CN101329359A - 多点平滑化马达速度估测方法 - Google Patents

Abstract

一种多点平滑化马达速度估测方法，主要根据过取样因子M对于编码器的输出做过取样，接着对多个过取样结果做平均处理，以得到初步速度估测值。最后对初步速度估测值做低通滤波处理，以得到最终速度估测值，该最终速度估测值送至速度控制器，以控制马达速度。另外，本发明也可利用两个过取样因子分别进行过取样处理，再根据两个过取样因子所得结果的平均值，而选择性地使用两个过取样因子所得结果之一。本发明的方法可以大幅改善马达转速在高速运转时测量的跳动问题。

Description

多点平滑化马达速度估测方法

技术领域

本发明涉及一种马达速度估测方法，尤其涉及一种多点平滑化马达速度估测方法。

背景技术

在马达死循环速度控制中，速度估测是不可或缺的功能。一般在对马达做速度估测时，常使用编码器来估测马达转子的运转速度。公知速度估测算法由于编码器本身的位置量化(position quantization)解析不足，所得到的估测速度很难同时兼顾平滑性(smoothness)与实时性(real-time)。然而，这两个特性是自动化产业应用上需要同时必备的特性，越平滑的速度估测法越不会造成运转的噪音与机台的震动；具有实时性的速度估测越能表现原始速度的特性，减少延迟，进而提高速度控制性能表现。

图1所示为AC马达控制系统的方框图，通过测量马达速度的反馈信息，来控制马达10a的转速。该公知速度估测系统20a包括计数器22a及速度估测单元24a。编码器12a输出脉波脉冲信号以表示测量到的马达位置，计数器22a处理该脉波脉冲信号后得到马达的位置信号P。速度估测单元24a处理马达位置信号P，以得到马达转速V_LPF。位置控制单元40a根据位置命令P_cmd与和来自计数器22a的反馈，计算出速度命令V_cmd；然后速度控制单元30a根据该速度命令V_cmd计算出电流命令i_cmd输出至电流控制和与驱动单元50a。该电流控制与和驱动单元50a根据该电流命令i_cmd及马达回授反馈电流以驱动马达10a。

图2和3分别说明了公知技术速度估测单元24a处理的原理及步骤。如图2所示，公知的速度估测单元24a利用单位时间内的位移量来估算目前的移动速度： $V\left(t\right)=\frac{P\left(t\right)-P(t-T)}{T},$ 其中V(t)为估测速度，P(t)表示编码器的反馈位置，T为取样时间。如图3所示，速度估测单元24a在每次时间T的中断时(步骤S10a)，取得计数器反馈的数值P(t)(步骤S12)。速度估测单元24a再由计数器反馈的数值P(t)减去前次中断的位置P(t-T)(步骤S14)。接着速度估测单元24a根据两次位置的差值及取样时间T计算出初步估测速度 $V\left(t\right)=\frac{P\left(t\right)-P(t-T)}{T}$ (步骤S16)。然后将求得的初步估测速度V经由低通滤波器平滑化后形成最后的速度值V_LPF(步骤S18)。

由于编码器位置的量化误差(quantization error)，公知技术存在测量的跳动量问题。假设编码器一转的解析为1转产生N_t个脉冲，速度估测的取样频率为fs Hz，，则发生速度不平滑的转速为(60*fs/N_t)RPM的整数倍。

以马达转速的测量为例，假设取样时间T为(6kHz)^-1，而编码器每转的分辨率为10000脉冲/转，对马达转速从0rpm至500rpm做测量时，可发现转速约为36rpm的倍数时，所估测出的转速其跳动量相对于其它转速会比较大。即马达控制在这些转速时，运转会有不平滑的现象。

美国专利申请US 20070043528A1公开了一种对多个取样周期的测量速度进行平均的方法，以降低测量涟波(ripple)问题。然而该专利所提供的方式在马达高频率操作时会有相位延迟(phase delay)的问题。

