CN102468800A

CN102468800A - 伺服马达驱动器的控制系统

Info

Publication number: CN102468800A
Application number: CN2010105477733A
Authority: CN
Inventors: 许志荣; 林秉毅; 赖炎生
Original assignee: Shihlin Electric and Engineering Corp
Current assignee: Shihlin Electric and Engineering Corp
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-11-16
Also published as: CN102468800B

Abstract

一种伺服马达驱动器的控制系统，其在已用控制系统增加一q-轴电流振荡计数模块、一频宽搜寻机制模块及一控制器参数增益计算模块，利用移动时间窗数组来撷取伺服马达q-轴电流讯号，计算该时间窗数组内变动机械负载下的伺服驱动系统振荡次数，利用振荡次数的平均值与标准差来作为频宽搜寻的判断，最后再与整体系统的惯量自动计算出所需的控制器参数增益。

Description

伺服马达驱动器的控制系统

技术领域

本发明关于一种伺服马达驱动器的控制系统，特别是指一种应用于根据伺服驱动系统的振荡情况来自动调整控制器参数增益的伺服马达驱动器控制系统。

背景技术

基本伺服驱动系统的示意图，如图1所示，包含一交流电源1、一上位控制器2、一伺服驱动器模块3及一伺服马达驱动模块4；而伺服马达驱动模块4可包括一伺服马达401、一编码器402、一连轴装置403及一机械负载404。

伺服驱动器模块3中包含变频器的电力电子回路架构，可接受市电单相或三相的交流电源1的输入，并使用脉波宽度调变策略来达到三相交流的脉波输出给予伺服马达401作驱动；其间，伺服驱动器模块3可接受上位控制器2或由内部缓存器的命令设定来控制伺服马达401，而伺服马达401则透过编码器402将目前伺服马达转子的位置或速度讯号回授给伺服驱动器模块3来决定内部控制器的输出并使伺服马达401可操作在位置、速度或转矩模式下运转。

伺服马达401的本体需要透过连轴装置403来带动机械负载404，此机械负载404可为伺服马达401所带动的各种设备、工具机台、机具、治具、飞轮等；机械负载404整体惯量亦可等效为一机械惯量J_L，故整体伺服驱动系统的惯量J可为一等效的机械惯量J_L再加上伺服马达转子的惯量J_M。

图2A为伺服驱动器模块3含有电流回路的速度模式方块图，伺服驱动器模块3在此可包括一减法器301、一速度控制器302、一q-轴电流命令转换303、一电流回路304、一计数器305及一速度估测器306。速度命令经由上位控制器2或由内部缓存器的命令设定而来，速度回授则经由编码器402所产生的脉波信号，经由计数器305转换成位置讯号后，再经由速度估测器306产生；速度命令与速度回授经由减法器301得到速度误差后则透过速度控制器302来产生适当转矩命令，再经由q-轴电流命令转换303后产生q-轴电流命令给电流回路304，最后再经由电流回路304产生适当的电压命令来控制伺服马达401来达到所需的速度。

因电流回路的响应速度较快可以化简为单位增益而忽略；以及伺服马达模块4可化简成机械方程式来表示，故可将图2A化简为图2B来表示，伺服驱动器模块3可化简为一减法器301以及一速度控制器302来表示；伺服马达模块可化简为一减法器405以及一机械方程式的方块图406来表示。速度命令与速度回授的误差会经由速度控制器 302来调整；在此，速度控制器302的形式为一比例-积分(PI)控制器，亦可为一比例-积分-微分(PID)控制器，而控制器的输出为马达的输出转矩T_e，此转矩会因为速度控制器302的调整而去克服外加的机械负载转矩T_L，最后，经由机械方程式的方块图406转换可得到回授的马达转速；在此，机械方程式的方块图406中的等效整体伺服驱动系统的惯量为J=J_L+J_M来表示，为等效的机械惯量(J_L)再加上伺服马达的转子惯量(J_M)所获得，而等效的整体黏滞摩擦系数为B来表示。

