TW201351082A - 用以自動地估計機械系統中的慣性及用以產生動作分佈的方法 - Google Patents

用以自動地估計機械系統中的慣性及用以產生動作分佈的方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種用以對受控制機械系統估計慣性與摩擦係數的系統及方法。在一或多個具體實施例中，慣性估計器可在測試序列期間產生隨時間持續改變的轉矩命令信號。回應時變轉矩命令信號的動作系統之速度是在測試序列期間予以測量並且記錄。慣性估計器接著以傳送給動作系統的轉矩命令資料及測量到的速度資料為基礎估計動作系統的慣性及/或摩擦係數。提供系統及方法也是為了產生限制條件式、時間最佳化動作分佈以控制動作控制系統中點對點移動的軌跡。在一或多個具體實施例中，分佈產生器可計算包括有對於至少一動作分佈區段隨時間持續改變之急衝參考的ST曲線動作分佈，藉以產生平順、時間最佳化的軌跡。

Description

用以自動地估計機械系統中的慣性及用以產生動作分佈的方法 相關申請案的對照參考
本申請案主張2012年4月20日所申請的第13/451,924號美國申請案及2012年5月18日所申請的第13/474,919號美國申請案的優先權利益，兩申請案的完整內容係合併引用於本文中。
本揭露一般係關於作為動作控制系統中之參數及產生限制條件式、時間最佳化動作分佈之慣性及摩擦係數的動作控制，尤其是關於估計。
許多自動化應用利用動作控制系統以控制機器位置及速度。此等動作控制系統一般包括一或多個受控制器導引而運轉的馬達或類似致動裝置，控制器根據使用者自定的控制演算法或程式將位置及速度控制指令傳送給馬達。某些動作控制系統在閉迴路配置中運作，控制器藉以指示馬達移動到目標位置或轉換到目標速度(期望狀態)並且接收表示馬達真實狀態的回授資訊。控制器監測回授資訊以判斷馬達是否已達目標位置或速度、並且 調整控制信號以修正真實狀態與期望狀態之間的誤差。
動作控制系統的設計者追求動作速度與系統穩定性之間達到最佳取捨。例如，若控制器命令馬達以高轉矩將機械性組件轉換到目標位置，機器可在開始時以高速度(從而為最有時效的方式)拉近目標位置與期望位置之間的距離，但由於高轉矩而有可能超出期望位置。因此，控制器必須應用修正信號將機器帶回期望位置。這會在動作系統收斂到期望位置之前用到許多此等迭代而產生不想要的機器振盪。相反地，指示馬達以較低轉矩移動可提升初始狀態轉換的精確性並且降低或消除機器振盪，但將增加把機器放置在期望位置所需用到的時間。理論上，應該選擇控制器增益係數以最佳化狀態轉換速度與系統穩定度之間的取捨。對控制器選擇合適增益係數的程序係已知為調諧(tuning)。
受控制機械系統對於來自具有一組給定控制器增益係數之控制器之信號的反應取決於機械系統包含慣性及摩擦係數在內的物理特性。慣性代表動作系統對加速或減速的抵抗。摩擦係數代表馬達看到的摩擦力，如介於轉子與軸杆(shaft)之間的摩擦力。對於受控制機械系統慣性及摩擦係數的精確估計可簡化調諧程序並且改善系統效能。然而，識別這些參數的精確值對於給定的機械系統會有難度。在某些情況下，慣性係利用基於額定馬達資料及包含有負載之組件之物理資料(重量、尺寸等)的人工計算予以估計。此等計算可繁重且耗時，並且對於重要參數可能無法得出精確值。
在動作控制的另一態樣中，動作分佈通常係用於促進位置或速度狀態之間的轉換。例如，當控制器判斷動作系統必 須移動到新位置或改變其速度時(例如，根據控制演算法或使用者要求)，控制器必須計算稱為動作分佈的位置或速度軌跡以將動作系統由其目前位置/速度轉換到目標位置/速度。動作分佈在系統由目前狀態移至目標狀態時界定動作系統隨時間而變的速度、加速度、及/或位置。計算了此動作分佈後，控制器就將動作分佈轉化成適當的控制信號以透過此分佈所界定的軌跡移動此動作系統。
在某些應用中，動作分佈的各種區段(或狀態)係基於預定的使用者自定限制條件(例如，最大速度、最大加速度等)予以計算，其中所界定的限制條件可對應於動作系統的機械性極限。給定這些限制條件及期望的目標位置及/或速度後，控制器將計算用來實施期望移動或速度變更的動作分佈。產生的動作分佈亦為控制器經配置而產生之分佈類型的函數，通常呈梯形分佈或S曲線分佈。就梯形分佈而言，控制器將根據加速階段、定速階段、以及減速階段等三個明顯不同的階段計算動作分佈。此分佈產生梯形速度曲線。S曲線分佈類型藉由增加四個對應於這些轉換的附加階段修改梯形分佈。這些附加階段容許定(或零)速階段與固定加速/減速階段之間逐漸轉換，其提供較平順的動作並且使動作分佈控制程度較細微。
由於梯形分佈總是以最大界定加速率(acceleration rate)加速或減速，此分佈類型相對於S曲線分佈易於達到最快點對點動作。然而，由於定(或零)速與加速階段之間的轉換急遽，梯形曲線會於這些轉換產生過大的系統急衝。另外，使用梯形動作分佈時存在超出目標位置或速度的風險，這會降低精確度或使控制器消耗將動作裝置帶回期望目標的額外作業及穩定時間。或 者，S曲線分佈因定速與加速/減速階段之間的轉換更漸進而可產出較大的精確度，但需對初始點對點移動花費額外的時間成本。
以上說明的目的僅在於提供面對傳統動作控制系統時某些挑戰的概述。傳統系統的其它挑戰及本文所述各種非限制性具體實施例的對比效益經由閱讀下文說明而變得更明顯。
