CN101784900A - 速度检测方法与使用该方法的马达控制装置 - Google Patents
速度检测方法与使用该方法的马达控制装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种速度检测方法,其可在高速领域中进行高精度且低波动的速度检测的同时,即使在低速领域中干扰多时,也可以不损坏控制性能地进行速度运算。具体为,在使用具备:输出位置脉冲的脉冲发生电路(1);计数位置脉冲数的计数器(2);锁存计数器(2)值的位置寄存器(3);计时器(4);通过位置脉冲的升降来存储计时器值的时间寄存器(5);及发出允许读出信号来从位置寄存器(3)读入位置脉冲值,从时间寄存器(5)读入计时器值来进行速度运算的速度运算器(6)的速度检测装置的速度检测方法中,在变化脉冲为变化脉冲阈值以上而且多脉冲连续次数为多脉冲连续次数阈值以上时,变化脉冲除以变化时间,在其他情况下,变化脉冲除以取样周期来进行速度运算处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种在进行伺服马达的反馈控制时,通过安装于马达的编码器的输出来检测马达速度的方法。
背景技术
通常,马达等旋转体的速度检测采用在规定的每个取样周期读取位置脉冲信号的计数器值,求出该读取到的现在计数器值与前一次计数器值的计数差,通过该计数差除以取样周期来求出速度的脉冲计数方式。如果要提高速度分辨率,则需要有高分辨率的脉冲发生电路。另外,在使用具备跟踪电路的脉冲发生电路时,如果速度运算取样周期不是跟踪取样周期的整数倍,则也存在产生拍频现象而检测速度的波动变大的问题。
以往,为了提高速度检测的分辨率,速度检测通过在图2所示的速度检测装置中采用周期测定方式的速度运算来进行(例如,参考专利文献1)。
在图2中,1为脉冲发生电路,输出位置脉冲信号7。2为计数器,计测位置脉冲信号7的升降。3为位置寄存器,临时存储计数器2值。4为计时器,5为时间寄存器,通过位置脉冲信号7锁存计时器4值。6为速度运算器,通过发出允许读出信号10来从位置寄存器3读入位置脉冲值,从时间寄存器5读入锁存的计时器值,进行速度运算。
下面,对动作进行说明,图3是表示周期测定方式的时间图。在图3中,(a)表示作为脉冲发生电路1的输出的位置脉冲信号7。(b)表示用计数器2计测位置脉冲信号7的升降的计数器值8。(c)表示作为计时器4的输出的计时器值11。另外,计数器值8变化的时刻的计时器值11成为时间寄存器5的锁存值。(d)表示速度运算器6发出的允许读出信号10。(e)表示速度运算器6求出的运算速度。在允许读出信号10成为有效的时刻,读取位置寄存器3值并作为这次位置脉冲值n(k),另外读取时间寄存器值并作为这次计时器值t(k)。通过式(1)~(3)所示的算式求出作为这次位置脉冲值与前一次位置脉冲值的差的变化脉冲值Δn(k)及作为这次计时器值与前一次计时器值的差的变化计时器值Δt(k),计算位置脉冲频率f(k)而求出马达速度。
Δn(k)=n(k)-n(k-1) (1)
Δt(k)=t(k)-t(k-1) (2)
f(k)=Δn(k)/Δt(k) (3)
从图3可知,由于变化计时器值Δt(k)正确地示出了马达进行变化脉冲值Δn(k)变位的时间,因此这样求出的马达速度不发生拍频现象,精度高且波动小。
专利文献1:日本国特开平5-215758号公报(第2-4页、图1)
发明内容
在现有的速度检测方法中,采用存储位置脉冲信号的变化时刻,通过变化脉冲值除以变化计时器值来求出速度的顺序。因此,在1取样周期之间没有1脉冲变位时,由于变化计时器成为1取样周期以上,速度检测时间变长,所以存在不能提高控制增益而控制性能降低的问题。另外,在脉冲发生电路中干扰多时还存在以下问题:在允许读出信号成为有效时刻的前后发生干扰,受其干扰的影响,变化计时器值成为看上去为较小的值,输出比实际速度异常大的速度运算值,通过反馈控制造成马达振动。