伺服驱动系统性能的表现与机械负载惯量的变化有很大的关系，图3系指伺服驱动系统在理想速度模式下的频域分析图(波特图Bode Diagram)；在频域分析方面，相同的速度控制器参数，倘若机械负载增大两倍，所造成的结果便是系统频宽的下降，也会造成整体系统性能的恶化；如因为机械惯量的增加而线性地增加控制器参数的增益值，则会因为惯量的变化以及实际系统有刚性上的限制，致使增加的系统频宽而激发系统的振荡发生。故如何因应机械负载惯量的变化而去调整控制器参数的增益，就变成是一个需要考虑整体机械系统结构的一个课题。

当频宽搜寻的大小愈大时，则代表控制器的比例增益参数设定也就愈大，实际上也就愈容易面对到不同系统振荡的区域发生。请再参阅图4A为系统振荡次数的标准差与频宽搜寻大小的示意图；图4B为系统振荡次数的平均值与频宽搜寻大小的示意图。由前述图中可看出当频宽搜寻大小增大时，对于系统振荡的激发可分为三个区域，分别为第I区的稳态区、第II区的临界振荡区以及第III区的完全振荡区。

由图4A可知，在第I区稳态区下的标准差大小较小，而当频宽搜寻大小增加后进入第II区临界振荡区后，可发觉到标准差的大小则会随之增加，此时若继续增加频宽搜寻的大小，则会由于进入第III区的完全振荡区，振荡的大小较为固定且平均，此时标准差的大小反而会比在临界振荡区较小且趋于一固定值变化。

由图4B可知，在稳态区及临界振荡区下，当频宽搜寻大小增加后可发觉到平均值的大小则会随之增加，此时若继续增加频宽搜寻的大小，则会由于进入完全振荡区，振荡的大小较为固定且平均，故平均值大小会接近并趋于一固定值。

已知的伺服驱动器的增益调整方法，必须事先知道伺服驱动系统的刚性大小以及机械负载惯量来决定系统最大频宽后再设定控制器的参数增益。此已知的伺服驱动器的增益调整方法因无法事先得知最适当的系统刚性以及无法得知不会去影响系统振荡的最大频宽的大小，故仍然容易造成系统的振荡发生；而已知的伺服控制系的振荡临界检测方法(伺服控制系的振荡临界检测方法，如中国台湾专利第90105220号)虽有提到伺服驱动系统的振荡检测但只有针对在临界振荡的区域有实质的效果，对于不同机械惯量下的最大频宽并无搜寻的机制，而是根据临界振荡的情况直接去调整控制器的参数增益，故此已知的伺服控制系的振荡临界检测方法将会造成系统由振荡到稳定的收敛时间更长。

由此可见，上述已用方式仍有诸多缺失，实非一良善的设计，而亟待加以改良。本案发明人鉴于上述已用的方法所衍生的各项缺点，乃亟思加以改良创新，并经过多年苦心孤诣潜心研究后，终于成功来完成本件伺服马达驱动器的控制系统及其控制器的参数增益在线自动调整方法。

发明内容

鉴于以上问题，本发明目的在于提供一种伺服马达驱动器的控制系统，使其可应用在伺服驱动系统中且适用在不同机械负载下可藉由伺服马达q-轴电流命令或q-轴电流回授的讯号来侦测伺服驱动系统是否发生振荡来进行在该机械负载下作一适当频宽搜寻的动作，并根据所得到的频宽大小与在线所估测的整体伺服驱动系统惯量的计算，自动地去调整控制器的参数增益。