下文呈現一或多個具體實施例的簡化概要以便提供此等具體實施例的基本理解。此概要不是所有經過深思熟慮之具體實施例的延伸概述，其意圖既不在於識別所有具體實施例之重點或關鍵要素也不在於描述任何或所有具體實施例的範疇。其目的在於以簡化形式呈現一或多個具體實施例的某些概念作為隨後所呈現更加詳細說明的序言。
本揭露的一或多個具體實施例係關於用來對受控制機械系統自動地估計慣性及摩擦係數的系統及方法。為達此目的，慣性估計系統可指示控制器將轉矩控制信號傳送到馬達，其中轉矩控制信號隨時間在已界定最大與最小轉矩值之間持續變化。轉矩控制信號可基於慣性估計系統所界定的測試序列予以控制。在非限制性實施例中，測試序列可指定轉矩控制信號將以所界定的增加率逐漸增加而使馬達加速。轉矩控制信號呼應所界定之觸發可逐漸降回零而使馬達減速到靜止狀態。
在加速及減速階段期間，慣性估計系統可測量並且記錄馬達隨時間回應轉矩控制信號的速度。慣性組件接著可基於時變轉矩信號及測量到的速度曲線對機械系統判斷估計慣性及估計摩擦係數之一或兩者。
本揭露的其它態樣係關於用來有效率地產生限制條件式、時間最佳化動作分佈系統及方法。為達此目的，部署在控制器內的分佈產生器可制衡(leverage)數學演算法以即時解答限制條件式、時間最佳化點對點動作並且基於此解答計算軌跡。為了達到平順及精確的點對點動作，分佈產生器可基於ST曲線分佈類型計算軌跡，其對於分佈之至少一加速或減速區段隨時間產生具有連續急衝參考的分佈。對照於傳統梯形或S曲線分佈，藉由計算包括有時變急衝參考的動作分佈，本揭露的分佈產生器可產生比較平順並且更加穩定的動作。
分佈產生器所產生的ST曲線分佈可支援非對稱性加速及減速階段。傳統上，非對稱性加速及減速係僅藉由梯形分佈而不藉由較平滑的S曲線分佈予以支援。根據本文所述技術而產生的ST曲線可容許非對稱性加速及減速而隨較平順的動作分佈予以使用。在某些具體實施例中，本文所述的分佈產生器亦可產生支援非對稱性加速與減速的S曲線分佈。
在另一態樣中，本文所述分佈產生器的一或多個具體實施例可藉由省略不在最終軌跡使用之軌跡區段計算而改良計算效率。亦即，即使在不使用一或多個區段的情況下仍不對所有七個分佈階段計算分佈資料，本文所述的分佈產生器可僅計算那些將對於給定軌跡用在最終動作分佈的分佈階段。分佈產生器可自動地判斷可對給定點對點移動略過動作分佈的那個或那些區段並且因而計算剩餘其它區段。
根據另一態樣，本文所述分佈產生器的一或多個具體實施例可進一步藉由強迫總分佈時間為動作控制器之樣本時間 之倍數以改良點對點移動的精確性及效率。在示例性技術中，分佈產生器可對給定之點對點移動計算時間最佳化解決方案、判斷所產生分佈各別區段的持續時間、以及凑整(round)這些持續時間到樣本時間的倍數。分佈產生器接著可重新計算急衝、加速/減速、速度及/或位置參考俾令此分佈與這些凑整過的分佈時間一致。因此，軌跡輸出可對準樣本點而緩和對於補償總分佈時間落在兩取樣時間之間時所帶來之小差異的需求。
本文所提出之底下說明及附加圖式詳述一或多個具體實施例之特定描述性態樣。然而這些態樣表示但為少數幾個各種具體實施例之原理可用於其中的各種方式，以及所述具體實施例的目的在於包括所有此等態樣及其等效態樣。
102‧‧‧控制器
104、424、704‧‧‧馬達
106‧‧‧負載
108‧‧‧控制信號
110‧‧‧回授信號
202、302、402、602、706、802‧‧‧慣性估計器
204、408‧‧‧轉矩命令產生器
206、410、606‧‧‧速度監測組件
208、606‧‧‧慣性組件
210、608‧‧‧摩擦係數組件
212‧‧‧介面組件
214‧‧‧處理器
216‧‧‧記憶體
304、710‧‧‧速度回授
306‧‧‧轉矩界限
308‧‧‧速度檢查點
310、414‧‧‧轉矩命令
312‧‧‧慣性估計值
314‧‧‧摩擦係數估計值
406、1108‧‧‧介面組件
412‧‧‧使用者自定參數
416‧‧‧速度資料
418、702‧‧‧控制器
420‧‧‧控制信號
422‧‧‧回授
424‧‧‧動作系統
502‧‧‧轉矩曲線圖
504‧‧‧速度曲線圖
604‧‧‧轉矩命令產生器
610‧‧‧慣性J
612‧‧‧摩擦係數B
614‧‧‧馬達控制器
708‧‧‧轉矩命令信號
712‧‧‧切換器
804‧‧‧調諧應用
806‧‧‧調諧控制器
808‧‧‧馬達系統慣性J
810‧‧‧摩擦係數B
812‧‧‧控制器增益
814‧‧‧控制系統頻寬
816‧‧‧介面
900、1000‧‧‧實施例方法
902、904、906、908、1002、1004、1006、1008、1010、1015、1014、2002、2004、2006、2008、2102、2104、2106、2108、2110、2112、2114、2202、2204、2206、2208、2210‧‧‧步驟
1102‧‧‧動作分佈產生系統
1104‧‧‧位置分佈產生器
1106‧‧‧速度分佈產生器
1110‧‧‧處理器
1112‧‧‧記憶體
1200‧‧‧動作控制系統
1202‧‧‧主控制器
1204‧‧‧動作限制條件
1206‧‧‧分佈產生器
1208‧‧‧控制器、目的位置或速度
1210‧‧‧控制程式
1212‧‧‧動作分佈
1214‧‧‧馬達控制器、動作控制器
1216‧‧‧控制信號
1218‧‧‧取樣時間
1220‧‧‧回授信號
1222‧‧‧馬達驅動裝置
1302‧‧‧位置分佈產生器
1304‧‧‧限制條件
1306、1406‧‧‧動作分佈
1308‧‧‧位置步階命令
