TW201315135A - 一體型伺服系統、馬達系統及馬達之控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種控制馬達(11)的一體型伺服系統(3)及方法。一體型伺服系統(3)係具有：位置檢測部(13)，檢測馬達(11)之位置演算用檢測資料；以及位置信號處理器(14)，根據所檢測的位置演算用檢測資料而演算馬達(11)的位置。一體型伺服系統(3)係復具有：伺服控制電路(15)，根據所演算的位置資料而控制馬達(11)；以及平行匯流排(16)，將所演算的位置資料從位置信號處理器(14)往伺服控制電路(15)發送。

Description

一體型伺服系統、馬達系統及馬達之控制方法

本發明之裝置及方法係有關伺服馬達(servo motor)之位置及速度的控制系統。

伺服馬達係使用於驅動工作機器內等各種機器負載的控制系統。係被期望能正確地控制馬達位置及速度。

參照第1圖，說明以往之伺服系統。伺服系統係具有：電源(電性幹線)1；伺服放大器100；馬達11；以及編碼器200。電性幹線1係經由電線5而將200V之三相電力等的交流電流供給至伺服放大器。

伺服放大器100係具有將來自電線5的交流電流予以整流且以280V的電壓產生直流電流的轉換器(converter)電路6。直流電流係向反相器(inverter)電路10輸出。反相器電路10係產生電壓，並經由電線12而向馬達11供給三相電力。前述電壓係依據從電線7輸入的直流電流和其他回授(feed back)資訊而產生。

馬達11的位置係由編碼器200內的位置檢測部13所監視。雖存有種種之編碼器的位置檢測方法，但以下係以最一般的形式為例進行說明。通常，當馬達11被驅動時則馬達11將使脈波(pulse)圓盤旋轉，位置檢測部13係具有光學旋轉編碼器(optical rotary encoder)，透過脈波圓盤而檢測由雷射或光所形成的光學脈波。藉由計數脈波的數量，位置檢測部13係檢測馬達11的位置演算用檢測資料。 信號處理部IC(integrated circuit，積體電路)51係將該位置演算用檢測資料加工/補正而產生馬達位置資訊且向串列(serial)發送部52發送。串列發送部52係將前述位置資訊經由串列匯流排59而向串列接收部53發送。依據接收的位置資訊，伺服放大器100係使用速度處理器(processor)54而計算馬達11的速度。速度控制部56係以根據由速度處理器54所輸出的速度而控制反相器電路10的方式指示電流控制部IC55(以下簡稱「IC55」)。亦即，速度控制部56係以使對於反相器電路10的輸出強度增加或降低的方式指示電流控制部IC55。具體而言，速度控制部56係將電流指令(轉矩指令)給予IC55。IC55尚從反相器電路10接收實際的馬達回授電流。之後，IC55係將電流指令與從反相器電路10接收的電流回授(電流資料)比較，根據該比較而產生電壓指令。根據產生的電壓指令而產生PWM信號(脈波寬度調變指令)且給予反相器電路10。

就習知技術之一例而言，有於專利文獻1所揭示的「馬達控制裝置與速度信號產生方法」。專利文獻1係將藉由二相脈波列信號或串列通信所得的位置檢測信號予以差分演算而產生速度檢測信號，且調整速度信號產生時的濾波(filtering)處理方法而一邊提升速度分解能一邊使延遲時間最小化。於本方式中，在使用高分解能編碼器時係使用由串列通信而得的位置檢測信號。

(先前技術文獻)

(專利文獻)

