CN103825506A - 防止失速控制的真空设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种防止失速控制的真空设备，其具有反馈的功能，包括失速控制的反馈单元、较高限制器、以及马达，其中该失速控制的反馈单元，在破真空时，该马达负载上升，该失速控制的反馈单元自动控制该马达的旋转扭力下降，维持不超过额定工作点；其中该失速控制的反馈单元，再由破真空回到真空时，该马达负载下降，该失速控制的反馈单元自动控制该马达的旋转扭力，回复至真空时的旋转扭力，并维持不超过额定工作点。

Description

防止失速控制的真空设备

技术领域

本公开为一种真空设备与方法，尤其是指一种防止失速控制的真空设备与方法。

背景技术

在伺服驱动系统中，伺服马达性能是非常重要的，伺服马达性能与编码器的解析度有关，解析度越高，伺服马达速度控制与定位控制的性能愈佳。

目前高效率伺服驱动系统的设计多以永磁无刷马达为主，而在真空泵的设备中，并没有办法加装编码器，因此无感测控制技术就产生，因为没有编码器反馈马达角度数据，角度则必须依靠无感测控制技术估计角度，在真空泵系统中，马达负载与转速有关联性，转速越高负载越大，因此在应用场合有一项特殊规格，在破真空时，负载会瞬间变化增加，超过伺服马达最大操作电流，因此需要将转速降低，且维持输出转矩在马达最大操作电流，同时若系统负载有瞬间变化，角度估计会因此有改变，无感测控制技术必须要有相对应机制配合负载瞬间变化去降低转速且维持输出转矩在最大操作条件，否则角度估计会因此发散，真空泵系统会因此失速。

高性能伺服马达实现上，对于定位控制与变频速度的要求有一定的规格规范，因此大部分的应用环境都会安装编码器或解角器，关于马达角度位置反馈传感器，另外一方面伺服驱动系统的性能跟编码器有一定的关联性存在，高性能的伺服马达其配备的编码器解析度也有一定的限制。

另外也有伺服马达驱动系统也有不安装位置反馈的传感器的应用，这一类的应用有的是以成本为考虑点，也有对于定位控制没有需求的系统，单纯以速度控制为主要需求，以真空泵的应用为例，因为其为了气密的需求或者是如轴向压缩机的场合，其流体具有腐蚀性或者有其它考虑，没有办法安装编码器，因此会使用无位置感测控制技术，其马达角度使用估计的方式来取得，因为没有位置反馈其角度使用估计的场合，对于其频宽响应并没有办法与位置反馈的控制系统相比拟，因此对于负载变动的反应会较慢，因此在使用无位置感测控制时需要注意这个现象。

在真空泵的应用场合，马达输出扭力与马达转速有相关联，通常为越高转速所需越大的扭力，而真空泵的操作规格中，在破真空时，如果要维持相同的最高转速时，其所需要的扭力会远大于马达额定工作点，因此需要降低转速来调低输出扭力，但在降低转速的同时，却要维持马达输出扭力在额定工作点，如果以传统的驱动控制架构会无法满足这种限制，并且使用无位置感测控制时，因为其较低的频宽而会有失速的状态发生。

发明内容

在一实施例中，本公开提供一种防止失速控制的真空设备，其具有反馈的功能，包括：一失速控制的反馈单元，其第5端连接速度命令；一较高限制器，其第3端连接失速控制的反馈单元的第7端，其第4端输出一转矩命令至一中间控制单元，当该较高限制器的输入大于0且低于一第2临限值时，该较高限制器的输入值与输出值呈线性增加，当该较高限制器的输入大于一第2临限值时，该较高限制器的输出是一第2最高限制正值；以及一马达，其连接该中间控制单元，由该中间控制单元控制该马达，产生该防止失速控制的真空设备的旋转扭力，该马达的一速度反馈经由该中间控制单元传回该失速控制的反馈单元的第6端；其中该失速控制的反馈单元，在破真空时，该马达负载上升，该失速控制的反馈单元自动控制该马达的旋转扭力下降，维持不超过额定工作点；其中该失速控制的反馈单元，再由破真空回到真空时，该马达负载下降，该失速控制的反馈单元自动控制该马达的旋转扭力，回复至(return to)真空时的旋转扭力，并维持不超过额定工作点。