本发明是基于上述问题而进行的,目的在于提供一种速度检测方法,其可在高速领域中进行高精度且低波动的速度检测的同时,即使在低速领域中干扰多时,也可以不损坏控制性能地进行速度运算。
为了解决上述问题,本发明采用如下方法及构成。
技术方案1所述的速度检测方法的发明在使用具备:输出位置脉冲的脉冲发生电路;计数所述位置脉冲数的计数器;锁存所述计数器值来存储位置信息的位置寄存器;计时器;通过所述位置脉冲的升降来存储所述计时器值的时间寄存器;及通过发出允许读出信号来从所述位置寄存器读入位置脉冲值,从所述时间寄存器读入计时器值来进行速度运算的速度运算器的速度检测装置的速度检测方法中,其特征为,
通过以下顺序进行速度运算处理,
使在1取样周期之间的变化脉冲值连续为规定的变化脉冲阈值以上的次数即多脉冲连续次数与前一次位置脉冲值及前一次计时器值为0,
所述速度运算器通过发出允许读出信号来从所述位置寄存器读入这次位置脉冲值,从所述时间寄存器读入这次计时器值,
使所述这次位置脉冲值减去所述前一次位置脉冲值后的值为所述变化脉冲值,
使所述这次计时器值减去所述前一次计时器值后的值为变化计时器值,
将所述变化脉冲值与所述变化脉冲阈值作比较,
在所述变化脉冲值为所述变化脉冲阈值以上时,在所述多脉冲连续次数上加1使其为新的多脉冲连续次数,将所述多脉冲连续次数与多脉冲连续次数阈值作比较,在所述多脉冲连续次数为所述多脉冲连续次数阈值以上时,通过所述变化脉冲值除以所述变化计时器值来计算位置脉冲频率,
在所述多脉冲连续次数小于所述多脉冲连续次数阈值时,通过所述变化脉冲值除以所述取样周期来计算位置脉冲频率,
在所述变化脉冲值小于所述变化脉冲阈值时,通过使所述多脉冲连续次数为0,所述变化脉冲值除以所述取样周期来计算位置脉冲频率,
使所述前一次位置脉冲值为所述这次位置脉冲值,使所述前一次计时器值为所述这次计时器值。
技术方案2所述的发明在技术方案1所述的速度检测方法中,使所述变化脉冲阈值为2以上的自然数。
技术方案3所述的发明在技术方案1所述的速度检测方法中,使所述多脉冲连续次数阈值为1以上的自然数。
技术方案4所述的马达控制装置的发明在具备:输出位置脉冲的脉冲发生电路;计数所述位置脉冲的计数器;锁存所述计数器值来存储位置信息的位置寄存器;计时器;通过所述位置脉冲的升降来存储所述计时器值的时间寄存器;及通过发出允许读出信号来从所述位置寄存器读入位置脉冲值,从所述时间寄存器读入计时器值来进行速度运算的速度运算器的马达控制装置中,其特征为,
具备如下速度运算器:使在1取样周期之间的变化脉冲值连续为规定的变化脉冲阈值以上的次数即多脉冲连续次数与前一次位置脉冲值及前一次计时器值为0,所述速度运算器通过发出允许读出信号来从所述位置寄存器读入这次位置脉冲值,并从所述时间寄存器读入这次计时器值,使所述这次位置脉冲值减去所述前一次位置脉冲值后的值为所述变化脉冲值,使所述这次计时器值减去所述前一次计时器值后的值为变化计时器值,将所述变化脉冲值与所述变化脉冲阈值作比较,在所述变化脉冲值为所述变化脉冲阈值以上时,在所述多脉冲连续次数上加1使其为新的多脉冲连续次数,将所述多脉冲连续次数与多脉冲连续次数阈值作比较,在所述多脉冲连续次数为所述多脉冲连续次数阈值以上时,通过所述变化脉冲值除以所述变化计时器值来计算位置脉冲频率,在所述多脉冲连续次数小于所述多脉冲连续次数阈值时,通过所述变化脉冲值除以所述取样周期来计算位置脉冲频率,在所述变化脉冲值小于所述变化脉冲阈值时,通过使所述多脉冲连续次数为0,所述变化脉冲值除以所述取样周期来计算位置脉冲频率,使所述前一次位置脉冲值为所述这次位置脉冲值,使所述前一次计时器值为所述这次计时器值。
