CN101398439B - 马达转速测量系统的起始估计转速自动设定方法 - Google Patents

Abstract

一种马达转速测量系统的起始估计转速自动设定方法，该方法用于处理编码器感测马达转动的脉波信号，以自动产生用于计算脉波的起始估计转速，包含：进行初始值设定，将计数器归零并设定起始估计转速及计数设定值M，其中在第一次测量，该起始估计转速为该马达转速测量系统所能测量到的最大转速；将马达转速分成复数个两个或两个以上转速阶层；依据起始估计转速计算设定脉波宽度临界值ΔT；依据该脉波宽度临界值ΔT计算在总共时间周期内的脉波数目；借由该时间周期内的脉波数目计算新的马达转速；及利用该新的马达转速设定新的起始估计转速，其中该新的起始估计转速为比该新的马达转速大的速度。

Description

马达转速测量系统的起始估计转速自动设定方法

技术领域

本发明有关一种用于马达转速测量系统的方法，尤指一种马达转速测量系统的起始估计转速自动设定方法。

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，常使用编码器来帮助估测马达转子运转速度。

图1所示为AC马达控制系统框图，借由测量马达速度的回馈信息，以控制马达10a转速。该公知速度估测系统20a包含计数器22a及速度估测单元24a。编码器12a输出脉波(pulse)信号2以表示测量到的马达位置，该计数器22a处理该脉波信号2后得到马达的位置信号P。该速度估测单元24a处理该马达位置信号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与来自计数器22a的回馈，计算出速度命令V_cmd；然后速度控制单元30a依据该速度命令V_cmd计算出电流命令i_cmd输出至电流控制与驱动单元50a。该电流控制与驱动单元50a依据该电流命令i_cmd及马达回馈电流以驱动马达10a。

参见图2及图3，分别为说明公知技术速度估测单元24a处理的原理图及步骤流程图。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： $V\left(t\right)=P(1-z^{-1})/T=\frac{P\left(t\right)-P(t-T)}{T},$ 其中V(t)为估测速度，P(t)表示编码器的回馈位置，T为取样时间。如图3所示，步骤S10：该速度估测单元24a在每次时间T的中断时，步骤S12：取得计数器回馈的数值P(t)。步骤S14：该速度估测单元24a再由计数器22a回馈的数值P(t)减去前次中断的位置P(t-T)，用Z转换的观点来看，即可产生位置差P(1-z^-1)。步骤S16：接着该速度估测单元24a依据两次位置的差值及取样时间T计算出初步估测速度 $V\left(t\right)=P(1-z^{-1})/T=\frac{P\left(t\right)-P(t-T)}{T}.$ 步骤S18：然后将求得的初步估测速度V经由低通滤波器平顺化后形成最后的速度值V_LPF。步骤S20：结束。

美国专利早期公开案US 20070043528 A1揭露一种对多个取样周期的测量速度做平均的方法，以降低测量涟波(ripple)问题。然而上述专利提案方式在马达高频率操作时会有相位延迟(phase delay)的问题。

再者，一般测量转速或计数时，通常会让使用者输入最高转速的频率。也就是使用者必须知道待测物的最高转速，否则有可能造成测量误差。这个测量误差的产生有两种状况：

1、待测物很慢，但使用者输入高转速频率：抗噪声能力变差，假如有噪声进来会产生误差。

2、待测物很快，但使用者输入低于待测物转速频率：会产生计数脉波漏数或测得转速变慢。

然而有时候待测物的转速并不固定，因此使用者很难预测待测物的转速。如能设计自动切换马达转速测量系统的起始估计转速，不需要由使用者输入，即可减少测量的误差，增加准确性。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的即在于提供一种可自动切换马达转速测量系统的起始估计转速的马达转速测量系统的起始估计转速自动设定方法。

为达成上述目的，本发明提供一种马达转速测量系统的起始估计转速自动设定方法，用于处理编码器感测马达转动的脉波信号，以自动产生用于计算脉波的起始估计转速。在测量初始设定时，先将计数器归零并设定起始估计转速及计数设定值M，其中在做第一次数据测量时，可将该起始估计转速设定为该马达转速测量系统所能测量的最大转速。将马达转子转速分成复数个转速阶层，并依据起始估计转速设定脉波宽度临界值ΔT。该系统在接收该编码器的脉波信号时，计算该脉波信号的脉波宽度，若该脉波宽度大于该脉波宽度临界值ΔT，则将计数器加1。在计数完成该计数设定值M后，由计数器计算的脉波数目及全部测量时间计算出新的马达转速；及利用该新的马达转速设定新的起始估计转速，其中该起始估计转速为比新的马达转速速度为高的另一阶层速度。再者计数设定值M也可以随马达估计转速而单调递增，以确保测量精确度。