[專利文獻1]日本特開2008-228446號公報

本案的發明人係特定出上述習知系統中存有的以下問題。由於串列匯流排59的頻帶寬度有限且以一定週期離散地發送資料，故伺服放大器100及編碼器200必須等待所有的位置資料被串列匯流排傳送，當伺服放大器100在等待來自編碼器200的位置資料的接收時，馬達11之位置將會從由位置資料所示的位置變化。結果，於習知技術中，由伺服放大器100所算出的馬達11之現在位置係包含有延遲。另外，由於串列匯流排的傳送週期，而將導致於伺服放大器內的位置資料出現某種程度的離散性時間誤差。更且，速度資料係使用差分濾波演算而由位置資料算出。因而，速度資料將含有因位置資料的誤差及延遲所致的相當大的誤差及延遲。尤其，若串列通信週期較長，則於速度演算中將需要時間常數較長的濾波處理，而使因濾波特性所致的延遲也將隨之增大。由於速度資料係使用於速度回授控制，故速度算出中的誤差及延遲有引起控制之不穩定性的可能性，控制的不穩定性則有導致伺服性能降低的可能性，另外，例如亦有使生產線等的生產力降低之虞。

因而，要求有可以更即時地檢測位置/速度且接著進行馬達速度之控制的系統。

第1圖之習知系統1000係具有：動態(motion)控制部4，其係根據由使用者撰寫且由動態控制部4本身予以執行 的程式而產生控制伺服系統的指示。該等指示係經由動態控制通信線8而向伺服放大器100作為數位信號或類比信號而發送。動態控制通信線8例如可使用Ethernet(註冊商標)或專用串列通信等各種網路連接而實施。位置控制部57係對速度控制部56指示藉由動態控制部所指示的所期望之速度。

本發明係有鑑於上述問題而研發者，其目的為獲得一種一體型伺服系統、馬達系統及馬達之控制方法，其可將位置資料及/或速度資料高速/高精確度地向伺服控制電路傳送。

為了解決上述課題，達成目的，本發明係採用一體型伺服系統，其係具有：位置檢測部，檢測馬達之位置演算用檢測資料；以及位置信號處理器，根據前述所檢測的位置演算用檢測資料而演算前述馬達的位置。一體型伺服系統的特徵係復包含伺服控制電路，根據前述所演算的位置資料，控制前述馬達；以及平行匯流排，將前述所演算的位置資料從前述位置信號處理器往前述伺服控制電路發送。藉由採用一體型伺服系統，而不會有伺服放大器(servo amp)與伺服馬達間的距離係依存於使用者的情形，而可由伺服系統製造商任意地予以設計，故可將伺服控制電路與位置信號處理器接近配置，而可採用平行匯流排。

另外，本發明亦包含：演算含有前述馬達之現在位置的前述馬達位置資料；以及經由平行匯流排而將前述演算 後的位置資料向伺服控制電路發送。該方法尚以前述伺服控制電路接收前述所演算的位置，並根據前述接收的位置資料而控制前述馬達。

本發明之一體型伺服系統、馬達系統及馬達之控制方法係具有可以將位置資料及/或速度資料高速/高精確度地向伺服控制電路傳送的效果。

以下係根據圖式詳細說明本發明之一體型伺服系統、馬達系統及馬達之控制方法的實施形態。又，本發明並非由該實施形態所限定者。本發明之實施形態係至少效力於解決上述問題及/或缺點和非上述缺點的其他缺點。但，本發明並無克服上述缺點的需要，本發明之實施形態亦有未克服上述問題的情形。

於以下說明中，對於相同的構成要件即使在不同圖式間亦使用相同的元件符號。詳細的構成和構成要件等定義於說明書的事項係有助於深入理解本發明。但，即使並未被具體定義的事項仍可實施本發明。另外，由於不必要的詳細說明將導致本發明不明瞭，故在此對於周知的功能和構成並不進行詳細說明。

藉由參考附加圖式而說明本發明之特定實施形態，可使本發明的上述態樣及/或其他態樣更為明瞭。

(實施形態)

於本實施形態中，係對於具有一體型伺服系統的馬達 控制系統2000進行說明。第2圖係表示作為實施形態之馬達系統的馬達控制系統2000的構成。反相器電路10、馬達11、位置檢測部13、以及電流控制IC19等數個構成部係與第1圖所記載的相同。一體型伺服系統3係具有控制馬達11之位置及速度的伺服控制電路15。