为达上述目的，本发明伺服马达驱动器的控制系统，包含：

一交流电源，为控制系统的输入电源；

一上位控制器，用以控制命令的下达；

一伺服驱动器模块，与交流电源、上位控制器相介接，接受市电单相或三相的交流电源的输入并使用脉波宽度调变策略来达到三相交流的脉波输出，接受上位控制器的命令设定；

一伺服马达模块，与伺服驱动器模块相介接使机械负载运转；

一q-轴电流振荡计数模块，与伺服马达模块相介接用以储存该伺服马达模块的q-轴电流命令或q-轴电流回授的讯号，并计算电流振荡次数及其振荡次数的平均值与标准差；

一频宽搜寻机制模块，与q-轴电流振荡计数模块及相介接，利用电流振荡次数的平均值与标准差来判断频宽的搜寻大小是否需要递增或是递减；

一控制器参数增益计算模块，与频宽搜寻机制模块及伺服驱动器模块相介接，根据整体系统的惯量与搜寻后的频宽大小来计算伺服驱动器模块内控制器的参数增益。

该q-轴电流振荡计数模块利用移动时间窗数组的技巧，来储存伺服马达q-轴电流命令或q-轴电流回授的讯号，并计算电流振荡次数及其振荡次数的平均值与标准差。

该伺服驱动系统发生振荡的次数方法，系根据电流斜率如发生正负号变化时，判断斜率符号值来计算：当斜率为正，斜率符号值=1；当斜率为负，斜率符号值=-1，如前后两次的斜率符号值的和为0则可计算振荡次数加一。

该频宽搜寻机制模块判断方法为：

1) 当平均值超过一极大值，则将频宽的大小乘上K倍(0<K<1)衰减；

2) 当平均值连续N次达相同时(N为一正整数)，则将频宽的大小乘上J倍(0<J<1)衰减；

3) 当平均值非连续N次达相同时(N为一正整数)，则改由标准差的大小来决定频宽大小；

4) 当标准差大于一U值时(U为一正整数)，则将频宽的大小递减R赫兹的频率(R为一正整数)；

5) 当标准差小于一U值时(U为一正整数)，则将频宽的大小递减S赫兹的频率(S为一正整数)。

该控制器参数增益计算模块与频宽搜寻机制模块及伺服驱动器模块相介接，系根据整体系统的惯量与搜寻后的频宽大小来计算控制器系统的参数增益。

本发明的优点在于利用伺服马达的q-轴电流命令或q-轴电流回授的讯号来侦测伺服驱动系统发生振荡的次数，再根据振荡的次数来计算此振荡次数的平均值与标准差的大小。如振荡发生在临界振荡区时则可根据标准差来搜寻频宽，当标准差大于一个特定数值时，则表示需要降低目前系统的频宽大小以避免系统发生振荡；反之，则需要增加目前系统的频宽大小以增加系统的性能响应；如振荡发生在完全振荡区时则可根据平均值的大小变化已经较为固定来判断，可快速将频宽的大小进行较大量衰减的动作使系统可快速脱离完全振荡区。最后，将获得不会引起振荡的频宽大小与在线所估测的整体系统惯量加以计算，即可自动获得适合的控制器参数的增益。

