CN113141145A - 工作设备系统及其适用的控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种工作设备系统及其适用的控制方法，工作设备系统包含工作设备、温度感测器及控制器。工作设备包含用以提供动力至负载装置的马达装置。控制器具有预设温度、马达装置的马达阻抗、工作设备系统的热阻及电性参数。当控制器接收到需求动力指令时，控制器用以：根据需求动力指令及电性参数计算第一电流；计算马达温度与预设温度之间的温度差；根据温度差及热阻计算热能；根据热能及马达阻抗计算第二电流；以及比较第二电流和第一电流的有效值，以判断第二电流是否小于第一电流。

Description

工作设备系统及其适用的控制方法

技术领域

本公开涉及一种工作设备系统及其适用的控制方法，特别涉及一种可同时提供目标动力及需求温度的工作设备系统及其适用的控制方法。

背景技术

电动马达通常设置于工作设备中，并用以为工作设备的运行提供主要动力。由于电动马达中的电能与动能之间的转换效率并非100％，故产生动力的过程中会具有热损失。此外，用于传动和导引的机构元件的运动亦会因摩擦而产生热损失。前述的热损失是以热能形式呈现，该些热能会增加工作设备的温度，进而可能导致工作设备损坏。另外，随着自动化的发展，对于机械精度的要求也越来越高。当工作设备的温度大幅变化时，机械精度将因热胀冷缩而受到影响，因此，如何将工作设备的温度维持在固定的工作温度范围内显得愈发重要。

现有技术中，是通过设置冷却装置(例如水冷、油冷或气冷装置)来冷却工作设备系统，从而控制工作设备的温度。然而，当工作设备的需求动力及移动速度改变时，所产生的热能将随之变化。亦即，电动马达所产生的热能并非一固定值。因此，仅使用冷却装置恐难以稳定工作设备的运行温度，且为了降低生产成本并节省工作空间，许多工作设备在设计时并未配置有冷却装置。再者，当工作设备的温度低于预设温度时(例如在电动马达产生的热能减少、冷却流体的温度过低或环境温度降低时)，即便是具备冷却装置的工作设备亦难以稳定其运行温度。此外，当工作设备初启动时，工作设备须执行暖机动作，且工作设备在执行暖机动作期间无法用于生产。在环境温度较低时，暖机动作的时间甚至变得更长。因此，将导致工作设备的工作效率下降，甚至因过度磨损而导致工作设备的使用寿命减少。

因此，如何发展一种可改善上述现有技术的工作设备系统及其适用的控制方法，实为目前迫切的需求。

发明内容

本公开的目的在于提供一种工作设备系统及其适用的控制方法，通过控制工作设备的马达装置的电流，使工作设备可同时满足动力及温度的需求，且可稳定地控制工作设备的温度，借此维持工作设备的机械精度。此外，可缩短暖机动作所需的时间，从而增加工作设备的工作效率及使用寿命。

为达上述目的，本公开提供一种工作设备系统，包含工作设备、温度感测器及控制器。工作设备包含马达装置，马达装置是用以提供动力至负载装置。温度感测器用以测量马达装置的马达温度。控制器具有预设温度、马达装置的马达阻抗、工作设备系统的热阻及电性参数。当控制器接收到需求动力指令时，控制器用以：根据需求动力指令及电性参数计算第一电流；计算马达温度与预设温度之间的温度差；根据温度差及热阻计算热能；根据热能及马达阻抗计算第二电流；以及比较第二电流和第一电流的有效值，以判断第二电流是否小于第一电流，其中若控制器确认第二电流小于第一电流，则控制器控制马达装置减少动力。