附图说明

图1防止失速控制的真空设备示意图。

图2补偿气示意图。

图3破真空恢复至真空的马达转速示意图。

图4破真空恢复至真空的马达电流示意图。

【主要元件符号说明】

11    补偿器

12    比较器

13    第3加法器

14    第1加法器

15    较低限制器

16    较高限制器

17    第2加法器

18    第一积分器

19    马达

20    中间控制单元

21    第1端

22    第2端

23    第3端

24    第4端

25    第5端

26    第6端

27    第7端

31    失速控制的反馈单元

51    积分负值比较器

52    回复增益单元

53    积分增益单元

54    比例增益单元

55    乘法器

56    第4加法器

57    第二积分器

58    第5加法器

59    输出限制器

T1    第1时间点

T2    第2时间点

T3    第3时间点

T4    第4时间点

T5    第5时间点

具体实施方式

本公开提供一种防止失速控制的真空设备，其具有反馈的功能，如图1所示，包括：一失速控制的反馈单元31、一较高限制器16、以及一马达19。一失速控制的反馈单元31，其第5端25连接速度命令；一较高限制器16，其第3端23连接失速控制的反馈单元31的第7端，其第4端24输出一转矩命令至一中间控制单元20，当该较高限制器16的输入大于0且低于一第2临限值时，该较高限制器16的输入值与输出值呈线性增加，当该较高限制器16的输入大于一第2临限值时，该较高限制器16的输出是一第2最高限制正值；以及一马达19，其连接该中间控制单元20，由该中间控制单元20控制该马达19，产生该防止失速控制的真空设备的旋转扭力，该马达19的一速度反馈经由该中间控制单元20传回该失速控制的反馈单元31的第6端26；其中该失速控制的反馈单元31，在破真空时，该马达19负载上升，该失速控制的反馈单元31自动控制该马达19的旋转扭力下降，维持不超过额定工作点；其中该失速控制的反馈单元31，再由破真空回到真空时，该马达19负载下降，该失速控制的反馈单元31自动控制该马达19的旋转扭力，回复(return)至真空时的旋转扭力，并维持不超过额定工作点。

本公开的失速控制的反馈单元31，如图1所示，包括：一较低限制器15、一第3加法器13、一补偿器11、一第1加法器14、一第2加法器17、一第一积分器18以及一比较器12。

该较低限制器15的第1端21是输入端，经由该失速控制的反馈单元31的第7端27与该较高限制器16的第3端23相连，该较低限制器15的第2端22是输出端，当该较低限制器15的输入大于0且低于一第1临限值时，该较低限制器15的输入值与输出值呈线性增加，当该较低限制器15的输入大于一第1临限值时，该较低限制器15的输出是一第1最高限制正值。

第3加法器13与该较低限制器15的第1端21以及第2端22相连，该较低限制器15的第2端22输出信号减第1端21输入信号，所产生的信号输入该第3加法器13。一补偿器11，其接收该第3加法器13的输出信号；一第1加法器14，该第1加法器14经由该失速控制的反馈单元31第5端25与该速度命令相接，该第1加法器14并与该补偿器11相接，其中，该第1加法器14是将该速度命令与该补偿器11的输出信号相加；一第2加法器17，其经由该失速控制的反馈单元31的第6端26连接该中间控制单元20，该中间控制单元20传回该速度反馈至该第2加法器17，该第1加法器14将该速度命令与该补偿器11的输出信号相加后的信号传入该第2加法器17，该第2加法器17是将所有输入该第2加法器17的信号相加后，再产生该第2加法器17的输出信号，其中该速度反馈是一负值；一第一积分器18，其与该第2加法器17相接，接受该第2加法器17产生的输出信号，该第一积分器18并与该较低限制器15的第1端21相接；以及一比较器12，其与该第一积分器18相接，接收该第一积分器18的输出信号，该比较器12并与该补偿器11相接，并将该比较器12的输出信号传入该补偿器11，该比较器12小于额定工作点时，该比较器12的输出为1，该比较器12大于以及等于额定工作点时，该比较器12的输出为0。