1402‧‧‧速度分佈產生器
1404‧‧‧限制條件
1408‧‧‧速度設定點
2000、2100‧‧‧示例性方法
2200‧‧‧實施例方法
2310、2312‧‧‧計算物件
2320、2322、2324、2326、2328‧‧‧計算物件或裝置
2330、2332、2334、2336、2338‧‧‧應用
2340‧‧‧通訊網路、匯流排
2400‧‧‧計算系統環境
2410‧‧‧電腦
2420‧‧‧處理單元
2422‧‧‧系統匯流排
2430‧‧‧系統記憶體
2440‧‧‧輸入裝置
2450‧‧‧輸出介面
2470‧‧‧遠端電腦
2472‧‧‧網路
第1圖為簡化之閉迴路動作控制架構的方塊圖。
第2圖為示例性非限制性慣性估計系統的方塊圖。
第3圖為描述與慣性估計器相關之輸入與輸出的方塊圖。
第4圖為描述示例性測試序列期間慣性估計器與動作控制系統之間互動的方塊圖。
第5圖描述隨時間而變的示例性轉矩命令u(t)以及對應之速度回授v(t)。
第6圖為描述具有慣性組件和摩擦係數組件之慣性估計器的方塊圖。
第7圖為其中慣性估計器相對於動作控制器運作為獨立組件之示例性配置的方塊圖。
第8圖描述利用藉由慣性估計器所產生之估計慣性和摩擦係數的示例性動作控制時序應用。
第9圖為用於對受控制機械系統估計慣性和摩擦係數之實施例方法的流程圖。
第10圖為用於執行在動作控制系統上之測試序列以估計慣性和摩擦係數之實施例方法的流程圖。
第11圖為能夠在動作控制系統中產生動作分佈之示例性動作分佈產生系統的方塊圖。
第12圖為利用分佈產生器之示例性動作控制器的方塊圖。
第13圖為描述示例性位置分佈產生器之輸入與輸出的方塊圖。
第14圖為描述示例性速度分佈產生器之輸入與輸出的方塊圖。
第15圖為示例性ST曲線分佈與傳統梯形和S曲線分佈的圖形對照。
第16圖描述利用所有七個階段的示例性S曲線分佈。
第17圖描述略過定速階段的示例性S曲線動作分佈。
第18圖描述略過固定加速和固定減速階段的示例性S曲線分佈。
第19圖描述略過固定加速、定速、以及固定減速階段的示例性S曲線分佈。
第20圖為用於在動作控制系統中對於點對點移動計算動作分佈之實施例方法的流程圖。
第21圖為用於計算符合動作控制器之取樣時間之限制條件式時間最佳化動作分佈之實施例方法的流程圖。
第22圖為用於利用分段省略對於點對點移動計算動作分佈之實施例方法的流程圖。
第23圖為表示用於實現本文所述一或多個具體實施例之示例性網路式或分佈式計算環境的方塊圖。
第24圖為表示用於實現本文所述一或多個具體實施例之示例性計算系統或運作環境的方塊圖。
現在將參考圖式說明各種具體實施例，其中相同的元件符號通篇意指相同的元件。在下文的說明中，基於說明目的，提出許多特定細節以便提供對本揭露的理解。然而，要理解的是，此等具體實施例可不用這些特定細節而是用其它方法、組件、材料等予以實踐。在其它實例中，架構及裝置係以方塊形式表達以促進說明一或多個具體實施例。
本文所述的系統及方法意指用來產生估計慣性及摩擦係數給受控制機械系統的技術。本揭露的一或多個具體實施例可藉由透過要由本文作更詳細界定的測試序列操作機械系統以實質自動化方式估計這些參數。此測試序列的結果可用於產生精確的慣性及摩擦係數估計值給系統。這些估計參數後續可用於促進簡化並且精確調諧與控制動作系統。
慣性及摩擦係數估計
第1圖描述簡化的閉迴路動作控制架構。控制器102係經程式規劃用以控制其驅動機械性負載106的馬達104。控制器102、馬達104、以及負載106包含示例性動作控制系統的主要組件。在示例性非限制性應用中，負載106可代表單或多軸機器人或定位系統的軸件(axis)。在此等應用中，控制器102傳送控制信號108指示馬達以期望速度移動負載到期望位置。控制信號108可予以直接提供給馬達104、或提供給控制傳遞給馬達104之動力(因而還有馬達速度及方向)的馬達驅動件(圖中未示)。回授信號110實質即時地指出馬達104及/或負載106的目前狀態(例如位置、速度等)。在伺服驅動系統中，回授信號110可例如藉由編碼器或者追蹤馬達絕對或相對位置的解析器(圖中未示)予以產生。在沒有速度感測器的無感測系統中，回授信號可藉由速度/位置估計器予以提供。在移動運作期間，控制器監測回授信號110以確保負載106已精確抵達目標位置。控制器102將回授信號110所指出之精確負載位置與目標位置作比較，並且視需要調整控制信號108以降低或消除真實與目標位置之間的誤差。
在另一示例性應用中，負載106代表由馬達104予以驅動的旋轉負載(例如幫浦、清洗機器、離心機等)，其中控制器102控制負載的旋轉速度。在此實施例中，控制器102(經由控制信號108)提供指令使馬達104由第一速度轉換到第二速度並且基於回授信號110對控制信號108作必要的調整。要領會的是，本應用的參數估計技術不侷限於使用上述動作控制系統之示例性類型，而是可應用於任何適當的動作控制應用。
控制器102回應期望位置或速度與目標位置或速度 之間的誤差(如回授信號110之回報)所產生的控制信號輸出取決於控制迴路的增益係數。由於合適的增益選擇取決於所要控制之機械系統的物理特性，設計工程師必須時常利用嘗試錯誤法以識別合適的增益係數(亦即調諧控制迴路)。例如，具有高慣性(對於加速或減速的阻力)的機械系統可需要較高的慣性轉矩用來對新位置或速度啟始移動，特別是在應用需要對目標位置/速度快速收斂的情況。然而，高轉矩命令增加過衝的可能性，而需要反向修正將系統帶回目標。若系統在設定目標位置或速度之前實施多次修正迭代，非最佳化增益設定會產生不期望的機械性振盪。此等振盪會引起不穩定而造成系統延遲以及因為將系統帶向穩定狀態所需的附加作業而過度消耗動力。馬達摩擦也會影響機械系統對給定控制信號的回應，並且因而是調諧控制系統時所要考量的要素。