另，本发明除速度控制器的参数增益在线自动调整外，亦可使用至位置控制器的参数增益在线自动调整。

本发明利用移动时间窗数组侦测的技巧来加速侦测振荡的发生，使得系统由振荡至稳定的收敛时间加快，可藉以解决已知技术中所存在的技术课题与潜在缺点。

有关本发明的特征与实作，兹配合图示作最佳实施例详细说明如下。

附图说明

图1为基本伺服驱动系统的示意图；

图2A为伺服驱动器模块含有电流回路的速度模式方块图；

图2B为图2A化简后的等效速度模式方块图；

图3为理想速度模式下的频域分析图；

图4A为系统振荡次数的标准差与频宽搜寻大小的示意图；

图4B为系统振荡次数的平均值与频宽搜寻大小的示意图；

图5为本发明伺服马达驱动器的控制系统的架构图；

图6为q-轴电流振荡计数模块的流程图；

图7为频宽搜寻机制模块的流程图；

图8为控制器参数增益计算模块的流程图；

图9A为固定时间数组的电流振荡侦测的示意图；

图9B为移动时间窗数组的电流振荡侦测的示意图1；

图9C为移动时间窗数组的电流振荡侦测的示意图2。

标号说明：

1 交流电源；

2 上位控制器；

3 伺服驱动器模块；

301 减法器；

302 速度控制器；

303 q-轴电流命令转换；

304 电流回路；

305 计数器；

306 速度估测器；

4 伺服马达模块；

401 伺服马达；

402 编码器；

403 连轴装置；

404 机械负载；

405 减法器；

406 机械方程式的方块图；

5 q-轴电流振荡计数模块；

501 程序循环开始；

502 q-轴电流讯号的撷取；

503 q-轴电流讯号的斜率符号值取得；

504 计算q-轴电流讯号的振荡次数；

505 判断是否存满一个移动时间窗数组；

506 计算振荡次数的平均值与标准差；

507 移动时间窗数组的索引值归零；

508 移动时间窗数组的索引值加一；

509 程序返回；

6 频宽搜寻机制模块；

601 频宽搜寻开始；

602 判断振荡次数的平均值是否大于一极大值；

603 判断振荡次数的平均值是否连续达N次相同；

604 判断振荡次数的标准差是否大于一U值；

605 频宽递增S赫兹；

606 频宽递减R赫兹；

607 频宽乘上J倍；

608 频宽乘上K倍；

609 频宽搜寻大小的限制器；

610 频宽搜寻结束；

7 控制器参数增益计算模块；

701 控制器参数增益计算开始；

702 控制器的参数增益计算；

703 控制器参数增益的限制器；

704 控制器参数增益计算结束。

具体实施方式

请参阅图5，为本发明伺服马达驱动器的控制系统及其控制器的参数增益在线自动调整方法的架构图，其包含：一交流电源1，与伺服驱动器模块3相介接；一上位控制器2，与伺服驱动器模块3相介接；一伺服驱动器模块3，与交流电源1、上位控制器2、伺服马达模块4及控制器参数增益计算模块7相介接；一伺服马达模块4，与伺服驱动器模块3及q-轴电流振荡计数模块5相介接。

一q-轴电流振荡计数模块5，与伺服马达模块4及频宽搜寻机制模块6相介接，该模块的详细流程图如图6所示。

一频宽搜寻机制模块6，与q-轴电流振荡计数模块5及控制器参数增益计算模块7相介接，该模块的详细流程图如图7所示。

一控制器参数增益计算模块7，与频宽搜寻机制模块6及伺服驱动器模块3相介接，该模块的详细流程图如图8所示。

本发明提出的一种利用移动时间窗数组侦测的技巧来加速侦测振荡的发生。如图9A所示为固定时间窗数组所侦测的电流振荡次数的检测结果，由图中可知，需要经由完整的T_S时间后，才可计算出一笔电流振荡的次数，而下一笔电流振荡次数则需再经过下一个T_S时间才能得到；而本发明所提出的移动时间窗数组侦测技巧如图9B及图9C所示，由于是利用移动时间窗数组来储存电流振荡的次数，可在每个系统取样时间下计算出电流振荡的次数，故不需要经历完整的T_S时间，才可以侦测到系统振荡的趋势。

图6为q-轴电流振荡模块的流程图，系透过软件程序的方法在实时的数字信号处理器中的中断子程序循环中所执行，该模块的流程由程序循环开始(步骤501)，将q-轴电流命令或q-轴电流回授的讯号撷取后并存入AT_win移动窗数组(索引值用ATCnt表示，总共可储存P个元素)(步骤502)，接下来取得AT_win数组中所有相邻两元素的斜率符号值(步骤503)，当斜率为正，斜率符号值=1；当斜率为负，斜率符号值=-1。可利用斜率符号值来获得电流振荡次数(如前后两次符号值的和为0则可计算振荡次数加一)后并存入Nm数组(索引值用ATCnt表示，总共可储存P个元素) (步骤504)。