本公开该补偿器11，如图2所示，其包括:一回复增益单元52、一乘法器55、一积分负值比较器51、一第4加法器56、一积分增益单元53、一比例增益单元54、一第5加法器58、一第二积分器57、以及一输出限制器59。

该回复增益单元52与该比较器12相接，接受该比较器12的输出值；该乘法器55与该回复增益单元52相接，当该比较器12的输出值是1时，该回复增益单元52的输出值输入该乘法器55，当该比较器12的输出值是0时，该回复增益单元52的输出值，不输入该乘法器55；一积分负值比较器51，当输入该积分负值比较器51的值小于0时，该积分负值比较器51的输出值是1，当输入该积分负值比较器51的值大于等于0时，该积分负值比较器51的输出值是0；一第4加法器56，该回复增益单元52的输出值与该积分负值比较器51的输出值于该乘法器55内相乘后，输出至该第4加法器56；该积分增益单元53连接该第3加法器13，由该第3加法器13的输出值，输至该积分增益单元53，该积分增益单元53并连接该第4加法器56，由该积分增益单元53的输出值，输至第4加法器56；一比例增益单元54，该积分增益单元53连接该第3加法器13，由该第3加法器13的输出值，输至由该比例增益单元54；一第5加法器58，该比例增益单元54并连接该第5加法器58，由该比例增益单元54的输出值，输至第5加法器58；一第二积分器57，该第4加法器56与该第二积分器57相接，由该第4加法器56的输出值输入该第二积分器57，该第二积分器57的输出值，输至该第5加法器58、该第4加法器56、以及该积分负值比较器51，该第二积分器57的输出值端与该第5加法器58、该第4加法器56、以及该积分负值比较器51相接，其中该乘法器55、该积分增益单元53、以及该第二积分器57的输出值相加总后，输至该第4加法器56；以及该输出限制器59与该第5加法器58相接，当该输出限制器59的输入值低于一第3临界负值时，该输出限制器59的输出值是一最低输出负值，当该输出限制器59的输入值高于一第3临界负值且低于0时，该输出限制器59的输出值与该输入值呈线性增加，当该输出限制器59的输入值大于等于0时，该输出限制器59的输出值等于0，该输出限制器59的输出值输至该第1加法器14。

其中该失速控制的反馈单元31，在破真空时，该马达19负载上升，在第1时间点(T1)，如图3所示，横轴表示时间，纵轴表示马达的旋转速度，产生该马达19旋转速度瞬间下降，使该速度反馈成一负值，输至该第2加法器17，再经由该第一积分器18输出至该较高限制器16，使该转矩命令的输出低于该较高限制器16的第2最高限制正值，在第2时间点(T2)，经由该中间控制单元20控制该马达19的旋转速度上升，并维持不超过额定工作点。

在破真空时，其中于第2时间点(T2)，经由该中间控制单元20控制该马达19的旋转速度上升后，该速度反馈的负值渐减小，由该第一积分器18输出至该较低限制器15的输入值渐增，当该较低限制器15的输入值累积高于第4临限值时，该防止失速控制的真空设备由第2时间点(T2)，逐渐进入第3时间点(T3)时，该较低限制器15的输出值限制在该第1最高限制正值，由该较低限制器15的输出值减该较低限制器15的输入值后，经该第3加法器13加总后，产生一负值输至该补偿器11。其中该第4临限值，选自额定工作点的65％~85％中的一个值。