若已知機械系統的慣性及摩擦係數之估計值則可簡化控制系統調諧。這些參數的知識亦可改良系統在運作期間的效能。因此，本應用的一或多個具體實施例可用實質自動化方式精確地估計受控制機械系統的慣性及摩擦係數。
第2圖為能夠產生機械系統慣性及摩擦係數估計值之示例性非限制性慣性估計系統的方塊圖。慣性估計器202可包括轉矩命令產生器204、速度監測組件206、慣性組件208、摩擦係數組件210、介面組件212、一或多個處理器214、以及記憶體216。在各種具體實施例中，轉矩命令產生器204、速度監測組件206、慣性組件208、摩擦係數組件210、介面組件212、一或多個處理器214、以及記憶體218的其中之一或多個可電氣及/或交流 式(communicatively)耦接到另一個以實施慣性估計器202的一或多個功能。在某些具體實施例中，組件204、206、208、210、以及212可包含儲存在記憶體216內並且藉由處理器214予以執行的軟體指令。慣性估計器202亦可與未示於第2圖的其它硬體及/或軟體組件互動。例如，處理器214可與一或多個如鍵盤、滑鼠、顯示監視器、觸控螢幕、或其它此種介面裝置之類的外部使用者介面裝置互動。
介面組件212可配置用來接收使用者輸入並且以適當格式提供輸出給使用者(例如視訊、音訊、觸覺性等)。例如，使用者輸入可為慣性估計器在執行慣性估計序列(底下有更詳細的說明)時所使用的使用者輸入參數。轉矩命令產生器204可配置用來輸出根據所界定的測試序列隨時間持續改變的轉矩控制命令。速度監測組件206可接收速度資料給機械系統用來計算慣性及摩擦係數。在某些具體實施例中，速度監測組件206可測量並且記錄馬達隨時間回應轉矩命令產生器204所產生之所施加之轉矩控制命令的速度。或者，速度監測組件206可從單獨的測量儀器接收測量到的速度資料。慣性組件208及摩擦係數組件210可配置基於轉矩命令產生器204所產生的時變轉矩命令以及速度監測組件206所取得的測量到的速度曲線用來分別計算慣性及摩擦係數。一或多個處理器214可引用所揭露的系統及方法實施一或多個本文所述的功能。記憶體216可為儲存電腦可執行指令及/或資訊引用所揭露的系統及/或方法用來實施本文所述功能的電腦可讀取式儲存媒體。
慣性估計器可藉由透過測試序列運行系統並且基於 結果計算估計值對機械系統的慣性及摩擦係數產生估計值。第3圖為描述與估計器302(類似於慣性估計器202)有關的輸入及輸出的方塊圖。慣性估計器302可產生指示馬達驅使動作系統以給定轉矩依照指定方向旋轉的轉矩命令310。慣性估計器302可控制轉矩命令310以致轉矩值隨時間在最大與最小轉矩值之間持續變化而不是發出一或多個以突發步階(其產生步階狀轉矩輸出)在固定轉矩值之間轉換的固定轉矩命令。慣性估計器302根據具有使用者自定參數的測試序列經由轉矩命令310控制轉矩值，底下將有更詳細的說明。
動作系統將根據慣性估計器302所發出的轉矩命令310加速或減速，而來自動作控制系統的速度回授304係提供給慣性估計器302。速度回授304代表動作系統隨時間回應所施加轉矩命令310的速度。在示例性測試序列中，慣性估計器302可控制轉矩命令310作為速度回授304及一或多個使用者自定設定點的函數。使用者自定設定點可包括一或多個界定轉矩命令信號上與下限的轉矩界限306、以及一或多個界定觸發速度閥用來控制轉矩命令310並且產生估計值的速度檢查點308。
一旦完成測試序列，慣性估計器302即產生動作系統之慣性312的估計值及/或動作系統之摩擦係數314的估計值。慣性估計器302基於發送到動作系統及對應之速度回授304的轉矩命令310以判斷這些估計值。在一或多個具體實施例中，慣性估計器302可隨著時間積分轉矩曲線(對應於轉矩命令310)和速度曲線(對應於速度回授304)的所選擇部份，並且計算慣性估計值312和摩擦係數估計值314作為這些積分的函數。
第4圖描述測試序列期間慣性估計器與動作控制系統之間的互動。在此實施例中，動作系統424包含馬達424，其回應控制器418所提供的控制信號420。馬達424係用於驅動負載(圖中未示)，如定位軸、機器的旋轉組件、或其它馬達驅動型負載。控制器418亦監測回授422，其提供具有馬達424的實質上即時狀態資料(例如，位置、速度等)。
在所描述的實施例中，慣性估計器402係為了清楚而描繪成分離自控制器418的元件。就此種配置而言，慣性估計器402可經由任何包括但不侷限於有線或無線網路、固線式資料連結、或其它類似通訊手段在內的任何通訊手段與控制器418或動作系統424之其它元件交換資料。在其它具體實施例中，慣性估計器402可為控制器418的整合式組件。例如，慣性估計器402可為控制器之作業系統及/或控制器418上一或多個處理器所執行之控制軟體的功能性組件。慣性估計器402亦可為置於控制器418內如電路板或積體電路之類與控制器418之其它功能性元件交換資料的硬體組件。慣性估計器402之其它適當的實現係落於本揭露特定具體實施例的範疇內。