为达上述目的，本公开另提供一种控制方法，适用于工作设备系统，其中工作设备系统包含马达装置、温度感测器及控制器。马达装置提供动力至负载装置，温度感测器测量马达装置的马达温度，控制器具有预设温度、马达装置的马达阻抗、工作设备系统的热阻及电性参数。当控制器接收到需求动力指令时，控制器执行控制方法，控制方法包含下列步骤：(a)根据需求动力指令及电性参数计算第一电流；(b)计算马达温度与预设温度之间的温度差；(c)根据温度差及热阻计算热能；(d)根据热能及马达阻抗计算第二电流；以及(e)比较第二电流和第一电流的有效值，以判断第二电流是否小于第一电流。若控制器确认第二电流不小于第一电流，则控制器所执行的控制方法还包含下列步骤：(f)根据有效值和第二电流之间的比值计算电流相位差；(g)根据需求动力指令中的相位角及电流相位差计算目标电流相位；(h)根据第二电流、目标电流相位及电性参数计算目标动力；以及(i)控制马达装置调整动力，使动力于误差范围内接近目标动力。

为达上述目的，本公开还提供一种工作设备系统，包含马达装置、温度感测器、控制器及冷却装置。马达装置用以提供动力至负载装置。温度感测器用以测量马达装置的马达温度。控制器具有预设温度、马达装置的马达阻抗、工作设备系统的热阻及电性参数。冷却装置耦接于马达装置及控制器。当控制器接收到需求动力指令时，控制器是用以：根据需求动力指令及电性参数计算第一电流；计算马达温度与预设温度之间的温度差；根据温度差及热阻计算热能；根据热能及马达阻抗计算第二电流；以及比较第二电流和第一电流的有效值，以判断第二电流是否小于第一电流，其中当控制器确认第二电流小于第一电流时，控制器启动冷却装置。

附图说明

图1为本公开优选实施例的工作设备系统的架构示意图。

图2为现有工作设备及图1的工作设备于暖机动作期间的温度变化曲线的示意图。

图3为图1的工作设备系统的变化例的架构示意图。

图4为工作设备系统的侧视示意图及俯视示意图，其中工作设备系统的工作设备为可动载具。

图5为图4的工作设备系统的变化例的侧视示意图。

图6A及图6B为本公开优选实施例的适用于工作设备系统的控制方法的流程示意图。

图7A及图7B为图6A及图6B的控制方法的变化例的流程示意图。

附图标记说明：

1：工作设备

2：控制器

3：温度感测器

4：冷却装置

11：马达装置

12：负载装置

13：安装面

14：导轨

15：工作平台

16：线圈组

17：磁石定子

18：滑轮

F1：需求动力指令

F2：动力

C1：控制信号

T1：马达温度

S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12：步骤

具体实施方式

体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本公开。

图1为本公开优选实施例的工作设备系统的架构示意图。如图1所示，本公开的工作设备系统包含工作设备1、控制器2及温度感测器3。工作设备1包含马达装置11，马达装置11是用以提供动力F2至负载装置12。于其他一些实施例中，负载装置12的设置位置并不受限制，负载装置12可设置于工作设备1的内部或外部，而本发明不限于此。温度感测器3耦接于工作设备1，且温度感测器3是用以感测马达装置11的马达温度T1。于一些实施例中，因主要的热能通常由马达装置11产生，故马达温度T1即可代表工作设备1目前的工作温度，但本发明亦不以此为限。控制器2是耦接于工作设备1的马达装置11及温度感测器3。于图1中，控制器2包含物理参数及电性参数，其中电性参数可例如但不限于包含马达装置11的磁场值及马达装置11的磁石的相位角，而物理参数可例如但不限于包含预设温度、马达装置11的马达阻抗及工作设备系统的热阻。

于一实施例中，控制器2是耦接于电脑，其中电脑是用以提供需求动力指令F1。当控制器2接收到需求动力指令F1时，控制器2执行下列操作：根据需求动力指令F1及电性参数计算第一电流；计算马达温度T1与预设温度之间的温度差；根据该温度差及工作设备系统的热阻计算热能；根据该热能及马达阻抗计算第二电流；以及比较第二电流及第一电流的有效值(该有效值可为例如但不限于第一电流的方均根值、第一电流的绝对值或第一电流的平均值)，以判断第二电流是否小于第一电流。若第二电流小于第一电流的有效值，则表示第二电流小于第一电流。若第二电流大于或等于第一电流的有效值，则表示第二电流不小于第一电流。

