定的轉(zhuǎn)子位置，其通過轉(zhuǎn)子位置傳感器7測得，同樣可以生成流過定子線圈L1的第一直流定子電流131(依照定子軸線a定向)和流過定子線圈L3的第二直流定子電流I(!*y(依照定子軸線b定向),如果合適地選擇X和y，則第一直流定子電流I(i*x和第二直流定子電流Id*y可生成與轉(zhuǎn)子磁通精確對準的定向的磁通①。也就是說，當電動機I靜止不動時，在電動機I中感應d-電流(依照轉(zhuǎn)子軸線d定向的電流)，該d-電流生成與轉(zhuǎn)子磁通相疊加的磁通O。必須注意，應沿著轉(zhuǎn)子磁通的方向施加磁通O，這是因為在反向的情況下可能使具有永磁體的轉(zhuǎn)子2發(fā)生退磁。本發(fā)明的優(yōu)點在于，在施加包括定向的直流定子電流I3X和定向的直流定子電流IQ*y的電流之前不需要對轉(zhuǎn)子進行預對準，并且由于在施加該電流時磁通已經(jīng)對準，因此不會導致轉(zhuǎn)子的對準移動。
所描述的方法可以應用在機器人的一個電動機上或者同時應用在機器人的若干個電動機上。由于每個電動機具有其自身的驅(qū)動(包括逆變器)，因此可以為每個電動機選擇不同的電流。還可以在一段時間后改變電流，例如，當認為應加熱電動機時以大電流開始，而當電動機為熱時且齒輪箱內(nèi)發(fā)生對流時則減小電流。此操作能夠在監(jiān)控單元5的幫助下實現(xiàn)。還可以進一步考慮利用合適的絕熱物額外地覆蓋在電動機上，以便將熱對流引導到傳動裝置內(nèi)并防止對環(huán)境加熱。需要監(jiān)視電動機I的溫度以避免電動機I過熱和損壞。此操作或者可以由發(fā)送溫度返回到驅(qū)動系統(tǒng)的電動機溫度傳感器8來實現(xiàn)，或者可以通過基于電壓和電流測量值來 估算電動機溫度的數(shù)學觀測模型以及熱-電動機模型來實現(xiàn)。在環(huán)境溫度傳感器9的幫助下對周圍環(huán)境溫度測量可能有助于使所注入的能量滿足需求以及有助于獲得溫度估算的開始點。其他可能的過程是定期地測量定子電阻，并通過查表或數(shù)學的電阻/溫度關系的方式將定子電阻轉(zhuǎn)換為溫度。上述方法可有助于下述機器人應用-在冷庫中處理貨物，-在例如海上或普通冬季條件的冷的環(huán)境下的室外操作,其中機器人執(zhí)行檢查、維修或其他操作。附圖標記列表I永磁體無刷或同步電動機2具有永磁體的轉(zhuǎn)子3具有六個半導體器件3A、3B、3C、3D、3E、3F的機器人驅(qū)動系統(tǒng)的逆變器4控制單元5監(jiān)控單元6制動器7轉(zhuǎn)子位置傳感器8電動機溫度傳感器9環(huán)境溫度傳感器10電動機相電流傳感器11電動機相電流傳感器d轉(zhuǎn)子坐標，轉(zhuǎn)子軸線I1, 12、I3定子的各相電流I。直流電流I0*x定向的直流定子電流I0^y定向的直流定子電流LpLyL3S子線圈N轉(zhuǎn)子的永磁體的北極q轉(zhuǎn)子坐標，轉(zhuǎn)子軸線S轉(zhuǎn)子的永磁體的南極U。輸入直流電壓
a定子坐標，定子軸線b定子坐標，定子軸線a相對于定子坐標系的轉(zhuǎn)子位置
O定向的磁通(由定子線圈生成)
權(quán)利要求
1.一種用于加熱冷環(huán)境中的機器人的方法，所述機器人具有永磁體無刷或三相同步電動機(I)，所述永磁體無刷或三相同步電動機(I)具有包括三個定子線圈(Li、L2、L3)的三個電動機相和具有永磁體勵磁的轉(zhuǎn)子(2)，所述三個定子線圈與能夠由控制單元(4)控制的逆變器(3)連接， 其特征在于，如果所述永磁體無刷或三相同步電動機(I)靜止不動，則將電流施加到所述永磁體無刷或三相同步電動機(I)的各定子線圈(Li、L2、L3)的至少一個相中以生成定向的磁通(O )，所述定向的磁通(O )與所述轉(zhuǎn)子(2)的所述永磁體以使所產(chǎn)生的扭矩接近于零的方式相互作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述電流是由電流調(diào)節(jié)器控制的直流電流或脈沖直流電流(IciX