在測試之前，一或多個使用者自定參數412係經由介面組件406(類似於搭配第2圖所說明的介面組件212)提供至慣性估計器402。。這些參數可包括界定轉矩命令產生器408(類似於第2圖之轉矩命令產生器204)所產生之轉矩命令上與下限的最大轉矩umax及最小轉矩umin。在某些具體實施例中，慣性估計器402可僅需要最大轉矩umax由使用者界定，並且可利用所界定最大轉矩的幅度(magnitude)作為前向及反向的界限值。在其它具體實施 例中，慣性估計器402可同時接受umax及umin兩數值而容許前向與反向分別有不同的轉矩設定點。選用給umax及umin的數值可對應於動作系統424的預期運作界限，藉以基於動作系統424在系統完整轉矩分佈上的特性決定慣性及摩擦係數。使用者自定參數412亦可包括界定關鍵速度用來界定測試序列階段的一或多個速度檢查點(v1,v2,v3…)，下文將作詳細說明。
介面組件提供具有使用者自定參數412的轉矩命令產生器408。當測試開始時，轉矩命令產生器408輸出轉矩命令414到動作系統424。轉矩命令414係以u(t)表示，理由是轉矩命令產生器408將隨時間持續改變轉矩命令。在第4圖所示的配置中，慣性估計器402傳送轉矩命令414到控制器418，轉矩命令依次(經由控制信號420)指示馬達424以指出之轉矩朝指出之方向旋轉。當該馬達旋轉，速度監測組件410從控制器418(其本身經由回授422測量馬達424的速度)讀取速度資料416。隨時間測量到的速度416係以v(t)表示。
隨著測試進行，轉矩命令產生器408可依據預界定測試序列改變轉矩命令414，其中測試序列的階段係藉由相對於使用者自定參數412的速度回授予以觸發。示例性測試序列係搭配第5圖予以說明，其描述依照時間繪製的示例性轉矩命令u(t)及對應的速度回授v(t)。如轉矩曲線圖502所示，轉矩命令u(t)係藉由umax以及umin予以約束。速度曲線圖504所示的速度檢查點v1、v2、以及v3將決定測試序列的階段轉換。umax、umin、v1、v2、以及v3等數值可在測試之前由使用者界定(例如，如同第4圖中的使用者自定參數)。
當測試從時間t=0開始時，所施加的轉矩信號u(t)及馬達速度v(t)都為零。一開始，轉矩命令產生器將負轉矩信號傳送到馬達系統，造成馬達系統以負方向加速。對於本示例性測試的第一階段，轉矩命令產生器逐漸減小轉矩命令u(t)直到馬達速度v(t)達到v1或直到轉矩命令u(t)達到umin。在本實施例中，馬達速度v(t)在時間t=t1達到v1，觸發測試的第二階段。如曲線圖502所示，轉矩命令u(t)在在時間t=0與t=t1之間以實質固定速度持續減小。在一或多個具體實施例中，轉矩命令減小或增大的速率(亦即u(t)的斜率)可(例如，經由介面組件406)配置成慣性估計器402的使用者自定參數。
對於測試的第二階段(開始於時間t=t1)，轉矩命令產生器逐漸增加轉矩命令u(t)直到馬達速度v(t)達到速度檢查點v3或轉矩命令u(t)達到轉矩設定點umax。在本實施例中，轉矩命令u(t)在馬達速度v(t)達到速度檢查點v3之前達到上限umax。由於馬達此時仍在加速，因此，轉矩命令產生器以umax維持轉矩命令信號直到速度v(t)達到v3。如速度曲線圖504所示，馬達速度於時間t=t4達到v3。若速度v(t)在轉矩命令信號已達umax之後，未在界定的逾時期間內達到速度檢查點v3(例如，若速度檢查點v3不小心設定高於動作系統的物理速限)，則慣性估計器可啟動適當的逾時處理程序。此逾時處理程序可包含例如中止測試序列並且經由介面組件406顯示錯誤訊息。
當動作系統在此階段期間朝v3加速時，速度通過速度檢查點v2，這表示測試序列的加速階段。速度檢查點v2係設定大於零及小於v3，並且係用於描述測試序列加速階段的開始以 及減速階段的結束，底下將有更詳細的說明。
一旦判斷馬達速度已達到v3，轉矩命令產生器即在時間t=t4藉由逐漸減小轉矩命令u(t)開始測試的第三階段。隨著轉矩命令u(t)減小，馬達將持續加速短暫時間直到轉矩命令u(t)的數值變得小於動作系統的摩擦力，馬達將於此時開始減速。由於馬達在速度於時間t=t3達到v3時仍在加速，因此，此速度將在轉矩命令開始減小之後持續通過v3若干時間。根據測試序列定義，轉矩命令產生器持續減小u(t)直到馬達速度v(t)(於時間t=t6)回到速度檢查點v3，並且此後保持u(t)固定直到馬達速度v(t)(於時間t=t7)回到速度檢查點v2。慣性估計器於此點具有其需要用來計算機械系統慣性及摩擦係數估計值的資料。轉矩命令產生器因而(於t=t8)將轉矩命令信號u(t)帶回零，容許動作系統滑向休眠狀態，如曲線圖504上v(t)曲線的漸減端(tapering end)所示。
以上搭配第5圖所述的測試序列目的僅在於表達示例性、非限制性測試序列。要理解的是，對動作系統隨時間持續改變轉矩命令u(t)並且測量所對應速度分佈v(t)的任何合適測試序列都落於本揭露特定具體實施例的範疇內。例如，雖然前述實施例說明轉矩命令u(t)反應達到各別速度檢查點之速度v(t)改變方向，某些測試序列可包括其中轉矩命令u(t)在達到速度檢查點時僅改變其速率增大或減小而不改變轉矩命令方向的階段(例如，遞增的轉矩命令可回應達到階段檢查點的v(t)持續增大，但速率較慢)。
實施前述測試序列時，慣性估計器402記錄轉矩命令產生器408所產生的轉矩命令信號u(t)以及速度監測組件410 所讀取的對應之馬達速度v(t)。這些轉矩及速度曲線特徵化動作系統424，以致可基於曲線計算慣性及摩擦係數的精確估計值。在一或多個具體實施例中，慣性估計器基於u(t)及v(t)的積分計算這些估計值。下文對於制衡u(t)及v(t)的積分描述示例性、非限制性技術以導出動作系統慣性及摩擦係數的估計值。
