CN111614301A - 马达编码器的动态采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种马达编码器的动态采样方法，依据输入命令速度的切换区间，以相对应的编码采样时间，计算马达转动速度，将平均马达转动速度乘以相对应的权重，形成动态阈值，比较马达转动速度不小于动态阈值，马达转动速度为正常，马达转动速度小于动态阈值，马达转动速度为异常，进入补偿模式，以控制马达。

Description

马达编码器的动态采样方法

技术领域

本发明涉及一种马达，尤其涉及马达在执行控制命令时，根据控制命令速度，动态切换采样时间进行采样编码器的方法。

背景技术

机器手臂具有灵活移动、精确定位及连续性作业的特性，已成为产品生产线上制造组装的最佳利器。而降低机器手臂移动时的震动，提升机器手臂控制的精确性，需要正确控制马达。

如图8所示，现有技术的马达由外部输入控制的命令脉冲(Pulse)，并以固定的采样时间t取得命令脉冲，而由取得的命令脉冲数量，除以采样时间t，计算出处理的命令速度(Vcmd)。同时马达的控制系统的速度计算器也会利用同样的采样时间t，取得与马达同步转动的编码器检测编码脉冲数量，而由取得的编码脉冲数量除以采样时间t，计算出马达转动速度(Vm)，作为反馈信号控制马达转动。

然而，现有技术的马达利用固定的采样时间t，在慢速转动的马达中，由同步转动的编码器，仅能提取少量的编码信号，而少量的条码信号不足以显示真正马达的转动速度状态。同样利用固定的采样时间t，在快速转动的马达中，虽可由同步转动的编码器，提取多量的编码信号，但采样频率不足，多量的编码信号平均后也无法显示马达细部的转动速度状态，而不能正确反馈控制马达转动速度，将造成机器手臂的震动，并影响机器手臂的移动的精密度。因此，马达在控制命令的采样时间上，仍有问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的提供一种马达编码器的动态采样方法，设定命令速度的切换区间，根据处理命令速度的切换区间，藉由切换相对应的编码采样时间，取得正确马达转动速度，以提升控制的精密度。

本发明另一目的在提供一种马达编码器的动态采样方法，根据命令速度的切换区间，设定平均马达转动速度的权重形成动态阈值，在马达转动速度小于动态阈值时，计算失效次数大于设定值，进行维修排除异常状态，以保护马达运转。

本发明再一目的在提供一种马达编码器的动态采样方法，在马达转动速度小于动态阈值时，利用补偿模式，计算马达转动速度与平均马达转动速度的差值，利用差值乘以编码采样时间，补偿马达转动速度的脉冲数量，以维持控制的精确性。

为了达到前述发明的目的，本发明马达编码器的动态采样方法，预先设定命令速度的多个切换区间、切换区间相对应的编码采样时间及相对应的权重，依据输入的命令脉冲在设定的命令采样时间，采样命令脉冲，计算命令速度，根据命令速度的切换区间，以相对应的编码采样时间，采样编码器的编码脉冲，计算马达转动速度，根据命令速度的切换区间，以相对应的权重，将设定的平均马达转动速度乘以权重，形成动态阈值，比较马达转动速度不小于动态阈值，将马达转动速度列入计算平均马达转动速度，并更新设定平均马达转动速度，检查处理完命令脉冲，结束处理命令脉冲。

本发明马达编码器的动态采样方法，比较马达转动速度小于动态阈值，马达转动速度为异常，进入补偿模式，计算马达转动速度与设定的平均马达转动速度的差值，利用差值乘以编码采样时间，取得补偿的脉冲数量，补偿马达转动速度。补偿后，记录采样失效一次，并累积计算失效次数，检查失效次数超过设定值时，进行维修。检查失效次数未超过设定值时，再检查马达转一圈，将失效次数归零，重新计次。再检查未处理完命令脉冲时，则继续重复下一采样。

本发明马达编码器的动态采样方法，命令速度预先设定分成多个命令速度等级的切换区间，切换区间以等比的命令速度间隔。预设相对应的编码采样时间，以命令速度越快切换越短的编码采样时间的反比原则，形成命令速度切换区间及编码采样时间的对照表。切换区间预设相对应的权重，以命令速度越快设置越大权重的等差的原则设定，形成命令速度切换区间及权重的对照表。马达根据最近预设次数正常采样的马达转动速度，计算平均马达转动速度，形成设定的平均马达转动速度。