发明内容

因此本发明的目的在于提供一种兼顾平滑化及高频响应的马达速度估测方法。

按照本发明提供的一种多点平滑化马达速度估测方法，根据编码器的输出来测量马达的速度估测值，以将所述速度估测值传送至马达速度控制单元，该方法包括：决定过取样因子M；读取所述编码器的输出；对所述编码器的输出进行计数；根据所述过取样因子M及额定速度控制取样fs，对于所述编码器的输出做过取样；及对多个过取样结果做平均处理，以得到初始速度估测值。

按照本发明提供的另一种多点平滑化马达速度估测方法，根据编码器的输出来测量马达的速度估测值，以将所述速度估测值传送至马达速度控制器，该方法包括：决定第一过取样因子M1及第二过取样因子M2；读取所述编码器的输出；对所述编码器的输出进行计数；根据所述第一过取样因子M1及额定速度控制取样，对于所述编码器的输出做过取样，及对多个过取样结果做平均处理，以得到第一初始速度估测值V1；根据所述第二过取样因子M2及额定速度控制取样，对于所述编码器的输出做过取样，及对多个过取样结果做平均处理，以得到第二初始速度估测值V2；计算所述第一初始速度估测值V1和所述第二初始速度估测值V2的平均值V_avg；根据所述平均值V_avg，判断使用所述初始速度估测值V1还是所述第二初始速度估测值V2。

按照本发明提供的马达速度估测方法，不仅能兼顾平滑化及高频响应的实时性，而且可大幅改善马达转速测量时的跳动问题。

附图说明

图1为AC马达控制系统的方框图；

图2示出了公知技术速度估测单元处理的原理；

图3示出了公知技术速度估测单元处理的步骤；

图4为根据本发明的优选实施方案实现该多点平滑化马达速度估测方法的方框图；

图5为本发明与公知技术取样方式的示意图；

图6为根据本发明的多点平滑化马达速度估测方法的流程图；

图7为本发明的方法与上述专利在平均数同为8与16时的系统响应相位图。

图8A至8C为根据本发明第二优选实施方案的多点平滑化马达速度估测方法流程图。

【主要组件符号说明】

【公知技术】

马达           10a     编码器         12a

计数器         22a     速度估测单元   24a

速度控制单元   30a     位置控制单元   40a

电流控制与驱动单元     50a

【本发明】

脉冲型编码器     12    多点平滑化马达速度估测装置   20

脉冲计数器       22    过取样单元                   24

位移量平均单元   26    低通滤波器                   28

速度控制单元     30

具体实施方式

参见图4，其为根据本发明的优选实施方案实现该多点平滑化马达速度估测方法的方框图。本发明的多点平滑化马达速度估测装置20连接于脉冲型编码器12及速度控制单元30之间，以处理来自脉冲型编码器12传来的马达位置信息，并估计马达转速，进而输出估测速度至速度控制单元30。

该多点平滑化马达速度估测装置20主要包括脉冲计数器22、过取样单元24、位移量平均单元26及低通滤波器28。

脉冲计数器22将编码器的脉冲数作累加计数，其功能与公知的计数器并无差异。过取样单元24为离散时间的脉冲数取样装置，其取样率为额定速度控制取样(rated speed sampling)的M倍。假设原本额定速度控制取样为fs Hz，对应取样周期为T＝1/fs(Sec)。根据本发明的多点平滑化马达速度估测法则，过取样单元24所对应的取样频率为M*fs Hz，其取样时间为Ts＝1/(M*fs)Sec，其中M为一个过取样因子(over-sampling factor)，其为大于1的整数。位移量平均单元26将得到M组位移量经过平均处理，再除以取样周期时间T，则可以得到初步估测速度值V(t)。低通滤波器28对位移量平均单元26的初步速度估测值V(t)做低通滤波处理，以得到最终速度估测值，最终速度估测值可用于速度死循环控制。

为更进一步说明本发明的多点平滑化马达速度估测方法，以过取样因子M＝4为例，其取样方式如图5所示。将图5取样得到的4组位移量经过平均处理，再除以取样周期时间T，则可以得到初步速度估测值V(t)，

