CN1319262C - 应用于伺服系统的鲁棒性电流回路控制器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于一伺服系统中的电流回路控制器，该电流回路控制器包含：一参考模式控制器以及一电流控制器。该参考模式控制器，其利用该伺服系统的一电流命令参考信号经由该参考模式控制器产生一第一电流命令信号与该伺服系统的一反馈速度命令信号比较产生一第二电流命令信号。以及，该电流控制器，是将该第二电流命令信号、该电流命令参考信号与一电流反馈信号经由该电流控制器产生一控制信号以驱动该伺服系统。

Description

应用于伺服系统的鲁棒性电流回路控制器及其控制方法
(1)技术领域
本发明有关一种电流回路控制器，尤指应用于一伺服系统的鲁棒性电流回路控制器及其控制方法。
(2)背景技术
请参阅图1，图1是为一典型的伺服控制系统方块图。典型伺服控制系统100包含：一马达系统101、一电流控制器102、一速度控制器103。其中，该马达系统101的转移函数(transfer function)包含一线圈转移函数Ga(s)＝1/(Ls+R)，以及一机构转移函数GJ(s)＝1/(Js+B)，L代表一绕组电感值、R代表一绕组电阻值、J为马达系统的等效转子惯量、B为马达系统的等效阻尼系数。该电流控制器102的转移函数为Gc(s)。该速度控制器103的转移函数为Gs(s)。ω(s)代表马达转速。if(s)代表马达的反馈电流。ia(s)代表马达电流命令。vr(s)代表马达速度命令。
典型伺服控制系统100分别利用该电流控制器102与该速度控制器103作为该马达系统101的速度控制以及电流控制。一般而言，马达系统101的线圈参数L、R只受温度的影响，只要不过热，线圈参数的变化很小。另外，传统伺服的电流回路在频率500Hz以下均可视为常数。然而，机构参数J、B则会随着负载不同而改变。
请参阅图2。图2是为一典型伺服控制系统的速度开回路波德图(Bode Plot)。如图2所示，当转子惯量J变大时，在固定速度控制器的情况下，开回路波德增益(dB)随惯量增大而降低，造成整个伺服系统的稳态及动态误差扩大。此时，必须另设增益较高的速度控制器来满足伺服控制的性能要求。因此，传统的驱动器为克服这个问题，是采用惯量估测器(estimator)以获得目前伺服系统的惯量值，再给予适当的速度控制器。然而，这样的方式仅适用在惯量变化缓慢的情况下。对于惯量变化快速的情况下，应用此方式进行控制，反而会造成系统不良的动态行为。
(3)发明内容
本发明的第一目的在于提供一种应用于伺服系统的鲁棒性电流回路控制器，利用一参考模式控制器(Model Reference Controller)将该伺服系统因负载变化的的一转子惯量控制成为近似该马达转子惯量参考值，电流回路依然可以提供其鲁棒性能。
本发明的第二目的在于提供一种应用于伺服系统的鲁棒性电流回路控制器，利用一参考模式控制器将该伺服系统因应外在干扰时，模式输出与马达转子角速率的差值即时注入电流控制器，抵抗外来干扰。电流回路可以提供对外来干扰的鲁棒性能。
本发明的第三目的在于提供一种应用于伺服系统的鲁棒性电流回路控制器，当该伺服系统发生共振时，利用一参考模式控制器可自动抑制该共振。
根据本发明的构想，本发明提供一种电流回路控制器，应用于一伺服系统中，该电流回路控制器包含：一参考模式控制器，其利用该伺服系统的一电流命令参考信号经由该参考模式控制器产生一速度命令信号与该伺服系统的一反馈速度命令信号比较产生一电流命令信号；以及一电流控制器，是将该电流命令信号、该电流命令参考信号与一电流反馈信号经由该电流控制器产生一控制信号以驱动该伺服系统。
根据上述的构想，其中该伺服系统是为一交流(AC)伺服系统(servosystem)。
根据上述的构想，其中该伺服系统是为一永磁伺服系统。
根据上述的构想，其中该参考模式控制器的转移函数是为Kt/(Jms+Bm)，Jm为一马达转子惯量参考值、Bm为一马达阻尼系数参考值、Kt为一比例值，利用该参考模式控制器将该伺服系统因负载变化的的一转子惯量控制成为近似该马达转子惯量参考值。
根据上述的构想，其中该转移函数Kt/(Jms+Bm)的该马达转子惯量参考值与该马达阻尼系数参考值是根据伺服系统的参数而设定的值。
根据上述的构想，其中该参数是为该伺服系统的一稳态误差。
根据上述的构想，其中该参考模式控制器的该速度命令信号与该反馈速度命令信号的差值产生该电流命令信号。
根据上述的构想，其中该控制信号是为一电压控制信号。
根据上述的构想，其中该控制信号是为一电流控制信号。
根据本发明的另一构想，本发明提供一电流回路控制方法应用于一伺服系统中，该控制方法包含：利用该伺服系统的一电流命令参考信号经由一第一运算产生一速度命令信号；将该速度命令信号与该伺服系统的一反馈速度命令信号比较产生一电流命令信号；以及将该电流命令信号、该电流命令参考信号与一电流反馈信号经由一第二运算产生一控制信号以驱动该伺服系统。
根据上述的构想，其中该伺服系统是为一交流(AC)伺服系统(servosystem)。
根据上述的构想，其中该第一运算是利用一转移函数Kt/(Jms+Bm)，Jm为一马达转子惯量参考值、Bm为一马达阻尼系数参考值，将该伺服系统因负载变化的的一转子惯量控制成为近似该马达转子惯量参考值。
根据上述的构想，其中将该速度命令信号与该反馈速度命令信号的差值产生该电流命令信号。
根据上述的构想，其中该控制信号是为一电压控制信号。
根据上述的构想，其中该控制信号是为一电流控制信号。
为更清楚理解本发明的目的、特点和优点，下面将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明。
(4)附图说明
图1是为一典型的伺服控制系统方块图；
图2是为一典型伺服控制系统的速度开回路波德图(Bode Plot)；
图3是为本发明较佳实施例的应用鲁棒性电流回路控制器的伺服控制系统方块图；以及
图4是为本发明较佳实施例的应用鲁棒性电流回路控制器于伺服系统的速度开回路波德图(Bode Plot)。
(5)具体实施方式
请参阅图3是为本发明较佳实施例应用鲁棒性电流回路控制器的伺服控制系统方块图。如图3所示，该电流回路控制器202包含一参考模式控制器204以及一电流控制器205。该参考模式控制器204，利用该伺服系统200的一电流命令参考信号ia(s)经由该参考模式控制器204产生一速度命令信号ωa(s)与该伺服系统的一反馈速度命令信号ω(s)的差值，经由一比例运算产生一电流命令信号ir(s)。以及，该电流控制器205，是将该电流命令信号ir(s)、一电流命令参考信号ia(s)与一电流反馈信号if(s)经由该电流控制器202产生一控制信号以驱动一伺服系统201。该伺服系统可由线圈参数转移函数206以及机构参数转移函数207来表示。
其中，该伺服系统可为一交流(AC)伺服系统(servo system)或是一永磁伺服系统。该参考模式控制器204的转移函数是为Kt/(Jms+Bm)，Jm为一马达转子惯量参考值、Bm为一马达阻尼系数参考值、Kt为一比例值，利用该参考模式控制器将该伺服系统因负载变化的的一转子惯量控制成为近似该马达转子惯量参考值。
另外，该转移函数Kt/(Jms+Bm)的该马达转子惯量参考值与该马达阻尼系数参考值可根据该伺服系统的稳态误差、动态误差或是响应速度……等来设定。
另外，该速度命令信号ωa(s)是由该伺服系统200反馈该伺服系统的输出转速ω(s)与一速度命令参考信号vr(s)的差值送入一速度控制器输出产生该电流命令参考信号ia(s)。
请参阅图4，图4是为本发明较佳实施例的应用鲁棒性电流回路控制器于伺服系统的速度开回路波德图(Bode Plot)。由于模式参考理论的特性，使得速度开回路波德在低频增益并不随转子惯量的改变而改变。
因此利用本发明的发明的鲁棒性电流回路控制器，可将该伺服系统因负载变化的转子惯量控制成为近似马达转子惯量参考值，电流回路依然可以提供其鲁棒性能。且该伺服系统因应外在干扰时，模式输出与马达转子角速率的差值即时注入电流控制器，抵抗外来干扰。电流回路可提供对外来干扰的鲁棒性能。而且，当该伺服系统发生共振时，利用本发明的参考模式控制器可自动抑制该共振。故本发明确实具有工业上实用进步的价值。