於一體型伺服系統3中，係以位置檢測部13檢測馬達11的位置演算用檢測資料，且向算出馬達位置/速度的位置信號處理器14輸出。由位置信號處理器14算出的位置/速度係經由取代串列匯流排(於第1圖所示)的平行(parallel)匯流排16而向伺服控制電路15輸出。

位置信號處理器14係根據馬達11之位置而算出馬達11之速度。亦即，位置信號處理器14係以預定間隔取得馬達11之位置的差分等而演算速度。之後，位置資訊及/或速度資料係經由平行匯流排16而向伺服控制電路15發送。

本實施形態的一體型伺服系統由於係採用頻帶寬度較串列匯流排大且高速的平行匯流排16，故可以高速/高精確度地向伺服控制電路15傳送位置資料及/或速度資料。藉此，相較於藉由串列通信所發送的位置差分/濾波處理而得的速度資料，可以獲得延遲時間/離散化誤差較少的速度資料，而可期待速度回授反應性能的提升。另外，由於平行匯流排16係以高速傳送資料，故即使為在位置信號處理器14內算出的速度，亦可在不降低位置資料傳送速度的情況下進行發送。位置資料係為了位置控制而被回送至 伺服控制電路15。

馬達控制系統2000係復具有與第1圖之情形相同的動態控制部4。動態控制部4係發出控制轉換器部2及一體型伺服系統3的要求，且將該等要求向轉換器部2發送。動態控制部4的要求係於轉換部2的動態控制介面(I/F)電路22被接收，之後，該等要求係向轉換器部2的轉換器控制處理部(PU)23傳送。由於轉換器控制處理部23係產生控制轉換器電路6的指示信號，故轉換器電路6係依據藉由動態控制介面電路22所接收的要求而被控制。另外，轉換器控制處理部23係產生以一體型伺服控制系統3控制具有反相器電路10、馬達11、位置檢測部13、位置信號處理器14、以及伺服控制電路15的回授電路的指示。由轉換器控制處理部23所產生的指示係經由轉換器/反相器通信線21而從反相器介面電路(INV I/F24)發送。轉換器/反相器通信線21係用於將位置/速度指令從動態控制部4往伺服控制部15傳送。轉換器/反相器通信線21係亦使用於將實際的馬達位置/速度/電流監視資料與其他狀態(status)資料從伺服控制電路15向動態控制部4傳送。

就優於習知技術的本實施形態之另一明顯特徵而言，係伺服放大器100的數個構成要件與馬達間的一體化。例如，速度處理及控制電路(反相器電路10、電流控制部IC55、速度控制部56、以及速度處理器54)係與馬達和位置檢測電路一體化，而構成於第2圖所說明的一體型伺服系統3。以往，馬達與伺服系統間係藉由長纜線連接 而分離，且以串列通訊發送位置檢測資訊，故此有對於伺服系統內之位置資料向控制電路的傳達更加上延遲的可能。平行通信則因位元間的同步和干擾(crosstalk)的問題而於配線長度有其極限而無法採用於習知的伺服系統中。因此，藉由設置一體型伺服系統3，於伺服控制電路15與位置信號處理器14之間設置平行資料連結(平行匯流排16)，即可明顯地減低對於位置檢測部13和控制馬達11的電路的發送間的延遲時間。藉此，由於在伺服放大器100所獲得的位置/速度資訊成為更即時且高精確度，故可提升伺服系統之控制性能而能防止例如製造線等的生產力降低。

另外，可將控制馬達之速度、位置、加速度等的構成要件和演算位置及速度的電路要件設置於同一電路基板上。藉此，由於可更縮短平行匯流排16的配線長度，故可更不易收到雜訊的影響而提昇發送速度。