若控制器2确认第二电流小于第一电流，则控制器2将控制马达装置11减少所输出的动力F2。反之，若控制器2确认第二电流不小于第一电流，则控制器2将进一步执行下列操作：根据第一电流的有效值和第二电流之间的比值(ratio value)计算电流相位差；根据需求动力指令F1的相位角及电流相位差计算目标电流相位；根据第二电流、目标电流相位及电性参数计算目标动力；以及控制马达装置11调整动力F2，使动力F2在误差范围内接近目标动力，其中误差范围约为0至10％，但不以此为限。

借此，通过将提供至负载装置12的动力F2调整至接近目标动力，可满足工作设备1的动力需求。此外，通过满足工作设备1的热能需求，可稳定控制工作设备1的温度，亦即满足工作设备1的温度需求。据此，可将工作设备1的机械精度维持于较高水准。

请一并参阅图1及图2。根据图2所示的暖机动作期间的温度变化曲线，相较于现有工作设备的暖机动作所需时间，本公开的工作设备1的暖机动作所需时间明显缩短。于图2中，是以实线描绘现有工作设备的温度变化曲线，并以虚线描绘工作设备1的温度变化曲线。通过本公开的工作设备1，可将暖机动作所需时间减少Δt，同时增加工作设备1的工作效率及使用寿命。

请再参阅图1。电性参数及物理参数可预设于控制器2的固件或软件程序中，但本发明亦不以此为限。于一些实施例中，使用者可利用电脑提供需求动力指令F1至控制器2。于一些实施例中，工作设备1还包含冷却装置4，冷却装置4耦接于工作设备1并用以降低马达温度T1。借此，控制器2在控制马达装置11时可综合考量冷却装置4所造成的影响，从而使马达温度T1维持一致。

于一些实施例中，如图3所示，冷却装置4还耦接于控制器2。控制器2输出温度控制指令以启动或关闭冷却装置4。当控制器2确认第二电流小于第一电流时，控制器2启动冷却装置4。此情况代表电脑所输出的需求动力指令F1使马达装置11提供过多的动力F2。因此，马达装置11的运行产生大量的热能，需启动冷却装置4以减少热能。在冷却装置4被启动一段时间后，随着马达温度T1低于预设温度且持续降低，将导致马达温度T1与预设温度之间的温度差、需求热能及第二电流增加。于此情况下，当控制器2确认第二电流不小于第一电流时，控制器2关闭冷却装置4。由于控制器2可通过控制马达装置11及冷却装置4的运行以调整马达温度T1，故可更为准确地控制马达温度T1。

以下是示例说明前述由控制器2所执行的计算过程。

通过等式(1)，控制器2根据需求动力指令F1及电性参数计算第一电流i₁。

i₁＝F1/[sin(θ_i1)×Bsin(θ_b)] (1)

其中，θ_i1为需求动力指令F1中所包含的第一电流的相位角，B为马达装置11的磁场值，θ_b为马达装置11的磁石的相位角，且相位角θ_i1等于相位角θ_b。

控制器2计算马达温度T1与预设温度之间的温度差。通过等式(2)，控制器2根据该温度差及工作设备系统的热阻计算热能。

P_thermal＝ΔT/R_th (2)

其中，P_thermal为热能，ΔT为温度差，R_th为工作设备系统的热阻。

通过等式(3)，控制器2根据热能P_thermal及马达阻抗计算第二电流i₂。

i₂＝(P_thermal/R)^0.5 (3)

其中，R为马达装置11的马达阻抗。

若控制器2确认第二电流不小于第一电流，则控制器2通过等式(4)而根据第一电流i₁的有效值i_1e与第二电流i₂之间的比值计算电流相位差θ_id。通过等式(5)，控制器2根据相位角θ_i1和电流相位差θ_id计算目标电流相位θ_target。

θ_id＝cos^-1(i_1e/i₂) (4)

θ_target＝θ_i1-θ_id (5)

通过等式(6)，控制器2根据第二电流i₂、目标电流相位θ_target及电性参数计算目标动力F3。

F3＝i₂×[sin(θ_target)×Bsin(θ_b)] (6)

