CN101997480A - 马达控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种马达控制方法。马达控制方法包括以下步骤。在一加速时间区间中，以一第一速度曲线增加马达的一转速至一最高转速值。在一等速时间区间中，维持转速为最高转速值。在一减速时间区间中，以一第二速度曲线降低转速至零。其中，第一速度曲线及第二速度曲线于对应时间点之合相关于最高转速值。此方法可进一步供使用者可弹性地设定设定加加速度的变化时间点，且不牺牲马达与其连结机构的运转平顺度。

Description

马达控制方法

技术领域

本发明有关一种马达控制方法，且特别是有关一种以速度曲线作为控制指令的马达控制方法。

背景技术

马达的发明促成全球工业革命的爆发。以电动马达为例，电动马达将电能转化成机械能，并可再使用机械能产生动能，用来驱动其它装置的电气设备。

在马达运转的控制中，马达的转速、位移量等参数是基本的控制参数。然而，在传统的马达控制系统中，马达必须急遽加速以达成目标转速。当马达接近目标位移量时，却又必须急遽减速。使得马达的运转相当不平顺，经常造成震动等现象。

并且，在传统控制方法中，当马达采用定点数运算器时，所有计算过程的小数点将会被舍弃，将造成运算的误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种马达控制方法，其利用速度曲线的设计，使得马达可以平顺的运转，且可降低运算的误差。

根据本发明的一方面，提出一种马达控制方法。马达控制方法包括以下步骤。在一加速时间区间中，以一第一速度曲线增加马达的一转速至一最高转速值。在一等速时间区间中，维持转速为最高转速值。在一减速时间区间中，以一第二速度曲线降低转速至零。其中，第一速度曲线及第二速度曲线于对应时间点之合相关于最高转速值。

附图说明

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下面将配合附图对本发明的较佳实施例作详细说明，其中：

图1绘示马达的位移曲线图；

图2绘示马达的速度曲线图；

图3绘示马达的加速度曲线图；

图4绘示马达的加加速度曲线图；

图5绘示总位移补偿量的示意图；

图6绘示等速型马达的速度曲线图；

图7绘示本实施例马达的速度曲线图；

图8绘示本实施例马达的第二速度曲线与未进行补偿的第二速度曲线的比较图；

图9绘示本实施例马达的第二速度曲线与未采用等面积法的第二速度曲线的比较图；以及

图10绘示本发明较佳实施例的马达控制方法的流程图。

具体实施方式

以下提出一实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并不会限缩本发明欲保护的范围。此外，实施例中的附图是省略不必要的元件，以清楚显示本发明的技术特点。

请参照同时参照图1～图4。图1绘示马达的位移曲线图，图2绘示马达的速度曲线图，图3绘示马达的加速度曲线图，图4绘示马达的加加速度曲线图。其中，马达的位移曲线X是马达的速度曲线V的积分，马达的速度曲线V是马达的加速度曲线A的积分，马达的加速度曲线A是马达的加加速度曲线J的积分。反的，马达的加加速度曲线J是马达的加速度曲线A的微分，马达的加速度曲线A是马达的速度曲线V的微分，马达的速度曲线V是马达的位移曲线X的微分。

如图1～图4所示，时间轴主要分为第一子时间区间P1(时间点T0～时间点T1)、第二子时间区间P2(时间点T1～时间点T2)、第三子时间区间P3(时间点T2～时间点T3)、第四子时间区间P4(时间点T3～时间点T4)、第五子时间区间P5(时间点T4～时间点T5)、第六子时间区间P6(时间点T5～时间点T6)及第七子时间区间P7(时间点T6～时间点T7)。