由第2时间点(T2)，逐渐进入第3时间点(T3)，当该较低限制器15的输入值累积高于第4临限值时，该比较器12输出为0，并控制该回复增益单元输出值为0以及经由该乘法器55的输出为0，此时该第3加法器13加总后产生一负值输至该补偿器11的该积分增益单元53以及该比例增益单元54，由该第二积分器57的负值输出至该第4加法器56是一负值，此时由输入该第4加法器56加总该乘法器55的输出为0、该第二积分器57的负值输出至该第4加法器56是一负值以及该积分增益单元53的输出负值，最后为一负值输出至该第5加法器58，再经由该输出限制器59的输出是一负值，而由该补偿器11输出一负值至该第1加法器14。

由第2时间点(T2)，逐渐进入第3时间点(T3)，当该较低限制器15的输入值累积高于第4临限值时，该补偿器11输出一负值与该速度命令相加后，输出至该第1加法器14，产生马达19旋转的减速作用，此时该防止失速控制的真空设备，由第3时间点(T3)，逐渐进入第4时间点(T4)，该较低限制器15的输入值累积由高于第4临限值，逐渐进入低于第4临限值。

由第4时间点(T4)，逐渐进入第5时间点(T5)，当该较低限制器15的输入值累积低于第4临限值时，该比较器12输出为1，并控制该回复增益单元输出值为正值，此时若该第二积分器57内的值为负值，则该积分负值比较器51的输出为1，经由该乘法器55将该回复增益单元输出值以及该积分负值比较器51的输出为1的乘积后，产生该乘法器55的输出为正值至第4加法器56，此时该比较器12输出为1时，该第3加法器13的输出值为0，以及该积分增益单元53输出值为0，且该比例增益单元54为0，因此输入该第4加法器56的加总为正值，再经由该第二积分器57循回加总后，该第二积分器57的输出由负值逐渐增至正值，经由该第5加法器58输出至该输出限制器59，该输出限制器59输入由负值逐渐增至正值，而该输出限制器59的输出，由负值逐渐增至该限制器的输出上限0，而由该补偿器11逐渐输出由负值至0，并由该补偿器11输出值到该第1加法器14。

由第4时间点(T4)，逐渐进入第5时间点(T5)，当该较低限制器15的输入值累积低于第4临限值时，由该补偿器11逐渐输出由负值至0，并由该补偿器11输出值到该第1加法器14与该速度命令相加总后，产生该马达19旋转速度逐渐恢复至额定工作点。

由破真空状态，经由马达19抽真空，进入第5时间点(T5)以后，由于该较高限制器16的限制，该马达19旋转速度恢复维持至额定工作点。

如图4所示，是破真空恢复至真空的马达19电流示意图，其中横轴表为时间，纵轴表为马达19电流。

以上所述，乃仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段的优选实施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施的范围。即凡与本发明权利要求书文义相符，或依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (18)

1.一种防止失速控制的真空设备，，其包含有：

一失速控制的反馈单元，其第5端连接速度命令；

一较高限制器，其第3端连接失速控制的反馈单元的第7端，其第4端输出一转矩命令至一中间控制单元；以及

一马达，其连接该中间控制单元，由该中间控制单元控制该马达，产生该防止失速控制的真空设备的旋转扭力，该马达的一速度反馈经由该中间控制单元传回该失速控制的反馈单元的第6端；

其中该失速控制的反馈单元，再由破真空回到真空时，该马达负载下降，该失速控制的反馈单元自动控制该马达的旋转扭力，回复至真空时的旋转扭力，并维持不超过额定工作点。

2.如权利要求1所述的一种防止失速控制的真空设备，其中，当该较高限制器的输入大于0且低于一第2临限值时，该较高限制器的输入值与输出值呈线性增加，当该较高限制器的输入大于一第2临限值时，该较高限制器的输出是一第2最高限制正值。

3.如权利要求2所述的一种防止失速控制的真空设备，其中该失速控制的反馈单元，在破真空时，该马达负载上升，该失速控制的反馈单元自动控制该马达的旋转扭力下降，维持不超过额定工作点。