又，伺服控制電路15、位置檢測部13、以及位置信號處理器14亦可於同一處理器或同一晶片內實現。此時可更縮短配線長度而不易受到雜訊之影響，而可進行高速通信。

於以下對於伺服控制電路進行更詳細的說明。

伺服控制電路15係具有：雙埠記憶體(Dual port Memory，簡稱DPM)17；伺服控制處理部(PU)18；電流控制IC19；以及轉換器介面電路(CNV I/F)20。由位置檢測部13所檢測的位置和由位置信號處理器14所算出的速度 係經由平行匯流排16而傳送後，被記憶於雙埠記憶體17。藉由雙埠記憶體17即可進行來自伺服控制處理部18的非同步存取，而可無關存取時間點等而輕易地實現通信電路。伺服控制處理部18係構成為根據馬達11之位置及速度而產生對於電流控制IC19的指示。電流控制IC19係根據來自伺服控制處理部18的指示而控制反相器電路10。伺服控制處理部18係依據經由轉換器介面20而接收的資訊而給予電流控制IC19指示。轉換器介面電路20係構成為接收通過轉換器/反相器通信線21而傳送的資訊的電路。轉換器/反相器通信線21可藉由使用利用Ethernet(註冊商標)等的周知的各種動態網路連接而實施。

例如，平行匯流排16於藉由位元數而計測匯流排寬度和位置資料的分解能時，亦可具有位置資料的分解能以上的匯流排寬度。若匯流排寬度為位置資料分解能以上，則成為可將編碼器一旋轉內位置資訊以一次發送予以發送，而可使通信延遲最小化。此外，亦可將安裝位置信號處理器14的基板與安裝伺服控制電路15的基板藉由長度未滿20cm的纜線連接。另外，由於可藉由平行匯流排16而沒有顯著誤差和延遲地將位置資料向伺服控制電路15發送，故速度資料亦可取代以位置信號處理器14算出的方式而採用由伺服控制電路15算出的方式。

參照第3圖，說明馬達控制系統3000之一實施例。於本實施形態中，第2圖之轉換器部2係與第2圖之一體型伺服系統3一體化而成為一體型伺服系統103。馬達控 制系統3000的大多數構成要件的功能與馬達控制系統2000類似。例如，馬達控制系統3000係具有：電源1、動態控制部4、馬達11、位置檢測部13、位置信號處理器14、伺服控制電路15、反相器電路10、以及動態控制介面電路22等。

於上述實施例中，由於在電子封箱(cabinet)內不需要轉換器部的空間，故藉此可更縮小電子封箱的大小。另外，輸入電線纜線僅有AC電線5。因而，可使配線更為簡單而減低誤配線的可能性。

上述實施形態僅為例示，而不應被解釋為用以限定本發明。於此揭示之內容亦可輕易地適用於其他種類之裝置。另外，本發明之實施形態的記載係以說明為目的，而非用以限定申請專利範圍。另外，對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者而言，當然可進行各種代替、改良、變更。

(產業上的可利用性)

如上所述，本發明之一體型伺服系統、馬達系統及馬達之控制方法係有用於適用在工作機器內等的驅動各種機器負載的控制系統。

1‧‧‧電源(電性幹線)

2‧‧‧轉換器部

3、103‧‧‧一體型伺服系統

4‧‧‧動態控制部

5、7、12‧‧‧電線

6‧‧‧轉換器電路

8‧‧‧動態控制通信線

10‧‧‧反相器電路

11‧‧‧馬達

13‧‧‧位置檢測部

14‧‧‧位置信號處理器

15‧‧‧伺服控制電路

16‧‧‧平行匯流排

17‧‧‧雙埠記憶體

18、23‧‧‧處理部

19‧‧‧電流控制IC(積體電路)

20‧‧‧轉換器介面電路

21‧‧‧轉換器/反相器通信線

22‧‧‧動態控制介面電路

24‧‧‧反相器介面電路

51‧‧‧信號處理部IC

52‧‧‧串列發送部

53‧‧‧串列接收部

54‧‧‧速度處理器

55‧‧‧電流控制部IC(IC)