请参阅图1和图3。控制器2根据等式(6)所示的目标动力F3输出控制信号C1至马达装置11，控制器2可据此控制马达装置11调整动力F2，使动力F2于误差范围内接近目标动力F3。借此，控制器2控制马达装置11以第二电流i₂及目标电流相位θ_target运行，从而满足动力需求。同时，马达装置11所产生的热能等于热能P_thermal，故亦可满足热能需求。

本公开的工作设备1的实际实施方式不限于此，工作设备1可为任何形式的设备。举例而言，如图4所示，工作设备1为可动载具。于此实施例中，工作设备1包含马达装置11、负载装置12及安装面13，安装面13上设置有导轨14。负载装置12包含彼此耦接的工作平台15及滑轮18。通过滑轮18与导轨14间的耦接，负载装置12可在安装面13上沿着导轨14移动。马达装置11包含相互电磁耦合的线圈组16及磁石定子17，线圈组16设置于工作平台15上，磁石定子17在安装面13上沿导轨14设置。于一些实施例中，工作设备系统还包含温度感测器3及冷却装置4。温度感测器3是耦接于工作设备1及控制器2，且温度感测器3可例如但不限于设置于工作设备1中。冷却装置4是耦接于工作设备1。由于马达装置11、负载装置12、温度感测器3、冷却装置4及控制器2的运行及连接关系于前述相同，故于此不再赘述。此外，于一些实施例中，如图5所示，冷却装置4还耦接于控制器2，且冷却装置4是受控制器2所输出的温度控制指令控制。

图6A及图6B为本公开优选实施例的适用于工作设备系统的控制方法的流程示意图。此控制方法是用以控制前述实施例中的工作设备系统，且此控制方法是由控制器2执行。如图6A及图6B所示，控制方法包含下列步骤。

于步骤S1中，根据需求动力指令F1及电性参数计算第一电流。

于步骤S2中，计算马达温度T1与预设温度之间的温度差。

于步骤S3中，根据该温度差及工作设备系统的热阻计算热能。

于步骤S4中，根据该热能及马达阻抗计算第二电流。

于步骤S5中，比较第二电流及第一电流的有效值，以判断第二电流是否小于第一电流。若第二电流小于第一电流的有效值，则表示第二电流小于第一电流；若第二电流大于或等于第一电流的有效值，则表示第二电流不小于第一电流。

若控制器2确认第二电流不小于第一电流，则控制器所执行的控制方法还包含步骤S6、S7、S8及S9。于步骤S6中，根据第二电流和第一电流的有效值之间的比值来计算电流相位差。于步骤S7中，根据需求动力指令F1中的相位角及电流相位差计算目标电流相位。于步骤S8中，根据第二电流、目标电流相位及电性参数计算目标动力。于步骤S9中，控制马达装置调整动力F2，使动力F2于误差范围内接近目标动力。

若控制器2确认第二电流小于第一电流，则控制器2控制马达装置11减少动力F2(如步骤S10所示)。另一方面，如图7A及图7B所示，在工作设备系统包含耦接于工作设备1及控制器2的冷却装置4的情况下，当控制器2确认第二电流小于第一电流时，控制器2启动冷却装置4(如步骤S11所示)。此外，在冷却装置4运行一段时间后，若控制器2确认第二电流不小于第一电流，则控制器2关闭冷却装置4(如步骤S12所示)。

综上所述，本公开提供一种工作设备系统及其适用的控制方法，通过控制工作设备的马达装置的电流，使工作设备可同时满足动力及温度的需求，且可稳定地控制工作设备的温度，借此维持工作设备的机械精度。此外，可缩短暖机动作所需的时间，从而增加工作设备的工作效率及使用寿命。

须注意，上述仅是为说明本公开而提出的优选实施例，本公开不限于所述的实施例，本公开的范围由权利要求决定。且本公开得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱权利要求所欲保护者。

Claims (10)