技术方案5所述的发明在技术方案4所述的马达控制装置中,使所述变化脉冲阈值为2以上的自然数。
技术方案6所述的发明在技术方案4所述的马达控制装置中,使所述多脉冲连续次数阈值为1以上的自然数。
由于在高速运转时采用周期测定方式检测速度,因此计测位置脉冲的周期的变化计时器值正确地表示马达的变位时间,所以不发生拍频现象,检测速度的精度高波动也小。另一方面,由于在低速运转时采用脉冲计数方式检测速度,因此检测时间始终是1取样周期,所以抗干扰性强,也不引起由于相位滞后而控制性能降低的问题。另外,在中速运转时交替采用脉冲计数方式与周期测定方式,由于使多脉冲连续次数阈值Nm变大,因此检测速度的平均值与实际速度的误差变小。
这样,通过根据高速度、中速度及低速度的各运转领域来有选择地切换速度检测方式,可以提供更加高精度、低波动且高性能的马达控制装置。
附图说明
图1是表示本发明的速度检测方法处理顺序的流程图。
图2是表示现有的速度检测装置构成的框图。
图3是表示现有的周期测定方式的时间图。
图4是本发明中的高速运转时采用周期测定方式与脉冲计数方式的检测速度的比较。
图5是本发明中的低速运转时采用脉冲计数方式的检测速度。
图6是本发明中的中速运转时的检测速度(在nm=2、Nm=2时)。
图7是本发明中的中速运转时的检测速度(在nm=2、Nm=4时)。
符号说明
1-脉冲发生电路;2-计数器;3-位置寄存器;4-计时器;5-时间寄存器;6-速度运算器;7-位置脉冲信号;8-计数器值;9-位置寄存器的输出值;10-允许读出信号;11-计时器值;12-时间寄存器的输出值。
具体实施方式
下面,参照附图对本发明的速度检测方法的具体实施例进行说明。
实施例
实施本发明的方法的速度检测装置的构成与图2所示的现有技术相同。图1是表示图2的速度检测装置的本发明的速度检测方法的处理顺序的流程图。下面,使用图1按顺序对本发明的方法进行说明。
首先,为了在步骤1中进行初始化处理,使变化脉冲值连续地成为变化脉冲阈值nm(2以上的自然数)以上的次数即多脉冲连续次数N、前一次位置脉冲值n(k-1)及前一次计时器值t(k-1)全部成为0。
其次,在步骤2中通过速度运算器6发出允许读出信号10而从位置寄存器3读入这次位置脉冲值n(k),并从时间寄存器5读入这次计时器值t(k)。
在步骤3中与现有技术相同如式(1)及式(2)所示地求出变化脉冲值Δn(k)及变化计时器值Δt(k)。
在步骤4中判断Δn(k)是否在nm以上,如果是,则进入到步骤5。如果不是,则进入到步骤6。
在步骤5中,在多脉冲连续次数N上加1作为新的多脉冲连续次数N,进入到步骤7。
在步骤6中使多脉冲连续次数N为0,进入到步骤9。
在步骤7中判断多脉冲连续次数N是否在多脉冲连续次数阈值Nm以上,如果是,则进入到步骤8。如果不是,则进入到步骤9。
在步骤8中如式(3)所示地通过变化脉冲值Δn(k)除以变化计时器值Δt(k)来计算位置脉冲频率f(k),求出马达速度。
另外,在步骤9中如式(4)所示地通过变化脉冲值Δn(k)除以取样周期T来计算位置脉冲频率f(k),求出马达速度。
f(k)=Δn(k)/T (4)
最后,在步骤10中,将前一次位置脉冲值n(k-1)作为这次位置脉冲值n(k),将前一次计时器值t(k-1)作为这次计时器值t(k),返回到步骤2。
这样,在连续Nm次以上1取样周期之间的实际变位量为nm脉冲以上的情况下采用周期测定方式,在其它情况下采用脉冲计数方式求出马达速度。