附图说明

图1为本发明机器手臂的马达的控制系统的功能图。

图2为本发明命令速度的示意图。

图3为本发明命令速度切换区间及编码采样时间的对照表。

图4为命令速度切换区间及权重的对照表。

图5为本发明马达编码器的动态采样方法的流程图。

图6为本发明动态采样的马达转速曲线图。

图7为本发明马达输出的力矩曲线图。

图8为现有技术命令速度及马达转数示意图。

【符号说明】

10 控制系统

11 马达

12 位置控制器

13 速度控制器

14 电流控制器

15 命令脉冲

16 命令速度

17 编码器

18 模拟数字转换器

19 编码脉冲

20 速度计算器

21 马达转动速度

具体实施方式

有关本发明为达成上述目的，所采用的技术手段及其效果，现在举优选实施例，并配合附图加以说明如下。

请同时参阅图1、图2、图3及图4，图1为本发明机器手臂的马达的控制系统，图2为本发明命令速度的示意图，图3为本发明命令速度切换区间及编码采样时间的对照表，图4为命令速度切换区间及权重的对照表。图1中，本发明马达11的控制系统10，包含位置控制器12、速度控制器13及电流控制器14等，控制系统10由外部输入命令脉冲15，经位置控制器12利用设定的命令采样时间t(参图2)，取得命令脉冲15数量，形成命令速度(Vcmd)16，传输经速度控制器13及电流控制器14控制马达11转动。其中马达11为A、B、C相的三相马达，并设有编码器17用以检测马达11的转动位置。控制系统10利用模拟数字转换器18，从马达11取出A相电流与B相电流，形成数字电流信号，作为电流控制器14的电流反馈信号，校正马达11输出的力矩。而马达11的编码器17检测产生的编码脉冲19，经速度计算器20利用设定的编码采样时间，取得编码脉冲19，计算马达转动速度21，反馈至速度控制器13补偿马达11的转动速度。编码器17检测马达11的转动位置，另反馈至位置控制器12补偿马达11转动位置。

图2中，外部输入的命令脉冲15在各设定的命令采样时间t，具有不同数量的命令脉冲15，因此在各命令采样时间t构成不同的命令速度，显示马达11的变动快慢状态。为了配合不同的命令速度，对于慢速的命令速度，相对产生的马达转动速度较慢，同步转动的编码器17也会较慢，产生的编码脉冲间隔较长，速度计算器20需要利用设定较长的编码采样时间，才能适当采样编码脉冲，形成显现变动较慢的真正的马达转动速度。相反地，对于快速的命令速度，相对产生的马达转动速度较快，同步转动的编码器17也会较快，产生的编码脉冲间隔较短，速度计算器20需要利用设定较短的编码采样时间，才能适当采样编码脉冲，形成显现变动较快的真正马达转动速度。

图3中，根据设定的命令采样时间t，取得的命令脉冲15数量，构成命令速度(Vcmd)的快慢，将命令速度分成多个命令速度等级的切换区间，例如命令速度等级以等比间隔，而命令速度越快切换越短的编码采样时间，例如命令速度与编码采样时间大致反比的原则设定，但本发明包含且不限于本实施例的比例设定。先依经验值设定命令速度K，一般可设定命令速度K等于命令速度(Vcmd)。命令速度(Vcmd)切换区间位于小于设定命令速度K，设定较长的2倍命令采样时间t的编码采样时间T1＝2t。命令速度(Vcmd)切换区间位大于设定命令速度K且小于2倍设定命令速度K，设定等于命令采样时间t的编码采样时间T2＝t。命令速度(Vcmd)切换区间位大于2倍设定命令速度K且小于3倍设定命令速度K，设定编码采样时间T3＝t/2。命令速度(Vcmd)切换区间位大于3倍设定命令速度K且小于4倍设定命令速度K，设定编码采样时间T4＝t/3。命令速度(Vcmd)切换区间位大于4倍设定命令速度K且小于5倍设定命令速度K，设定编码采样时间T5＝t/4。命令速度(Vcmd)切换区间位大于5倍设定命令速度K且小于6倍设定命令速度K，设定编码采样时间T6＝t/5。形成命令速度切换区间及编码采样时间的对照表。因此在各切换区间设定的编码采样时间TX，只要以适当编码采样时间TX频率取得编码脉冲数量，将编码脉冲数量除以编码采样时间TX，就可计算出较正确的马达转动速度(Vm)。本实施例以划分6个切换区间为例，但本发明包含且不限于划分6个切换区间。