V(t)表示法可写为下式，

$V\left(t\right)=(\frac{P\left(t\right)-P(t-\frac{4}{4}T)}{T}+\frac{P(t-\frac{1}{4}T)-P(t-\frac{5}{4}T)}{T}+\frac{P(t-\frac{2}{4}T)-P(t-\frac{6}{4}T)}{T}+\frac{P(t-\frac{3}{4}T)-P(t-\frac{7}{4}T)}{T})/4$

当过取样频率为额定速度控制取样的M倍，其通式为

$V\left(t\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}P(t-\frac{k}{M})-P(t-\frac{k+M}{M}T)}{\mathrm{MT}}$

将位移量平均单元计算出的初步速度估测值再通过一个低通滤波器的滤波，最后输出一个最终速度估测值，该最终速度估测值可用于马达速度死循环控制。

参见图6，其为根据本发明的多点平滑化马达速度估测方法的流程图。首先决定一个过取样因子M(步骤S20)，接着读取编码器的输出(步骤S22)及对于编码器的输出做计数(步骤S24)。根据过取样因子M对于编码器的输出位置信息做过取样(步骤S26)，并对多个过取样结果做平均处理(步骤S28)，以得到初步速度估测值。最后对该初步速度估测值做低通滤波处理(步骤S29)，以得到最终速度估测值。

与公知技术(美国专利申请20070043528A1)相比较，本发明的多点平滑化马达速度估测方法加大过取样因子M时，不会形成上述专利速度估测值与实际速度的明显延迟。而且，本方法使用固定的平均数(过取样因子M)，不随转速变动，其作用在于平均过取样得到的多点位移。上述专利方法随转速变动平均数来达到消除编码器的位置偏差，因而上述专利因为速度估测值的延迟也无法应用于本专利的高速度的伺服控制。

图7为本发明的方法与上述专利在平均数同为8与16时的系统响应相位图，从此图可明显看出本方法在增加平均数改善速度估测的平滑度的同时，并不会额外造成信号的时间延迟。换言之，本方法同时兼顾平滑性与高频响应的性能需求。而且，本发明的速度算法可提高速度的平滑性，平均数愈大，平滑的效果愈好。同时，发明人发现原本在转速(60×fs/N_t)RPM发生速度不平滑，在新的算法只发生在(60×fs×M/N_t)RPM。当过取样频率愈高使得平均数M愈大，发生不平滑的转速愈高，当不平滑的转速比最高操作速度更高时，即可避开所有的速度不平滑的操作点。

参见图8A至8C，其分别为根据本发明第二优选实施方案的多点平滑化马达速度估测方法。该方法主要更有效地降低在涟波转速fr＝(M/Nt)×60×fsRPM发生速度不连续。该实施方案利用两个不同过取样因子(M值)的多点平滑的速度估测结果V_M1与V_M2，其中M₁≠M₂，如果将两个M值不同的速度估测结合，则将会在fr×(M₁与M₂的最小公倍数)上的转速才会出现估测跳动的现象。假设取样时间T为(6kHz)^-1，而编码器每转的分辨率为10000脉冲/转，则涟波转速fr约为36rpm的倍数。

以下根据该思路来改善多点平滑，并将之称为合成式多点平滑方法(composite multiple-point smoothing method for motor-speedestimation)。以M₁＝8与M₂＝9为例，合成式多点平滑方法的计算方法如下：

其中V_M1与V_M2分别代表M＝8与M＝9时所得到的速度估测数值、而V_{M1_M2_avg}代表V_M1与V_M2的平均值，假如

$f_r\&times;(8N-1)<V_{M1\_M2\_\mathrm{avg}}<f_r\&times;(8N+\frac{1}{2}),$ 其中N为整数，则使用M＝9时所得到的速度估测数值V_M2，而V_{M1_M2_avg}为其它值时，则使用M＝8时所得到的速度估测数值V_M1。