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，在第一步驟中，接通逆變器(3)并且釋放制動器(6)，在第二步驟中，所述電動機(I)的轉(zhuǎn)子(2)單獨地移動若干度以進入換向位置，在第三步驟中，再次應用制動器(6)，并且在第四步驟中，在此時施加所述電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述直流電流是沿著所述轉(zhuǎn)子(2)的d-方向施加的。
5.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子的位置由轉(zhuǎn)子位置傳感器(7)來測量，生成流過定子線圈L1的第一靜態(tài)的單獨定向的直流定子電流(Ifx)和流過定子線圈L3的第二靜態(tài)的單獨定向的直流定子電流(Ify),并生成與所述轉(zhuǎn)子磁通精確對準的定向的磁通(①)。
6.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述電流在一段時間后發(fā)生改變，并且當所述電動機(I)被認為應當加熱時以大電流開始，并且當所述電動機為熱時以減小的或者為零的電流結(jié)束。
7.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，由溫度傳感器8發(fā)送溫度返回以監(jiān)視所述電動機(I)的溫度并避免過熱。
8.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在基于電壓和電流的測量值來估算電動機溫度的數(shù)學觀測模型的幫助下監(jiān)視所述電動機(I)的溫度。
9.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，實施在環(huán)境溫度傳感器(9)的幫助下對環(huán)境溫度的測量以使注入的能量滿足需求。
10.一種用于加熱冷環(huán)境中的機器人的系統(tǒng)，所述機器人具有永磁體無刷或三相同步電動機(I)，所述永磁體無刷或三相同步電動機(I)具有包括三個定子線圈(Li、L2、L3)的三個電動機相和具有永磁體勵磁的轉(zhuǎn)子(2)，所述三個定子線圈與能夠由控制單元(4)控制的逆變器(3)連接， 其特征在于，所述逆變器(3)和處于靜止狀態(tài)的所述永磁體無刷或三相同步電動機(I)用于加熱重要的傳動系部件，其中利用至少一個監(jiān)控單元(5)監(jiān)視所述電動機的溫度以避免過熱。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種用于加熱冷環(huán)境中的機器人的方法，所述機器人具有永磁體無刷或三相同步電動機(1)，該電動機(1)具有包括三個定子線圈(L1、L2、L3)的三個電動機相和具有永磁體勵磁的轉(zhuǎn)子(2)，所述三個定子線圈與能夠由控制單元(4)控制的逆變器(3)連接。如果電動機靜止不動，則將電流施加到所述電動機(1)的各定子線圈(L1、L2、L3)的至少一個相中以生成定向的磁通(Φ)，所述定向的磁通(Φ)與轉(zhuǎn)子的永磁體以使所產(chǎn)生的扭矩接近于零的方式相互作用。本發(fā)明還提出了一種用于加熱冷環(huán)境中的機器人的系統(tǒng)，其中逆變器(3)和處于靜止狀態(tài)的所述電動機(1)用于加熱重要的傳動系部件，其中通過至少一個監(jiān)控單元(5)監(jiān)視所述電動機的溫度以避免過熱。
文檔編號B25J19/00GK102741021SQ201080063042
公開日2012年10月17日 申請日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者延斯·霍夫舒爾特, ?？恕た瓶?申請人:Abb股份有限公司