由于AT_win与Nm两数组有储存元素上的限制，共有P个，故其最大索引值为P-1，故需要判断上述两数组是否已经存到最大索引值中(步骤505)：如未到达最大索引值，则将索引值加一(步骤508)，最后再进行程序返回(步骤509)的动作；如已到达最大索引值，则会去计算Nm数组中所有元素的平均值与标准差(步骤506)，此时所获得的电流振荡次数的平均值与标准差再经由频宽搜寻机制模块6与控制器参数增益计算模块7来自动调整控制器的参数增益，并将索引值归零(步骤507)，最后再进行程序返回(步骤509)的动作。

图7为频宽搜寻机制模块的流程图，当计算完电流振荡的平均值与标准差之后，即可根据该值来进行频宽搜寻的动作，其流程由程序开始(步骤601)，进行判断电流振荡的平均值是否大于一极大值(步骤602)，若为『是』则不需判断标准差的大小则直接将原本的频宽乘上K倍(0<K<1) (步骤608)做频宽衰减的动作；若为『否』则判断平均值是否连续达N次相同(N为一正整数)(步骤603)，若为『是』则表示此时系统进入完全振荡的区域则直接将原本的频宽乘上J倍(0<J<1)(步骤607)做频宽衰减的动作；若为『否』则表示此系统目前有可能处在稳定区及临界振荡的区域。此时则需要判断标准差的大小是否大于U(U为一正整数)(步骤604)来决定递增或递减频宽。当标准差小于U时，则表示此时系统介于稳定区中，故可将频宽递增S赫兹(S为一正整数)(步骤605)的频率来提升系统的性能；反之，则表示系统介于临界振荡的区域，故可将频宽递减R赫兹(R为一正整数)(步骤606)的频率来避免激发系统而产生更大的振荡发生。

频宽搜寻后，则需要有一限制器来限制所搜寻的频宽的最大及最小值(步骤609)以避免搜寻范围发生异常，最后则回到流程结束(步骤610)。

图8为控制器参数增益计算模块的流程图，当获得所搜寻到在伺服驱动系统下不会引起系统振荡的频宽大小后，则可透过该值来计算控制器的参数增益，其流程由程序开始(步骤701)，根据整体系统的惯量与搜寻后的频宽大小来计算控制器的参数增益(步骤702)，当控制器的参数增益计算后，则需要有一限制器来限制控制器的参数增益的最大及最小值(步骤703)以避免计算范围发生异常，最后则回到流程结束(步骤704)。

经由实施方式的说明，可知图6、图7与图8的流程图确实可达到一伺服马达驱动器的控制器系统可包含控制器的参数增益在线自动调整的功能，并且可针对不同机械惯量负载在不同振荡区间下达到合适的频宽搜寻，以及获得不激发系统振荡的优良系统性能响应。

Claims

1.一种伺服马达驱动器的控制系统，其特征在于包含：

一交流电源，为控制系统的输入电源；

一上位控制器，用以控制命令的下达；

2.根据权利要求1所述的伺服马达驱动器的控制系统，其特征在于，该q-轴电流振荡计数模块利用移动时间窗数组的技巧，来储存伺服马达q-轴电流命令或q-轴电流回授的讯号，并计算电流振荡次数及其振荡次数的平均值与标准差。

3.根据权利要求2所述的伺服马达驱动器的控制系统，其特征在于，该伺服驱动系统发生振荡的次数方法，系根据电流斜率如发生正负号变化时，判断斜率符号值来计算：当斜率为正，斜率符号值=1；当斜率为负，斜率符号值=-1，如前后两次的斜率符号值的和为0则可计算振荡次数加一。

4.根据权利要求1所述的伺服马达驱动器的控制系统，其特征在于，该频宽搜寻机制模块判断方法为：

5.根据权利要求1所述的伺服马达驱动器的控制系统，其特征在于，该控制器参数增益计算模块与频宽搜寻机制模块及伺服驱动器模块相介接，系根据整体系统的惯量与搜寻后的频宽大小来计算控制器系统的参数增益。