4.如权利要求3所述的一种防止失速控制的真空设备，其中该失速控制的反馈单元，再由破真空回到真空时，该马达负载下降，该失速控制的反馈单元自动控制该马达的旋转扭力，回复至真空时的旋转扭力，并维持不超过额定工作点。

5.如权利要求4所述的一种防止失速控制的真空设备，其中该失速控制的反馈单元，包括：

一较低限制器，该较低限制器的第1端是输入端，经由该失速控制的反馈单元的第7端与该较高限制器的第3端相连；

一第3加法器，该第3加法器与该较低限制器的第1端以及第2端相连；

一补偿器，其接收该第3加法器的输出信号；

一第1加法器，该第1加法器经由该失速控制的反馈单元第5端与该速度命令相接，该第1加法器并与该补偿器相接，其中，该第1加法器是将该速度命令与该补偿器的输出信号相加；

一第2加法器，其经由该失速控制的反馈单元的第6端连接该中间控制单元；

一第一积分器，其与该第2加法器相接，接受该第2加法器产生的输出信号，该第一积分器并与该较低限制器的第1端相接；以及

一比较器，其与该第一积分器相接，接收该第一积分器的输出信号，该比较器并与该补偿器相接，并将该比较器的输出信号传入该补偿器。

6.如权利要求5所述的一种防止失速控制的真空设备，该较低限制器的第2端是输出端，当该较低限制器的输入大于0且低于一第1临限值时，该较低限制器的输入值与输出值呈线性增加，当该较低限制器的输入大于一第1临限值时，该较低限制器的输出是一第1最高限制正值。

7.如权利要求6所述的一种防止失速控制的真空设备，该中间控制单元传回该速度反馈至该第2加法器，该第1加法器将该速度命令与该补偿器的输出信号相加后的信号传入该第2加法器，该第2加法器是将所有输入该第2加法器的信号相加后，再产生该第2加法器的输出信号，其中该速度反馈是一负值。

8.如权利要求7所述的一种防止失速控制的真空设备，该比较器小于额定工作点时，该比较器的输出为1，该比较器大于以及等于额定工作点时，该比较器的输出为0。

9.如权利要求8所述的一种防止失速控制的真空设备，该补偿器，其包括：

一回复增益单元，该回复增益单元与该比较器相接，接受该比较器的输出值；

一乘法器，该乘法器与该回复增益单元相接；

一积分负值比较器，当输入该积分负值比较器的值小于0时，该该积分负值比较器的输出值是1，当输入该积分负值比较器的值大于等于0时，该该积分负值比较器的输出值是0；

一第4加法器，该回复增益单元的输出值与该积分负值比较器的输出值于该乘法器内相乘后，输出至该第4加法器；

一积分增益单元，该积分增益单元连接该第3加法器，由该第3加法器的输出值，输至该积分增益单元，该积分增益单元并连接该第4加法器，由该积分增益单元的输出值，输至第4加法器；

一比例增益单元，该积分增益单元连接该第3加法器，由该第3加法器的输出值，输至由该比例增益单元；

一第5加法器，该比例增益单元并连接该第5加法器，由该比例增益单元的输出值，输至第5加法器；

一第二积分器，该第4加法器与该第二积分器相接，由该第4加法器的输出值输入该第二积分器，该第二积分器的输出值，输至该第5加法器、该第4加法器、以及该积分负值比较器，该第二积分器的输出值端与该该第5加法器、该第4加法器、以及该积分负值比较器相接，其中该乘法器、该积分增益单元、以及该第二积分器的输出值相加总后，输至该第4加法器；以及

一输出限制器，该输出限制器与该第5加法器相接，当该输出限制器的输入值低于一第3临界负值时，该输出限制器的输出值是一最低输出负值，当该输出限制器的输入值高于一第3临界负值且低于0时，该输出限制器的输出值与该输入值呈线性增加，当该输出限制器的输入值大于等于0时，该输出限制器的输出值等于0，该输出限制器的输出值输至该第1加法器。

10.如权利要求9所述的一种防止失速控制的真空设备，当该比较器的输出值是1时，该回复增益单元的输出值输入该乘法器，当该比较器的输出值是0时，该回复增益单元的输出值，不输入该乘法器。