動作系統可藉由微分方程式予以描述：
其中J為慣性、B為摩擦係數、u(t)為轉矩命令信號、以及v(t)為動作系統回應轉矩信號u(t)的對應速度(例如，以上搭配第4及5圖所述的u(t)及v(t))。對加速與減速階段積分方程式(1)兩邊得到：J△v acc (t)=-Bʃv acc (t)+ʃu acc (t) (2)
J△v dec (t)=-Bʃv dec (t)+ʃu dec (t) (3)
其中uacc(t)及vacc(t)分別為u(t)及v(t)對應於測試序列加速階段的部份，以及udec(t)及vdec(t)分別為u(t)及v(t)對應於減速階段的部份。
可解答方程式(2)及(3)以得到慣性J及摩擦係數B的估計值：
對於第4圖所示的示例性轉矩及速度曲線，加速階段的期間開始於速度v(t)於第一時間(時間t=t3)達到速度檢查點v2 時並且結束於轉矩信號u(t)(於時間t=t5)交錯零時。動作系統於加速階段結束時的速度記錄為v4(如曲線圖504所示)。減速階段的期間於轉矩信號u(t)(於時間t=t5)交錯零時開始並且於速度v(t)(於時間t=t7)回到v2時結束。慣性估計器402可配置認知(recognize)這些加速及減速階段描述(delineation)以便基於上述方程式(4)及(5)導出估計的慣性及摩擦係數。要領會的是，用於描述加速及減速階段的其它準則亦在本揭露特定具體實施例的範疇內。
給定這些加速及減速階段定義，uacc(t)和udec(t)的積分係分別以曲線圖502標示Uacc和Udec的陰影區予以表示，以及vacc(t)和vdec(t)的積分係分別表示成曲線圖504標示Vacc及Vdec的陰影區。因此，Uacc、Udec、Vacc、以及Vdec係界定如下：U acc =ʃu acc (t) (6)
U dec =ʃu dec (t) (7)
V acc =ʃv acc (t) (8)
V dec =ʃv dec (t) (9)
將方程式(6)到(9)帶入方程式(4)及(5)，慣性J及摩擦係數B可表示為：
其中速度差量△v acc (t)及△v dec (t)係界定為：△v acc (t)=v4-v2 (10)
△v dec (t)=v2-v4 (11)
方程式(12)及(13)為基於連續轉矩及速度資料用於對動作系統計算估計之慣性及摩擦係數的示例性、非限制性公式。要領會的是，透過連續轉矩信號及對應之速度曲線計算這些參數的任何適當公式都在本揭露特定具體實施例的範疇內。
一旦完成上述搭配第4及5圖的測試序列，慣性估計器可將方程式(12)及(13)(或其它適當公式)應用於測試所得的連續轉矩資料u(t)及馬達速度資料v(t)以導出慣性及摩擦係數估計值。第6圖為根據本揭露一或多個具體實施例描述具有慣性組件606及摩擦係數組件608的慣性估計器602。雖然慣性估計器602是描述成包括慣性組件606及摩擦係數組件608兩者，要領會的是，慣性估計器602的某些具體實施例可僅包括這些組件的其中之一而不脫離本揭露的範疇。亦即，慣性估計器602亦配置用來計算慣性或摩擦係數之一或兩者。
在取得轉矩資料u(t)及速度資料v(t)之後，轉矩命令產生器604(類似於轉矩命令產生器408及204)提供轉矩資料至慣性組件606及摩擦係數組件608(類似於分別在第2圖所示的慣性組件208及摩擦係數組件210)。類似地，速度監測組件606可提供所取得的速度資料v(t)至慣性組件606及摩擦係數組件608。根據一或多個具體實施例，慣性估計器602可將轉矩及速度資料分成加速階段資料(uacc(t)和vacc(t))及減速階段資料(udec(t)和vdec(t))，以至於可根據上述方程式(6)至(9)導出Uacc、Udec、Vacc、以及Vdec的數值。
慣性組件606可積分uacc(t)、udec(t)、vacc(t)、以及vdec(t)並且(例如，以方程式(12)或其變形為基礎)計算估計慣性J 610為 積分的函數。類似地，摩擦係數組件608可(例如，以方程式(13)為基礎)計算估計摩擦係數B 616為積分的函數。慣性估計器602可根據其中有慣性估計器運作的特定應用要求接著輸出估計慣性J 610及摩擦係數B 612。例如，慣性估計器602可提供慣性J 610及摩擦係數B 612至可使用數值J及B促進調諧一或多個增益係數的馬達控制器614。慣性估計器602亦可(例如，經由介面組件212)輸出J與B估計值至顯示器以至於可觀視數值並且予以手動輸入分離的馬達控制或調諧應用。馬達系統之慣性J 610與摩擦係數B 612的精確估計值可簡化調諧過程並且促進精確的參數調諧，而得到精確且具有能量效率的機器動作。另外，由於慣性估計器基於透過動作系統的整個轉矩分佈收集到的資料(而非以系統對一或多個固定轉矩命令之響應為基礎的外差推算)計算數值J與B，慣性估計器所導出的慣性與摩擦係數估計值在動作系統的全操作範圍內更有可能精確。