在第一子时间区间P1中，加加速度曲线J维持于最高加加速度值Jmax，加速度曲线A则直线上升至最高加速度值Amax，速度曲线V及位移曲线X也逐步上升。

在第二子时间区间P2中，加加速度曲线J维持于0，加速度曲线A则维持于最高加速度值Amax，速度曲线V及位移曲线X也逐步上升。

在第三子时间区P3间中，加加速度曲线J维持于最低加加速度值-Jmax，加速度曲线A直线下降至0，速度曲线V逐步上升至最高转速值Vmax，位移曲线X则逐步上升。

在第四子时间区间P4中，加加速度曲线J维持于0，加速度曲线A维持于0，速度曲线V维持于最高转速值Vmax，位移曲线X则逐步上升。

在第五子时间区间P5中，速度曲线V逐步下降，位移曲线X则逐步上升。

在第六子时间区间P6中，速度曲线V逐步下降，位移曲线X则逐步上升。

在第七子时间区间P7中，速度曲线V逐步下降至0，位移曲线X则逐步上升。

其中，第一子时间区间P1、第三子时间区间P3、第五子时间区间P5及第七子时间区间P7的长度相等，且第二子时间区间P2及第六子时间区间P6的长度相等。

第一～第三子时间区间P1～P3定义为一加速时间区间P10，第四子时间区间P4定义为一等速时间区间P20，第五～第七子时间区P5～P7间定义为一减速时间区间P30。加速时间区间P10的长度等于减速时间区间P30的长度。加速时间区间P10的速度曲线V定义为第一速度曲线V1，减速时间区间P30的速度曲线V定义为第二速度曲线V2。第一速度曲线V1及第二速度曲线V2皆为S型曲线。

在本实施例中，第一速度曲线V1及第二速度曲线V2于对应时间点之合等于最高转速值Vmax及平均补偿转速值之合(平均补偿转速值说明于后段内容)。也就是说，第五～第七子时间区间P5～P7的第二速度曲线V2是依据第一～第四子时间区间P1～P4的第一速度曲线V1及平均补偿转速值来推估(平均补偿转速值说明于后段内容)。

在控制过程中，不需要对第五～第七子时间区间P5～P7的加加速度曲线J及加速度曲线A作控制，故不予以绘出。

前面所述的平均补偿转速值，其是由总位移补偿量C所求得。请参照图5，其绘示总位移补偿量C的示意图。当马达采用定点数运算器时，其计算精度仅能到达整数，所有计算过程的小数点将会被舍弃，而造成运算的误差。举例来说，马达是通过位移测定器测定马达的位移量，位移测定器是以脉波数(pulse)来表示马达的位移量。若使用者设定马达的预定总位移为20000脉波数，且设定马达的转速为1000圈数/每分钟(rev/60s；rpm)，且位移测定器执行一次循环(INT cycle)需要400微秒(μs)，则可计算出位移测定器路执行一次循环所需增加的位移量，如第(1)式。

$\frac{100\mathrm{rev}}{60s}\×\frac{4\×2000\mathrm{pulse}}{1\mathrm{rev}}\×\frac{400\mathrm{\μs}}{1\mathrm{INTcycle}}=53\frac{\mathrm{pulse}}{\mathrm{INTcycle}}...\left(1\right)$

其中，在位移测定器的反馈机制下，转速的控制将采

作为单位转速的单位，并采INT cycle作为时间的单位。

接着，计算出需要增加多少次的位移量才能够达到所需的20000脉波数，如第(2)式。

$20\mathrm{rev}\×\frac{\frac{4\×2000\mathrm{pulse}}{1\mathrm{rev}}}{53\frac{\mathrm{pulse}}{\mathrm{INTcycle}}}=3018\mathrm{INTcycle}...\left(2\right)$

由第(1)、(2)式可发现因为定点数运算器的计算精度只能到达整数，因此以转速53

转动3018循环INT cycle后尚须要总位移补偿量C，如第(3)式所示。

$20\mathrm{rev}\×\frac{4\×2000\mathrm{pulse}}{1\mathrm{rev}}-53\frac{\mathrm{pulse}}{\mathrm{INTcycle}}\×3018\mathrm{INTcycle}=46\mathrm{pulse}...\left(3\right)$

如图5所示，在马达以转速53

转动3018循环INT cycle后，尚须要以46

转动1循环INT cycle。因此，在弥补总位移补偿量C时，即可能产生马达顿转的现象。

为了让马达运转更加平顺，呈现出如图2所示的速度曲线，本实施例将上述总位移补偿量C除以第五～第七子时间区间P5～P7后，得到了平均补偿转速值。然后再将平均补偿转速值分配至第五～第七子时间区间P5～P7，使得第五～第七子时间区间P5～P7的第二速度曲线V2略高于第一速度曲线V1。

如此一来，马达按照图2的马达的速度曲线V驱动时，整个运转过程将会相当平顺，且在时间点T7停止运转后，不再需要进行补偿的动作。

请参照图6及图7，图6绘示等速型马达的速度曲线图，图7绘示本实施例马达的速度曲线图。如上所述，速度曲线的积分面积代表马达的位移。在图6中，等速型马达在运转了积分面积A1+A2+A3+A4的位移后，尚须要运转积分面积C0的位移(即上述的总位移补偿量C)。其中积分面积C0区分三段积分面积C1、C2及C3，积分面积C1对应于第五子时间区间P5、积分面积C2对应于第六子时间区间P6及积分面积C3对应于第七子时间区间P7。在图7中，本实施例的马达运转到了时间点T4后，尚需要运转的积分面积B5、B6及B7的位移，其分别为：