1.一种工作设备系统，包含：

一工作设备，包含一马达装置，其中该马达装置是用以提供一动力至一负载装置；

一温度感测器，用以测量该马达装置的一马达温度；以及

一控制器，具有一预设温度、该马达装置的一马达阻抗、该工作设备系统的一热阻及电性参数；

其中当该控制器接收到一需求动力指令时，该控制器用以：

根据该需求动力指令及该电性参数计算一第一电流；

计算该马达温度与该预设温度之间的一温度差；

根据该温度差及该热阻计算一热能；

根据该热能及该马达阻抗计算一第二电流；以及

比较该第二电流和该第一电流的一有效值，以判断该第二电流是否小于该第一电流，其中若该控制器确认该第二电流小于该第一电流，则该控制器控制该马达装置减少该动力。

2.如权利要求1所述的工作设备系统，其中若该控制器确认该第二电流不小于该第一电流，则该控制器进一步：

根据该有效值和该第二电流之间的一比值计算一电流相位差；

根据该需求动力指令中的一相位角及该电流相位差计算一目标电流相位；

根据该第二电流、该目标电流相位及该电性参数计算一目标动力；以及

控制该马达装置调整该动力，使该动力于一误差范围内接近该目标动力；

其中该误差范围为0～10％。

3.如权利要求2所述的工作设备系统，其中该电性参数包含该马达装置的一磁场值及该马达装置的磁石的一相位角。

4.如权利要求1所述的工作设备系统，其中该第一电流的该有效值为该第一电流的一均方根值、该第一电流的一绝对值或该第一电流的一平均值。

5.如权利要求1所述的工作设备系统，还包含耦接于该工作设备及该控制器的一冷却装置，其中当该控制器确认该第二电流小于该第一电流时，该控制器启动该冷却装置。

6.如权利要求5所述的工作设备系统，其中当该控制器确认该第二电流不小于该第一电流时，该控制器关闭该冷却装置。

7.一种控制方法，适用于一工作设备系统，其中该工作设备系统包含一马达装置、一温度感测器及一控制器，其中该马达装置提供一动力至一负载装置，且该温度感测器测量该马达装置的一马达温度，且该控制器具有一预设温度、该马达装置的一马达阻抗、该工作设备系统的一热阻及电性参数，其中当该控制器接收到一需求动力指令时，该控制器执行该控制方法，其中该控制方法包含下列步骤：

(a)根据该需求动力指令及该电性参数计算一第一电流；

(b)计算该马达温度与该预设温度之间的一温度差；

(c)根据该温度差及该热阻计算一热能；

(d)根据该热能及该马达阻抗计算一第二电流；以及

(e)比较该第二电流和该第一电流的一有效值，以判断该第二电流是否小于该第一电流，

其中，若该控制器确认该第二电流不小于该第一电流，则该控制器所执行的该控制方法还包含下列步骤：

(f)根据该有效值和该第二电流之间的一比值计算一电流相位差；

(g)根据该需求动力指令中的一相位角及该电流相位差计算一目标电流相位；

(h)根据该第二电流、该目标电流相位及该电性参数计算一目标动力；以及

(i)控制该马达装置调整该动力，使该动力于一误差范围内接近该目标动力。

8.如权利要求7所述的控制方法，其中若该控制器确认该第二电流小于该第一电流，则该控制器控制该马达装置减少该动力。

9.一种工作设备系统，包含：

一马达装置，用以提供一动力至一负载装置；

一温度感测器，用以测量该马达装置的一马达温度；

一控制器，具有一预设温度、该马达装置的一马达阻抗、该工作设备系统的一热阻及电性参数；以及

一冷却装置，耦接于该马达装置及该控制器；

其中当该控制器接收到一需求动力指令时，该控制器用以：

根据该需求动力指令及该电性参数计算一第一电流；

计算该马达温度与该预设温度之间的一温度差；

根据该温度差及该热阻计算一热能；

根据该热能及该马达阻抗计算一第二电流；以及

比较该第二电流和该第一电流的一有效值，以判断该第二电流是否小于该第一电流，

其中当该控制器确认该第二电流小于该第一电流时，该控制器启动该冷却装置。

10.如权利要求9所述的工作设备系统，其中当该控制器确认该第二电流不小于该第一电流时，该控制器关闭该冷却装置。

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