即,由于在高速运转时(1取样周期之间的实际变位量始终是nm脉冲以上时)采用周期测定方式检测速度,因此不发生拍频现象,检测速度的精度高波动也小。
图4表示检测速度的模拟结果,横轴是以取样周期T进行标准化的时间轴,纵轴是以对应于取样周期T的脉冲数(相当于Δn(k)/T)进行标准化的值。周期测定方式(长虚线)的速度波动与脉冲计数方式(短虚线)的情况相比被抑制为1/10以下,大幅地降低了。
另一方面,在低速运转时,即在1取样周期之间的实际变位量始终不足[nm-(1/Nm)]脉冲时,由于多脉冲连续次数N不会在多脉冲连续次数阈值Nm以上,因此采用脉冲计数方式进行速度检测(参照图5)。此时,虽然在每个运算周期检测速度与实际速度的误差变大,但是在稍长时间跨度中的检测速度的平均值与实际速度大致相等。由于检测时间始终是1取样周期,因此抗干扰性强,也不产生因相位滞后引起的控制性能降低的问题。虽然存在拍频现象,但是由于拍频引起的脉动振幅与速度成比例,因此在低速度时其脉动振幅小,不会产生不良影响。
另外,nm的大小取决于干扰环境。在干扰少时,为了即使在低速运转时也提高速度运算的精度且减小波动,尽可能小地设定nm为佳。
另外,在中速运转时,即在1取样周期之间的实际变位量在[nm-(1/Nm)]脉冲以上且不足nm脉冲时,由于多脉冲连续次数N围绕多脉冲连续次数阈值Nm而上下波动,因此速度检测将会在脉冲计数方式与周期测定方式之间交替切换。因此,在马达以一定的中速运转时,检测速度的平均值VAve与实际速度VMotor之间产生误差。下面说明其理由。
假设不进行运算方式的切换而始终采用脉冲计数方式来检测速度,则虽然在变化脉冲值为nm时运算的速度VHigh大于实际速度VMotor,在变化脉冲值为(nm-1)时运算的速度VLow小于实际速度,但是检测速度的平均值VAve与实际速度VMotor相等。
在本发明的速度检测方式中,在多脉冲连续次数N为多脉冲连续次数阈值Nm以上时,由于采用周期测定方式检测速度,因此虽然该检测速度与该时点的实际速度VMotor相等,但是由于成为小于采用脉冲计数方式运算的值VHigh,因此检测速度的平均值VAve小于实际速度VMotor。
像这样的在中速运转时的误差问题可以通过提高多脉冲连续次数阈值Nm来降低其影响。即,在提高了Nm时,由于在一定时间内采用周期测定方式的次数减少,因此检测速度的平均值与实际速度的误差也会变小。但是,在提高了Nm时,由于脉冲计数方式的固有问题即拍频引起的脉动变大,因此有必要考虑误差与脉动的折衷选择,根据所要求的驱动系统的特性来决定Nm的值。
图6是在中速运转时通过模拟来表示检测速度在脉冲计数方式与周期测定方式下交替变换的状况。长虚线为采用本发明的速度检测方式的检测速度,短虚线为用于比较的采用脉冲计数方式的检测速度。另外,点划线表示通过低通滤波器观察的本发明的检测速度的平均值。并且,在图6中,nm=2,Nm=2。
根据本模拟结果,虽然在切换到周期测定方式期间,其检测速度的值与实际速度的值大致相等,但是包含采用脉冲计数方式的检测值的检测速度整体的平均值却是稍微低于实际速度的值。
另外,图7表示在模拟条件下nm=2,将Nm从2变更为4的情况,此时,如上所述由于在一定时间内采用周期测定方式的次数减少,因此可以知道相对于实际速度(实线)的检测速度的平均值的偏差小于图6的情况。
并且,由于本发明作为具有位置控制、速度控制功能的马达控制装置的速度反馈信号来应用,因此可以提供更加高精度、低波动且高性能的马达控制装置。
由于根据位置脉冲信号的计数器值及位置脉冲信号的计时器值,通过按照运转速度来切换脉冲计数方式与周期测定方式,可以高精度地检测作为位置信号的微分的速度信号,因此可以广泛地应用于机器人、机床、半导体制造装置等要求高精度、高速响应控制的领域和其他的一般产业领域的位置及速度控制装置中。