11.如权利要求10所述的一种防止失速控制的真空设备，其中该失速控制的反馈单元，在破真空时，该马达负载上升，在第1时间点，产生该马达旋转速度瞬间下降，使该速度反馈成一负值，输至该第2加法器，再经由该第一积分器输出至该较高限制器，使该转矩命令的输出低于该较高限制器的第2最高限制正值，在第2时间点，经由该中间控制单元控制该马达的旋转速度上升，并维持不超过额定工作点。

12.如权利要求11所述的一种防止失速控制的真空设备，在破真空时，其中于第2时间点，经由该中间控制单元控制该马达的旋转速度上升后，该速度反馈的负值渐减小，由该第一积分器输出至该较低限制器的输入值渐增，当该较低限制器的输入值累积高于第4临限值时，该防止失速控制的真空设备由第2时间点，逐渐进入第3时间点时，该较低限制器的输出值限制在该第1最高限制正值，由该较低限制器的输出值减该较低限制器的输入值后，经该第3加法器加总后，产生一负值输至该补偿器。

13.如权利要求12所述的一种防止失速控制的真空设备，其中该第4临限值，选自额定工作点的65％~85％中的一个值。

14.如权利要求13所述的一种防止失速控制的真空设备，由第2时间点，逐渐进入第3时间点，当该较低限制器的输入值累积高于第4临限值时，该比较器输出为0，并控制该回复增益单元输出值为0以及经由该乘法器的输出为0，此时该第3加法器加总后产生一负值输至该补偿器的该积分增益单元以及该比例增益单元，由该第二积分器的负值输出至该第4加法器是一负值，此时由输入该第4加法器加总该乘法器的输出为0、该第二积分器的负值输出至该第4加法器是一负值以及该积分增益单元的输出负值，最后为一负值输出至该第5加法器，再经由该输出限制器的输出是一负值，而由该补偿器输出一负值至该第1加法器。

15.如权利要求14所述的一种防止失速控制的真空设备，由第2时间点，逐渐进入第3时间点，当该较低限制器的输入值累积高于第4临限值时，该补偿器输出一负值与该速度命令相加后，输出至该第1加法器，产生马达旋转的减速作用，此时该防止失速控制的真空设备，由第3时间点，逐渐进入第4时间点，该较低限制器的输入值累积由高于第4临限值，逐渐进入低于第4临限值。

16.如权利要求15所述的一种防止失速控制的真空设备，由第4时间点，逐渐进入第5时间点，当该较低限制器的输入值累积低于第4临限值时，该比较器输出为1，并控制该回复增益单元输出值为正值，此时若该第二积分器内的值为负值，则该积分负值比较器的输出为1，经由该乘法器将该回复增益单元输出值以及该积分负值比较器的输出为1的乘积后，产生该乘法器的输出为正值至第4加法器，此时该比较器输出为1时，该第3加法器的输出值为0，以及该积分增益单元输出值为0，且该比例增益单元为0，因此输入该第4加法器的加总为正值，再经由该第二积分器循回加总后，该第二积分器的输出由负值逐渐增至正值，经由该第5加法器输出至该输出限制器，该输出限制器输入由负值逐渐增至正值，而该输出限制器的输出，由负值逐渐增至该限制器的输出上限0，而由该补偿器逐渐输出由负值至0，并由该补偿器输出值到该第1加法器。

17.如权利要求16所述的一种防止失速控制的真空设备，由第4时间点，逐渐进入第5时间点，当该较低限制器的输入值累积低于第4临限值时，由该补偿器逐渐输出由负值至0，并由该补偿器输出值到该第1加法器与该速度命令相加总后，产生该马达旋转速度逐渐恢复至额定工作点。

18.如权利要求17所述的一种防止失速控制的真空设备，由破真空状态，经由马达抽真空，进入第5时间点以后，由于该较高限制器的限制，该马达旋转速度恢复维持至额定工作点。

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