利用多点平滑估测合成方法来估测速度的流程图如8A至8C所示，将原本的运算中断时间T分为M₁与M₂等分，在每次

与

的中断时，取得计数器的数值P，再利用P值得到P(1-z^-M1)、P(1-z^-M2)，求得V_M1、V_M2(步骤S42，并一并参见图8B及图8C的说明)。在T的中断时，利用V_M1与V_M2的平均值V_{M1_M2_avg}(计算于步骤S44)来判断要使用V_M1或V_M2来当作低通滤波的输入信号(步骤S46)，最后所选择的信号由低通滤波处理后得到V_LPF给中断时间为T的控制回路使用(步骤S48)。

根据发明人的模拟发现：假设M＝8时，速度在36×8＝288rpm上仍然有跳动的现象，而在M＝9时，是在36×9＝324rpm上有跳动的现象。为了改善这个现象，利用合成式多点平滑方法来估测速度后，则可发现速度估测在这两个转速(288rpm与324rpm)上的跳动均获得了改善。

虽然加大M值也有如上述的效果，但是以一个3000rpm为最高速的系统为例，如果单纯利用多点平滑要改善所有36倍数转速上的跳动现象，则需要将M值加大至84(84×36＞3000)以上。而使用多点平滑的合成，则只要利用M＝9与M＝10，便可以达到要求(9与10的最小公倍数)×36＝90×36＞3000。因此可以看出取两个互质的整数来作合成式多点平滑方法，可以更有效的改善跳动问题。

总而言之，本发明的技术特征与优点叙述如下：

本发明的技术特征为使用过取样(over-sampling)装置，其取样频率高于速度控制的取样频率。而且，本发明的技术优点为产生平滑的速度估测值，又不会造成速度估测值与真实速度间过多的时间延迟。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非对本发明的限制，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，所做出的各种等效结构变化皆在本发明的范围之内。本发明的保护范围由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种多点平滑化马达速度估测方法，根据编码器的输出来测量马达的速度估测值，以将所述速度估测值传送至马达速度控制单元，该方法包括：

决定过取样因子M；

读取所述编码器的输出；

对所述编码器的输出进行计数；

根据所述过取样因子M及额定速度控制取样fs，对于所述编码器的输出做过取样；及

对多个过取样结果做平均处理，以得到初始速度估测值。

2.如权利要求1的方法，还包括：

对所述初始速度估测值做低通滤波处理，以得到最终速度估测值。

3.如权利要求1的方法，其特征在于，取样因子M为大于1的整数。

4.一种多点平滑化马达速度估测方法，根据编码器的输出来测量马达的速度估测值，以将所述速度估测值传送至马达速度控制器，该方法包括：

决定第一过取样因子M1及第二过取样因子M2；

读取所述编码器的输出；

对所述编码器的输出进行计数；

根据所述第一过取样因子M1及额定速度控制取样，对于所述编码器的输出做过取样，及对多个过取样结果做平均处理，以得到第一初始速度估测值V1；

根据所述第二过取样因子M2及额定速度控制取样，对于所述编码器的输出做过取样，及对多个过取样结果做平均处理，以得到第二初始速度估测值V2；

计算所述第一初始速度估测值V1和所述第二初始速度估测值V2的平均值V_avg；

根据所述平均值V_avg，判断使用所述初始速度估测值V1还是所述第二初始速度估测值V2。

5.如权利要求4的方法，其特征在于，判断使用所述第一初始速度估测值V1或所述第二初始速度估测值V2的步骤，是根据下式进行判断：

如果 $f_r\&times;(8N-1)<V_{\mathrm{avg}}<f_r\&times;(8N+\frac{1}{2}),$ 其中，N为整数，则使用第二初始速度估测值V2，否则使用第一初始速度估测值V1；上式中fr为涟波转速fr＝(60×fs/N_t)RPM，其中，假设编码器的解析为1转产生N_t个脉冲。

6.如权利要求4的方法，其特征在于，M1及M2为互质的整数。

7.如权利要求4的方法，还包括：

对所述初始速度估测值做低通滤波处理，以得到最终速度估测值。

8.如权利要求4的方法，其特征在于，取样因子M为大于1的整数。

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