即使前述實施例已就透過控制器操作的分離組件或控制器的整合組件說明慣性估計器經由動作控制器(例如第4圖的控制器418)傳送轉矩命令u(t)及接收速度回授v(t)，其它配置仍屬於本揭露特定具體實施例的範疇。例如，第7圖描述其中慣性估計器706運作成獨立於控制器702之分離組件的架構。在此示例性架構中，慣性估計器706能夠產生其本身的命令信號而與控制器702無關。受測試及控制的馬達704取決於切換器712的狀態可從控制器702或慣性估計器706接收其轉矩命令信號708。來自馬達704的速度回授710可提供至控制器702及慣性估計器706兩者。在測試序列期間，切換器712可設定傳達來自慣性估計器 706的轉矩命令u(t)。測試可如前述實施例進行，以致慣性估計器706產生動作系統慣性J及摩擦係數B的估計值。慣性估計器706可接著提供J及B的估計值到可使用這些數值判斷適當控制器增益係數或其它控制參數的控制器702。一旦控制器參數已設定，即可定位切換器712從控制器702提供轉矩命令708至馬達704，以及動作系統的正常操作可使用基於J及B導出的控制器增益係數予以實施。
第8圖描述利用慣性估計器所產生之估計慣性及摩擦係數的示例性動作控制調諧應用。在本實施例中，調諧應用804係用於調諧控制器806的控制器增益，其中控制器806控制馬達驅動式動作系統(圖中未示)的操作。慣性估計器802可根據上述技術產生馬達系統慣性J 808及摩擦係數B 810的估計值。明確地說，慣性估計器802指示控制器806將連續轉矩命令傳送到動作系統的馬達，其中轉矩命令根據預界定測試序列隨時間持續改變。或者，對於其中慣性估計器802獨立於控制器806運作的具體實施例(如第7圖中所示的示例性配置)，慣性估計器802可產生並且將其本身的連續轉矩命令傳送到動作系統。測試序列可包括加速及減速階段，慣性估計器802在這兩階段期間監測並且記錄馬達系統回應所施加轉矩命令的速度。慣性估計器802於測試序列的結尾可基於時變轉矩命令信號及對應之時變動作系統速度(例如，基於方程式(12)及(13))計算慣性J 808及摩擦係數B 810的估計值。
慣性估計器802可接著將慣性J 808及摩擦係數B 810提供至調諧應用804。或者，慣性估計器802可將J及B數值 送到使用者介面，容許使用者將估計的慣性及摩擦係數手動輸入到調諧應用804內。J及/或B的知識容許應用804基於動作系統的機械特性對一或多個控制器增益812產生合適的估計值。調諧應用804可對控制器增益812產生合適的數值作為慣性J/或摩擦係數B 810的函數，以及控制系統頻寬(例如，交叉頻率)814，其可由使用者經由介面816手動調整以達到期望的動作特性。
在一般應用中，本文所述的慣性估計器可用於在正常操作之前於動作控制系統初始部署期間產生可靠的動作系統慣性J及摩擦係數B估計值。明確地說，慣性估計器可用於在運轉時間之前連結配置並且調諧控制器參數(例如，控制器增益係數)一起使用。一旦設定，這些參數在系統啟動後通常維持固定直到之後決定重新調諧系統。然而，在某些具體實施例中，慣性估計器可配置以在運轉期間周期性或持續性自動重新計算J及B值。基於J及B估計值的控制器參數可使用此等參配置在實質即時的正常操作期間予以動態調整，用來補償動作系統機械特性(例如，由於機械性磨損與撕破、由馬達來看的負載變化等)的逐漸變化。
第9至10圖描述根據特定揭露態樣的各種方法。為了便於說明，儘管此等方法係以成串動作表示並且說明，要理解並且領會的是，由於某些動作可用不同順序及/或與本文所示與所述其它動作同時出現，所揭露態樣不受限於動作的順序。例如，熟悉本技藝的人士將理解並且領會的是，方法或可表示成一串互關狀態或事件，例如狀態圖。再者，並非所有描述的動作都需根據特定揭露的態樣實現方法。另外，要進一步領會的是，下文及本揭露通篇所揭露的方法能夠儲存於製品以促進將此等方法傳送 並且轉移到電腦。
第9圖描述用於估計受控制機械系統慣性及摩擦係數的實施例方法900。於步驟902，連續轉矩命令u(t)係傳送到動作系統的控制器，其中轉矩命令u(t)隨時間在所界定之最大與最小轉矩設定點之間變化。在一或多個具體實施例中，轉矩命令u(t)可符合預界定測試序列，以致u(t)的輸出取決於測試序列的階段以及機械系統相對於一或多個使用者自定設定點的回應。測試序列可同時包含分別對應於增大及減小馬達速度的加速及減速階段。對於雙向測試，轉矩命令u(t)可在測試序列期間於正與負轉矩值之間變化，而使動作系統在測試期間雙向加速。
於步驟904，記錄動作系統回應轉矩命令u(t)的速度v(t)。因此，一旦完成測試序列，所施加之轉矩命令u(t)及所產生之動作系統速度v(t)兩者的資料曲線都於t=0至tend予以取得，其中tend為測試序列的持續時間。
於步驟906中，動作系統之慣性或摩擦係數的其中至少之一的估計值係基於轉矩曲線u(t)及速度曲線v(t)的積分予以計算。在一或多個具體實施例中，u(t)與v(t)的曲線可區分成加速階段與減速階段，而慣性及摩擦係數可基於加速及減速階段的積分(例如利用上述方程式(12)及(13)、或其它適當的方程式)予以計算。於步驟908，動作系統的一或多個參數係設定成於步驟906所計算之估計慣性及/或摩擦係數的函數。在非限制性實施例中，一或多個控制器增益係數可基於根據步驟902至906所計算之估計慣性及/或摩擦係數予以設定。
第10圖描述用於在動作控制系統上執行測試序列 以估計慣性及摩擦係數的實施例方法1000。於步驟1002，轉矩命令對動作系統持續增大直到轉矩命令達到最大轉矩設定點或直到動作系統回應所施加的轉矩命令加速至第一速度檢查點(例如第5圖的速度檢查點v3)。最大轉矩設定點及第一速度檢查點可相當於動作系統的操作上限並且可在測試之前予以設定(例如，動作系統正常操作期間預期的最大轉矩及速度)。轉矩命令增大時的速率亦可由使用者予以界定。在一或多個具體實施例中，若轉矩設定點在動作系統達到第一速度檢查點之前達到最大轉矩設定點，則轉矩命令可保持最大轉矩值直到動作系統加速至第一速度檢查點。若動作系統的速度未在所界定逾時期間內達到第一速度檢查點，則可啟動適當的逾時處理序列。