本发明具有起始估计转速自动设定方法的马达转速测量系统，可以依据前一次的测量结果自动设定起始估计转速(也即自动设定脉波宽度临界值ΔT)，且计数设定值M可随测量频率增大而增加，因此可以准确测量转子频率，而改进设定固定起始估计转速的问题。

附图说明

图1为AC马达控制系统框图；

图2为说明公知技术速度估测单元处理的原理图；

图3为说明公知技术速度估测单元处理的步骤流程图；

图4为依据本发明较佳具体实施例的马达转速测量系统框图；

图5为编码器输出脉波信号的时序图；

图6为依据本发明的马达转速测量系统的起始估计转速自动设定方法流程图；

图7为马达转子转速分成复数个阶层的一个范例的示意图。

附图标记说明：

马达10a            编码器12a

计数器22a          速度估测系统20a

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

速度控制器10       驱动电路12

马达14             编码器16

转速计18           步骤S100-S124

具体实施方式

图4为依据本发明较佳具体实施例的马达转速测量系统框图，该马达转速测量系统主要包含速度控制器10、转速计18、及编码器16。该编码器16与马达14转子连动，并可以依据转子转动而输出脉波(pulse)信号。该转速计18可以依据该输出脉波信号而估计马达转子转速，并将估计转速送至速度控制器10。该速度控制器10可以接收输入转速命令及估计转速，以产生一个速度命令，然后将速度命令送给该驱动电路12，以精确控制马达14转子转速。

参见图5，为编码器1 6输出脉波信号的时序图，假设每一脉波的脉波周期为时间T(脉波与脉波间时间差)。一般测量转速或计数通常有两个参数，一个是时间，一个是脉波数。也就是每一秒产生几个脉波，单位为赫兹(Hz)。市面上转速计的单位有rpm(每分钟的圈数)或rps(每秒钟的圈数)。若每一圈有n个脉波，那么1rpm＝n/60Hz，1rps＝nHz。根据两个参数，转速计18可利用硬件中断，当程序侦测到有脉波发生时，启动时间计时，当程序又侦测到下一个脉波，停止时间计时，如此可知道脉波与脉波之间的时间T。若转速够快可取N个脉波，经过时间T_total，则可计算出马达转子转速N/(T_total)Hz。

然而在上述马达转速估计中，为了避免噪声干扰对于脉波的测量，通常会设定脉波宽度临界值ΔT(pulse width threshold)，当脉波宽度经判断小于脉波宽度临界值ΔT，则把该脉波视为噪声去除掉。但脉波宽度临界值ΔT的大小与使用者设定的转速有关，设定的转速越快，脉波宽度临界值ΔT越小，通常是小于或等于转速的一半。例如转速为1kHz，则对应的脉波宽度临界值ΔT必须不得大于1/(1k×2)＝0.5ms。

如果让使用者自己设定待测物的转速，根据使用者的设定计算出噪声脉波宽度，确保测量的精确度。但此频率波宽度是固定，而待测物的转速并不一定不变，而且万一使用者设定错误或忘了设定或不知待测物的转速，如此势必造成测量误差。

对于一般转速必须要使用者设定而造成测量误差的缺失，本发明可利用测量转速有连续性的特色，自动切换转速的设定。参见图6，为依据本发明的马达转速估计值自动设定方法的流程图。步骤S100为马达转速估计初始值设定，在此有两个参数需要自动设定，一个是脉波宽度临界值ΔT，一个是计数设定值(set count value)M。依据本发明，可以建立一个起始估计转速对照表(initially-estimated speed lookup table)，因为转子转速有连续性，不会由1Hz瞬间变成100Hz，转子转速一定从1Hz经过一段时间变成100Hz。因此该起始估计转速对照表是将马达转子转速由该马达转速测量系统所能测量的最小转速到最大转速之间分成复数个阶层(multiple ranges)，(参见图7)如1Hz、200Hz、500Hz、1kHz、500kHz、1MHz等。每一速度阶层均有一个对应的时间周期(time period)，也即1/(1Hz)、1/(200Hz)...1/(1MHz)。在此起始估计转速对照表可以由转速计18所能测量的最小转速到最大转速设定多个转速阶层，以有利于依据目前转速设定高一层(速度较高)的起始估计转速，而能精确测量正确的脉波。