图4中，为了监控计算出的马达转动速度(Vm)是否异常？本发明根据马达11最近例如20或30次等预设次数正常采样的马达转动速度，计算出平均马达转动速度(Vavg)，形成设定的平均马达转动速度，作为基准。并因应命令速度(Vcmd)的切换区间速度快慢不同，对于命令速度(Vcmd)较慢的，因检测编码脉冲较不遗失，设置平均马达转动速度的权重w较小，例如小于设定命令速度K的命令速度(Vcmd)切换区间，设定权重w为0.25。而对于命令速度(Vcmd)较快的，因检测编码脉冲较易遗失，设置平均马达转动速度的权重w较大，例如大于5倍设定命令速度K且小于6倍设定命令速度K的命令速度(Vcmd)切换区间，设定权重w为0.5。以命令速度越快设置越大的权重w，例如命令速度与权重w大致等差的原则设定，形成命令速度切换区间及权重w的对照表。经由经验值设置命令速度(Vcmd)切换区间的权重w，将设定平均马达转动速度(Vavg)乘以权重w，作为判断马达转动速度异常的动态阈值，以确保计算的马达转动速度正确性。

本发明当计算的马达转动速度小于动态阈值时，判断马达转动速度异常，记录采样失效一次，当失效次数超过设定值时，需进行维修排除异常状态，以保护马达运转，而在马达转一圈时，失效次数归零重新计算失效次数。失效的计算马达转动速度，不列入平均马达转动速度(Vavg)计算，不更新设定平均马达转动速度，而本发明以补偿模式补偿失效的计算马达转动速度，补偿模式首先计算马达转动速度与平均马达转动速度的差值，利用差值乘以相对应编码采样时间，取得补偿的脉冲数量，补偿马达转动速度，以维持控制马达转动的稳定性。

本发明在运作时，首先依据输入的命令脉冲15在设定的命令采样时间t，形成的命令速度(Vcmd)，例如命令速度(Vcmd)在2K<Vcmd<3K切换区间，根据命令速度(Vcmd)在命令速度切换区间与编码采样时间的对照表中，找出相对应的编码采样时间T3＝t/2，再利用编码采样时间，取得编码脉冲数量，计算编码脉冲数量/T3＝马达转动速度(Vm)。接着再由命令速度切换区间及权重w的对照表，根据命令速度(Vcmd)在2K<Vcmd<3K切换区间，找出相对应的权重W3＝0.35，将设定平均马达转动速度(Vavg)乘以权重W3形成动态阈值。

比较马达转动速度(Vm)不小于动态阈值，判断计算的马达转动速度(Vm)正常，列入计算平均马达转动速度(Vavg)，更新设定平均马达转动速度，继续下一采样。如果马达转动速度(Vm)不大于平均马达转动速度(Vavg)乘以权重W3，则视为异常，接着进入补偿模式，计算马达转动速度(Vm)与设定的平均马达转动速度(Vavg)的差值，利用差值乘以相对应编码采样时间，取得补偿的脉冲数量，补偿马达转动速度，并记录采样失效一次，当失效次数或连续失效次数超过设定值时，则进行维修，然后检查马达是否转一圈？如果转一圈，将失效次数归零，重新计次，如果未转完一圈，检查是否处理完命令脉冲，如果未处理完，则继续重复下一采样如果处理完，则结束运作。

如图5所示，为本发明马达编码器的动态采样方法的流程。本发明马达编码器的动态采样方法的详细步骤说明如下：在步骤S1，依据输入的命令脉冲在设定的命令采样时间，采样命令脉冲，计算命令速度；步骤S2，根据命令速度在切换区间，以相对应的编码采样时间，采样编码器的编码脉冲，计算马达转动速度；步骤S3，根据命令速度的切换区间，找出相对应的权重，计算设定平均马达转动速度乘以权重，形成动态阈值；步骤S4，比较马达转动速度是否小于动态阈值？，如果马达转动速度不小于动态阈值，则进入步骤S5，计算的马达转动速度正常，列入计算平均马达转动速度，在步骤S6，并更新设定平均马达转动速度，再至步骤S13。如果马达转动速度小于动态阈值，则进入步骤S7，马达转动速度视为异常，接着进入补偿模式，补偿马达转动速度；步骤S8，记录采样失效一次，累积计算失效次数；步骤S9，检查失效次数是否超过设定值，超过设定值时，则进入步骤S10进行维修，未超过设定值时，则进入步骤S11，再检查马达是否转一圈？如果转一圈，则进入步骤S12将失效次数归零，重新计次，再至步骤S13。如果未转完一圈，则进入步骤S13，检查是否处理完命令脉冲？如果未处理完命令脉冲，则进入步骤S1继续重复下一采样，如果处理完命令脉冲，则进入步骤S14，结束处理命令脉冲。