56‧‧‧速度控制部

57‧‧‧位置控制部

59‧‧‧串列匯流排

100‧‧‧伺服放大器

200‧‧‧編碼器

1000‧‧‧系統

2000、3000‧‧‧馬達控制系統

第1圖係表示習知馬達系統之圖。

第2圖係表示實施形態之馬達系統的一例之圖。

第3圖係表示實施形態之另一馬達系統的一例之圖。

1‧‧‧電源(電性幹線)

2‧‧‧轉換器部

3‧‧‧一體型伺服系統

4‧‧‧動態控制部

5、7、12‧‧‧電線

6‧‧‧轉換器電路

8‧‧‧動態控制通信線

10‧‧‧反相器電路

11‧‧‧馬達

13‧‧‧位置檢測部

14‧‧‧位置信號處理器

15‧‧‧伺服控制電路

16‧‧‧平行匯流排

17‧‧‧雙埠記憶體

18、23‧‧‧處理部

19‧‧‧電流控制IC(積體電路)

20‧‧‧轉換器介面電路

21‧‧‧轉換器/反相器通信線

22‧‧‧動態控制介面電路

24‧‧‧反相器介面電路

2000‧‧‧馬達控制系統

Claims (12)

1. 一種一體型伺服系統，係具有：位置檢測部，檢測馬達之位置演算用檢測資料；位置信號處理器，根據前述所檢測的位置演算用檢測資料而演算前述馬達的位置；伺服控制電路，根據前述所演算的位置資料，控制前述馬達；以及平行匯流排，將前述所演算的位置資料從前述位置信號處理器往前述伺服控制電路發送。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一體型伺服系統，其中，前述位置信號處理器係演算前述馬達之速度資料，前述被演算的速度資料係與前述被演算的位置資料一起經由前述平行匯流排而向前述伺服控制電路發送。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一體型伺服系統，其中，前述平行匯流排的匯流排具有前述位置資料之位元分解能以上之寬度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之一體型伺服系統，其中，前述平行匯流排係連接於前述伺服控制電路內的雙埠記憶體。
5. 如申請專利範圍第1項所述之一體型伺服系統，其中，安裝前述位置信號處理器的基板與安裝前述伺服控制電路的基板係藉由長度未滿20cm的纜線連接。
6. 如申請專利範圍第1項所述之一體型伺服系統，其中，前述位置檢測部、位置信號處理器、伺服控制電路、 以及前述平行匯流排係設置於同一安裝基板。
7. 如申請專利範圍第1項所述之一體型伺服系統，其中，前述位置檢測部、前述位置信號處理器、前述伺服控制電路、以及前述平行匯流排係設置於同一晶片。
8. 一種馬達系統，係具有：轉換器部；以及如申請專利範圍第1項所述的一體型伺服系統；其中，前述轉換器部係給予前述一體型伺服系統位置控制指令或速度控制指令。
9. 一種馬達控制方法，係包含有下述步驟：演算含有馬達之現在位置的馬達位置資料；經由平行匯流排而將前述演算的位置資料向伺服控制電路發送；以前述伺服控制電路接收前述所演算的位置資料；以及根據前述接收的位置資料而控制前述馬達。
10. 如申請專利範圍第9項所述之馬達之控制方法，復包含有下述步驟：演算前述馬達之速度資料；以及將前述演算的速度資料與前述演算的位置資料一起經由前述平行匯流排而向前述伺服控制電路發送。
11. 如申請專利範圍第9項所述之馬達之控制方法，其中，前述平行匯流排的匯流排寬度為前述位置資料之位元分解能以上。
12. 如申請專利範圍第9項所述之馬達之控制方法，其中， 前述平行匯流排係連接於前述伺服控制電路內的雙埠記憶體。