脉波宽度临界值ΔT即为速度阶层的对应时间周期的特定工作周率(dutycycle)。例如假使速度阶层为5kHz，那么对应时间周期为1/5k＝0.2ms，如果取50％的工作周率(一半High，一半Low)，则脉波宽度临界值ΔT为0.1ms。因此如果转速计18设定的脉波宽度临界值ΔT为0.1ms，则转速计18测量到脉波宽度小于0.1ms脉波即视为噪声去除掉。

为了能精确测量脉波，在步骤S100，如果是第一次测量(之前无测量数据)，就取转速计1 8所能测量的最大转速为起始估计转速。如果已经有测量数据，则取目前转速(current rotational speed)的下一转速阶层作为起始估计转速，以避免测量误差。如目前测量转速为190Hz，比较接近200Hz(第2阶层)，可预先将脉波宽度临界值ΔT设到相对应500Hz(第3阶层)的脉波宽度。若目前测量转速为10Hz，比较接近1Hz(第1阶层)，可预先将脉波宽度临界值ΔT设到相对应200Hz(第2阶层)的脉波宽度。再者，该转速计18内部包含有一个计数器(图中未示出)，在初始值设定时，计数器会归零。

在完成初始值设定的后，该转速计18等待脉波进入(步骤S102)、并在脉波进入后由硬件中断产生及侦测脉波宽度(步骤S104)。该转速计18判断侦测脉波是否大于脉波宽度临界值ΔT？(步骤S110)；若否，则将该侦测脉波视为噪声(步骤S112)；若是，则将该侦测脉波视为正常的转子计数脉波而将计数器加1(步骤S114)。接着该转速计18判断计数器的结果(步骤S120)，若计数器的计数结果等于该计数设定值M，则结束该次测量并计算新的马达转速＝M/T_total(Hz)，其中T_total为该次测量的全部测量时间(步骤S122)；若计数器的计数结果不等于该计数设定值M，则仍回到步骤S102。该转速计18依据计算出来的新的马达转速计算新的脉波宽度临界值ΔT及计数设定值M(步骤S124)，其中计数设定值M可与测量频率有关，也可设定为固定值。该计数设定值M较佳者是与测量到的频率成单调递增(monotonously increasing)关系，例如测量频率在200Hz以上，计数设定值M取200，测量频率在200Hz以下，计数设定值M取1，依此类推。

本发明具有起始估计转速自动设定方法的马达转速测量系统，可以依据前一次的测量结果自动设定起始估计转速(也即自动设定脉波宽度临界值ΔT)，且计数设定值M可随测量频率增大而增加，因此可以准确测量转子频率，而改进设定固定起始估计转速的问题。

Claims (7)

1.一种马达转速测量系统的起始估计转速自动设定方法，该方法用于处理编码器感测马达转动的脉波信号，以自动产生用于计算脉波的起始估计转速，其特征在于，包含：

进行初始值设定，将计数器归零并设定起始估计转速及计数设定值M，其中在第一次测量，该起始估计转速为该马达转速测量系统所能测量到的最大转速；

将马达转速分成两个以上转速阶层；

依据起始估计转速设定脉波宽度临界值ΔT；

依据该脉波宽度临界值ΔT计算在总共时间周期内的脉波数目；

接收脉波信号时，计算该脉波信号的脉波宽度；

若该脉波宽度大于该脉波宽度临界值ΔT，则将计数器加1；

借由该总共时间周期内的脉波数目计算新的马达转速；及

利用该新的马达转速设定新的起始估计转速，其中该新的起始估计转速为比该新的马达转速大的速度。

2.如权利要求1所述的马达转速测量系统的起始估计转速自动设定方法，其特征在于，所述两个以上阶层为1Hz、200Hz、500Hz、1kHz、500kHz、及1MHz为界限所区分的阶层。

3.如权利要求1所述的马达转速测量系统的起始估计转速自动设定方法，其特征在于，所述总共时间周期为计数值达到计数设定值M的时间。

4.如权利要求1所述的马达转速测量系统的起始估计转速自动设定方法，其特征在于，所述新的起始估计转速是将目前测量到的新的马达转速所在速度阶层，往更高速度提高一层的转速。

5.如权利要求1所述的马达转速测量系统的起始估计转速自动设定方法，其特征在于，还包含：

利用该新的马达转速设定新的计数设定值M，且新的计数设定值M与马达转速为单调递增关系。

6.如权利要求1所述的马达转速测量系统的起始估计转速自动设定方法，其特征在于，所述脉波宽度临界值ΔT是对应起始估计转速的一周期的50％。

7.如权利要求1所述的马达转速测量系统的起始估计转速自动设定方法，其特征在于，所述转速阶层为该马达转速测量系统所能测量的最小转速到最大转速之间的两个以上转速阶层。

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