Claims (6)
1.一种速度检测方法,其使用具备:输出位置脉冲的脉冲发生电路;计数所述位置脉冲数的计数器;锁存所述计数器值来存储位置信息的位置寄存器;计时器;通过所述位置脉冲的升降来存储所述计时器值的时间寄存器;及通过发出允许读出信号来从所述位置寄存器读入位置脉冲值,从所述时间寄存器读入计时器值来进行速度运算的速度运算器的速度检测装置,其特征为,
通过以下顺序进行速度运算处理,
使在1取样周期之间的变化脉冲值连续为规定的变化脉冲阈值以上的次数即多脉冲连续次数与前一次位置脉冲值及前一次计时器值为0,
所述速度运算器通过发出允许读出信号来从所述位置寄存器读入这次位置脉冲值,从所述时间寄存器读入这次计时器值,
使所述这次位置脉冲值减去所述前一次位置脉冲值后的值为所述变化脉冲值,
使所述这次计时器值减去所述前一次计时器值后的值为变化计时器值,
将所述变化脉冲值与所述变化脉冲阈值作比较,
在所述变化脉冲值为所述变化脉冲阈值以上时,在所述多脉冲连续次数上加1使其为新的多脉冲连续次数,将所述多脉冲连续次数与多脉冲连续次数阈值作比较,在所述多脉冲连续次数为所述多脉冲连续次数阈值以上时,通过所述变化脉冲值除以所述变化计时器值来计算位置脉冲频率,
在所述多脉冲连续次数小于所述多脉冲连续次数阈值时,通过所述变化脉冲值除以所述取样周期来计算位置脉冲频率,
在所述变化脉冲值小于所述变化脉冲阈值时,通过使所述多脉冲连续次数为0,所述变化脉冲值除以所述取样周期来计算位置脉冲频率,
使所述前一次位置脉冲值为所述这次位置脉冲值,使所述前一次计时器值为所述这次计时器值。
2.根据权利要求1所述的速度检测方法,其特征为,使所述变化脉冲阈值为2以上的自然数。
3.根据权利要求1所述的速度检测方法,其特征为,使所述多脉冲连续次数阈值为1以上的自然数。
4.一种马达控制装置,其具备:输出位置脉冲的脉冲发生电路;计数所述位置脉冲的计数器;锁存所述计数器值来存储位置信息的位置寄存器;计时器;通过所述位置脉冲的升降来存储所述计时器值的时间寄存器;及通过发出允许读出信号来从所述位置寄存器读入位置脉冲值,从所述时间寄存器读入计时器值来进行速度运算的速度运算器,其特征为,
具备如下速度运算器:使在1取样周期之间的变化脉冲值连续为规定的变化脉冲阈值以上的次数即多脉冲连续次数与前一次位置脉冲值及前一次计时器值为0,所述速度运算器通过发出允许读出信号来从所述位置寄存器读入这次位置脉冲值,并从所述时间寄存器读入这次计时器值,使所述这次位置脉冲值减去所述前一次位置脉冲值后的值为所述变化脉冲值,使所述这次计时器值减去所述前一次计时器值后的值为变化计时器值,将所述变化脉冲值与所述变化脉冲阈值作比较,在所述变化脉冲值为所述变化脉冲阈值以上时,在所述多脉冲连续次数上加1使其为新的多脉冲连续次数,将所述多脉冲连续次数与多脉冲连续次数阈值作比较,在所述多脉冲连续次数为所述多脉冲连续次数阈值以上时,通过所述变化脉冲值除以所述变化计时器值来计算位置脉冲频率,在所述多脉冲连续次数小于所述多脉冲连续次数阈值时,通过所述变化脉冲值除以所述取样周期来计算位置脉冲频率,在所述变化脉冲值小于所述变化脉冲阈值时,通过使所述多脉冲连续次数为0,所述变化脉冲值除以所述取样周期来计算位置脉冲频率,使所述前一次位置脉冲值为所述这次位置脉冲值,使所述前一次计时器值为所述这次计时器值。
5.根据权利要求4所述的马达控制装置,其特征为,使所述变化脉冲阈值为2以上的自然数。
6.根据权利要求4所述的马达控制装置,其特征为,使所述多脉冲连续次数阈值为1以上的自然数。
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