在第五子时间区间P5中，积分面积B5等于积分面积A1-积分面积B1+积分面积C1。

在第六子时间区间P6中，积分面积B6等于积分面积A2-积分面积B2+积分面积C2。

在第七子时间区间P7中，积分面积B7等于积分面积A3-积分面积B3+积分面积C3。

也就是说，本实施例的马达运转到了时间点T4后，即可立即利用“等面积法”计算出第五～第七时间区间的第二速度曲线V2，而不需要随着时间逐步演算。

此外，请再参照图8，其绘示本实施例马达的第二速度曲线V2与未进行补偿的速度曲线V2’的比较图。在时间点T4以后，本实施例的第二速度曲线V2为实线，未进行补偿的第二速度曲线为V2’为虚线。第二速度曲线V2’的积分面积对应于第一速度曲线V1的积分面积，但未加入总位移补偿量C，所以必须在时间点T7后，再运转一补偿速度曲线VC以达到预定总位移。而本实施例的马达的整个运转过程相当平顺，在时间点T7停止运转后，不再需要进行补偿的动作。

再者，请再参照图9，其绘示本实施例马达的第二速度曲线V2与未采用“等面积法”的第二速度曲线V2”的比较图。本实施例马达的第二速度曲线V2是实线，未采用等面积法的第二速度曲线V2”是虚线。采用等面积法演算的第二速度曲线V2可以在时间点T4立即演算出来，而未采用等面积法的第二速度曲线V”则必须随着时间逐步运算。如图9所示，在第二速度曲线V”在运算过程中必须随时考量到“预定总位移还剩下多少尚未完成？”、“时间还剩下多少？”等因素，以期在时间点T7能够顺利完成预定总位移，其演算复杂度相当的高。因此相较于未采用等面积法的第二速度曲线V2”，本实施例采用等面积法演算的第二速度曲线V2的演算复杂度可以降低许多。

请参照图10，其绘示本发明较佳实施例的马达控制方法的流程图。以下是搭配上述图1～图4为例说明本实施例的马达控制方法。然而本发明所属技术领域中具有通常知识者均可了解本发明的马达控制方法并不局限于图1～图4的应用。

首先，在步骤S102中，提供一设定界面，供一使用者设定马达的预定总位移。

接着，在步骤S104中，提供此设定界面，供一使用者设定第一子时间区间P1及第二子时间区间P2。其中，由于第三子时间区间P3、第五子时间区间P5及第七子时间区间P7与第一子时间区间P1相等，第六子时间区间P6与第二子时间区间P2相等，所以第一子时间区间P1及第二子时间区间P2设定好之后，仅剩下第四子时间区间P4尚未定义，而第四子时间区间P4可以通过预定总位移运算而获得。

然后，在步骤S106中，依据预定总位移、最高转速值Vmax、加速时间区间P10、等速时间区间P20及减速时间区间P30，获得平均补偿转速值。

接着，在步骤S108中，在加速时间区间P10中，以第一速度曲线V1增加马达的转速至最高转速值Vmax。

其中，在第一子时间区间P1中，是以第一加加速度J1增加转速。第一加加速度J1是大于零且固定不变。

在第二子时间区间P2中，是以第二加加速度J2维持转速。第二加加速度J2是等于零且固定不变。

在第三子时间区间中，是以第三加加速度J3降低转速。第三加加速度J3是小于零且固定不变。第一加加速度J1的绝对值等于第三加加速度J3的绝对值。

然后，在步骤S110中，在等速时间区间P20中，维持转速为最高转速值Vmax。

接着，在步骤S112中，在减速时间区间P30中，以第二速度曲线V2降低转速至零。其中，第一速度曲线V1及第二速度曲线V2于对应时间点之合等于最高转速值Vmax及平均补偿转速值之合。