如图6所示，为本发明动态采样的马达转速图。本发明根据命令速度不同速度等级的切换区间，采用相对应设定的编码采样时间，动态改变采样的频率，获得的马达转速曲线，比较采用固定编码采样时间，固定采样的频率，获得的马达转速曲线，显示本发明动态采样的马达转速曲线较为平滑，较固定采样的马达转速曲线，少突起的转速曲线，控制较为平顺，而可达到降低震动的目的。

如图7所示，为本发明马达输出的力矩曲线图。本发明采用动态编码采样时间，采样反馈控制马达时，获得的马达输出力矩曲线，比较采用固定编码采样时间，获得的输出力矩曲线，显示本发明动态采样的输出力矩曲线较为一致，输出的力矩大致相同，较固定采样的输出力矩曲线上下激烈变化的力矩曲线，本发明可达到降低震动的目的。

因此，本发明马达编码器的动态采样方法，利用设定命令速度的切换区间，根据命令速度的切换区间，藉由切换相对应的编码采样时间，以命令速度越快切换越短的编码采样时间，取得正确马达转动速度进行控制，而可达提升马达控制的精密度的发明目的。此外本发明马达编码器的动态采样方法，也可根据处理命令速度切换区间，设定命令速度越快权重越大，在马达转动速度小于平均马达转动速度乘以权重，形成的动态阈值时，计算失效次数大于设定值，需进行维修，而可达到保护马达运转的目的。本发明马达编码器的动态采样方法，在马达转动速度小于动态阈值时，利用补偿模式，计算马达转动速度与平均马达转动速度的差值，利用差值乘以编码采样时间，补偿马达转动速度的脉冲数量，而可达到维持控制的精确性的发明目的。

以上所述仅为用以方便说明本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该等优选实施例，凡依本发明所做的任何变更，在不脱离本发明的精神下，皆属本发明申请专利的范围。

Claims (9)

1.一种马达编码器的动态采样方法，预先设定命令速度的多个切换区间、切换区间相对应的编码采样时间及相对应的权重，其步骤包含：

依据输入的命令脉冲在设定的命令采样时间，采样命令脉冲，计算命令速度；

根据该命令速度的切换区间，以相对应的编码采样时间，采样编码器的编码脉冲，计算马达转动速度；

根据命令速度的切换区间，以相对应的权重，将设定的平均马达转动速度乘以权重，形成动态阈值；

比较该马达转动速度不小于动态阈值；

将该马达转动速度列入计算平均马达转动速度，并更新该设定平均马达转动速度；

检查处理完命令脉冲，则结束处理命令脉冲。

2.如权利要求1所述的马达编码器的动态采样方法，其中比较马达转动速度小于动态阈值，该马达转动速度为异常，进入补偿模式，计算该马达转动速度与该设定的平均马达转动速度的差值，利用差值乘以该编码采样时间，取得补偿的脉冲数量，补偿该马达转动速度。

3.如权利要求2所述的马达编码器的动态采样方法，其中补偿后，记录采样失效一次，并累积计算失效次数，检查失效次数超过设定值时，进行维修。

4.如权利要求3所述的马达编码器的动态采样方法，其中检查失效次数未超过设定值时，再检查马达转一圈，将失效次数归零，重新计次。

5.如权利要求1所述的马达编码器的动态采样方法，其中检查未处理完命令脉冲时，则继续重复下一采样。

6.如权利要求1所述的马达编码器的动态采样方法，其中命令速度预先设定分成多个命令速度等级的切换区间，切换区间以等比的命令速度间隔。

7.如权利要求6所述的马达编码器的动态采样方法，其中切换区间预设相对应的编码采样时间，以命令速度越快切换越短的编码采样时间的反比原则，形成命令速度切换区间及编码采样时间的对照表。

8.如权利要求6所述的马达编码器的动态采样方法，其中切换区间预设相对应的权重，以命令速度越快设置越大权重的等差的原则设定，形成命令速度切换区间及权重的对照表。

9.如权利要求1所述的马达编码器的动态采样方法，其中马达根据最近预设次数正常采样的马达转动速度，计算平均马达转动速度，形成该设定的平均马达转动速度。

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