Claims (9)

1.一种电流回路控制器，应用于一伺服系统中，该电流回路控制器包含：
一参考模式控制器，所述参考模式控制器根据该伺服系统的一电流命令参考信号产生一速度命令信号，所述速度命令信号与该伺服系统的一反馈速度命令信号比较产生一电流命令信号；以及
一电流控制器，是将该电流命令信号、该电流命令参考信号与一电流反馈信号经由该电流控制器产生一控制信号以驱动该伺服系统。
2.如权利要求1所述的电流回路控制器，其特征在于，该伺服系统是为一交流伺服系统。
3.如权利要求1所述的电流回路控制器，其特征在于，该伺服系统是为一永磁伺服系统。
4.如权利要求1所述的电流回路控制器，其特征在于，该参考模式控制器的转移函数是为Kt/(Jms+Bm)，Jm为一马达转子惯量参考值、Bm为一马达阻尼系数参考值、Kt为一比例值，利用该参考模式控制器将该伺服系统因负载变化的一转子惯量控制成为该马达转子惯量参考值。
5.如权利要求4所述的电流回路控制器，其特征在于，该转移函数Kt/(Jms+Bm)的该马达转子惯量参考值与该马达阻尼系数参考值是根据伺服系统的参数而设定的值。
6.如权利要求5所述的电流回路控制器，其特征在于，该参数是为该伺服系统的一稳态误差。
7.如权利要求1所述的电流回路控制器，其特征在于，该控制信号是为一电压控制信号。
8.如权利要求1所述的电流回路控制器，其特征在于，该控制信号是为一电流控制信号。
9.一种电流回路控制方法，应用于一伺服系统中，其特征在于，该控制方法包含：
利用该伺服系统的一电流命令参考信号产生一速度命令信号；
将该速度命令信号与该伺服系统的一反馈速度命令信号比较产生一电流命令信号；以及
利用该电流命令信号、该电流命令参考信号与一电流反馈信号产生一控制信号以驱动该伺服系统。
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