如此一来，马达在时间点T7停止转动时，即可确保转动了预定总位移。并且整个运转过程相当的平顺。

此外，马达在运算过程中需要许多的除法运算，例如上述的第(1)及(2)式。在马达采用定点数运算器的情况下，其计算精度仅能到达整数，所有计算过程的小数点将会被舍弃，而造成运算的误差。为了提高运算的精度，本实施例在运算过程中更将数值放大一定倍数(例如是乘以100倍)，则该一定位数的小数数值(例如是2位数小数数值)即可在运算时被计算，而提高最后运算结果的精度。如此一来，即使马达采用定点数运算器，仍然可以有效地提高计算精度。

本发明上述实施例所揭露的马达控制方法，是利用速度曲线的设计，使得马达控制方法具有多项优点，以下仅列举部分优点说明如下：

第一、传统的马达于出厂时，其内部控制即已内设好相关程序。也就是说，传统的马达的加速度变化往往是内部程序所控制，而无法由使用者所调整。因此传统的马达的控制手法弹性低。而在上述实施例中，此方法可进一步供使用者可弹性地设定第一子时间区间及第二子时间区间(即设定加加速度的变化时间点)，且不牺牲马达与其连结机构的运转平顺度。

第二、当马达运转进入等速时间区间后，即可依据加速时间区间的第一速度曲线来计算减速时间区间的第二速度曲线。其中，计算精度所造成的总位移补偿量更平均至第二速度曲线中，而不是在运转结束后，才进行补偿量，可有效降低顿转的现象发生。

第三、利用S型第一速度曲线及第二速度曲线的缓激活停止特性，可使马达的最高运转速度增加。

第四、相较于传统ramp型马达，上述实施例的马达抵达最高运转速度的时间可缩短。

第五、利用S型第一速度曲线及第二速度曲线的运算过程，可计算并限制马达的最大加加速度与最大加速度。

第六、对于控制系统而言，较为缓慢的平均补偿转速值可降低系统发散的机率。

第七、由于可提高马达运转速度，因此亦可缩短整体运转时间。

第八、通过放大倍数的运算方式，可在运算时即考量较多位数的小数数值，如此一来可以大幅提高马达运算的计算精度。

第九、相较于未采用等面积法的第二速度曲线，本实施例采用等面积法演算的第二速度曲线的演算复杂度可以降低许多。

综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种等同的改变或替换。因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。

Claims (10)

1.一种马达控制方法，包括：

在一加速时间区间中，以一第一速度曲线增加该马达的一转速至一最高转速值；

在一等速时间区间中，维持该转速为该最高转速值；以及

在一减速时间区间中，以一第二速度曲线降低该转速至零；

其中，该第一速度曲线及该第二速度曲线于对应时间点之合相关于该最高转速值。

2.根据权利要求1所述的马达控制方法，其特征在于，还包括：

提供一设定界面，供一使用者设定该马达的一预定总位移；以及

依据该预定总位移、该最高转速值、该加速时间区间、该等速时间区间及该减速时间区间，获得一平均补偿转速值；

其中，该第一速度曲线及该第二速度曲线于对应时间点之合等于该最高转速值与该平均补偿转速值之合。

3.根据权利要求1所述的马达控制方法，其特征在于，该加速时间区间分为一第一子时间区间、一第二子时间区间及一第三子时间区间，在该加速时间区间增加该转速的步骤还包括：

在该第一子时间区间中，以一第一加加速度增加该转速；

在该第二子时间区间中，以一第二加加速度维持该转速；以及

在该第三子时间区间中，以一第三加加速度降低该转速。

4.根据权利要求3所述的马达控制方法，其特征在于，在该第一子时间区间中，该第一加加速度固定不变；

在该第二子时间区间中，该第二加加速度固定不变；并且

在该第三子时间区间中，该第三加加速度固定不变。

5.根据权利要求3所述的马达控制方法，其特征在于，该第一加加速度大于零，该第二加加速度等于零，该第三加加速度小于零。

6.根据权利要求3所述的马达控制方法，其特征在于，还包括：

提供一设定界面，供一使用者设定该第一子时间区间及该第二子时间区间。

7.根据权利要求1所述的马达控制方法，其特征在于，该第一加加速度的绝对值等于该第二加加速度的绝对值。

8.根据权利要求1所述的马达控制方法，其特征在于，该加速时间区间的长度等于该减速时间区间的长度。

9.根据权利要求1所述的马达控制方法，其特征在于，该第一速度曲线及该第二速度曲线皆为S型曲线。

10.根据权利要求1所述的马达控制方法，其特征在于，该第一速度曲线及该第二速度曲线的运算是以一定点数运算器进行运算，该定点数运算器先放大运算的数值一倍数，再缩小运算的数值该倍数的方式进行运算。

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