隨著動作系統從靜止朝第一速度檢查點加速，速度將通過第二速度檢查點(例如第5圖的速度檢查點v2)，其中第二速度檢查點大於零並且小於第一速度檢查點。測試的加速階段在速度初始達到此第二速度檢查點時啟動。
一旦判斷動作系統已加速到第一速度檢查點，轉矩命令可於步驟904持續減小，直到轉矩命令達到最小轉矩設定點或直到動作系統減速回到第一速度檢查點。就這一點而言，由於動作系統係於步驟1002在達到第一速度檢查點時加速，速度將於步驟1004在轉矩信號開始減小之後持續增加超過第一速度檢查點若干時間。遞減的轉矩命令信號隨後將使動作系統減速回到第一速度檢查點。轉矩命令遞減速率可於步驟1002配置成使用者自定參數。在本實施例中，轉矩命令在動作系統回到第一速度檢查點之前減小到零，並且以負方向持續減小直到達到最小轉矩設定 點或直到動作系統減速到第一速度檢查點。亦即，轉矩命令在測試序列的這個階段期間交叉零。這表示測試加速階段結束並且減速階段開始。類似於步驟1002，若轉矩命令在動作系統達到第一速度檢查點之前減小到最小轉矩設定點，則轉矩命令將保持最小轉矩值直到達到第一速度檢查點。
當動作系統速度已回到第一速度檢查點時，達到第一速度檢查點時的轉矩命令值於步驟1006維持固定值直到動作系統減速回到第二速度檢查點。此觸發測試減速階段的結束。
轉矩命令在步驟1004期間交叉零的時間係於步驟1008決定。此標示為T CROSSOVER 的時間可用於區別測試序列的加速階段及減速階段(在以上配合第4圖所述的實施例中，T CROSSOVER =t5)。於步驟1010，在轉矩命令曲線的加速階段部份及動作系統對應的速度曲線上實施積分。亦即，轉矩命令資料是從時間T0積分到T CROSSOVER ，其中T0表示加速階段的開始時間(速度初始交叉第二速度檢查點的時間；例如第4圖的時t3)。轉矩命令加速階段積分的結果係表示成Uacc。同樣地，由動作控制系統回應所施加轉矩命令而測量到的連續速度資料係從時間T0積分到T CROSSOVER 以得出加速階段的積分速度結果Vacc。
於步驟1012，對轉矩及速度資料的減速部份實施類似積分。亦即，轉矩及速度資料係從時間T CROSSOVER 積分到T FINAL ，其中T FINAL 為減速階段的結束時間，其相當於動作系統於步驟1006減速回到第二速度檢查點的時間(在以上配合第4圖所述的實施例中，T FINAL =t7)。這些減速階段對轉矩及速度資料積分的結果係分別標示為Udec及Vdec。
於步驟1014，動作系統的估計慣性及/或摩擦係數係基於積分Uacc、Vacc、Udec、以及Vdec予以計算。例如，估計的慣性及摩擦係數可分別基於方程式(12)及(13)或其變形予以計算。
動作分佈產生器
第11圖為能夠對動作控制系統點對點移動產生動作分佈之示例性非限制性動作分佈產生系統的方塊圖。動作分佈產生系統1102可包括位置分佈產生器1104、速度分佈產生器1106、介面組件1108、一或多個處理器1110、以及記憶體1112。在各種具體實施例中，位置分佈產生器1104、速度分佈產生器1106、介面組件1108、一或多個處理器1110、以及記憶體1112的其中之一或多個可彼此電氣及/或通訊耦接，以實施動作分佈產生系統1102的一或多個功能。在某些具體實施例中，組件1104、1106、以及1108可包含記憶體1112上所儲存並且藉由處理器1110予以執行的軟體指令。動作分佈產生系統1102亦可與第11圖未示的其它硬體及/或軟體組件互動。例如，處理器1110可與一或多個外部使用者介面裝置互動，如鍵盤、滑鼠、顯示監視器、觸控螢幕、或其它此類介面裝置。
介面組件1108可配置以接收使用者輸入以及將輸出以任何適當的格式(例如，視訊、音訊、觸覺性等)送給使用者。使用者輸入可為例如動作分佈產生系統1102用來計算動作分佈的使用者輸入限制條件(例如，最大加速度、最大速度等)(底下有更詳細的說明)。位置分佈產生器1104可配置以接收對於動作系統期望目標位置的指示並且計算動作分佈以供在使用者自定限制條件之參數內轉換成目標位置。類似地，速度分佈組件1106可接 收動作控制系統期望目標速度的指示並且產生動作分佈以供符合所界定限制條件使動作系統從目前速度轉換到目標速度。儘管第11圖將動作分佈產生系統描述成包括位置分佈產生器1104及速度分佈產生器1106兩者，要領會的是，動作分佈產生系統1102的某些具體實施例可僅包括位置分佈產生器1104或速度分佈產生器1106的其中之一而不脫離本揭露的範疇。一或多個處理器1110可引用所揭露的系統及/或方法實施本文所述功能的其中之一或多個。記憶體1112可為內儲電腦可執行指令及資訊的電腦可讀取式媒體以供實施本文引用所揭露之系統及/或方法所說明的功能。
在某些具體實施例中，本文所述的分佈產生器可為動作控制器整合型組件。第12圖描述示例性動作控制系統1200，其包含根據本揭露一或多個具體實施例利用分佈產生器1206的主控制器1202。主控制器1202可為例如可程式邏輯控制器(PLC)或其它此類監測並且控制包括一或多個動作裝置之系統(例如工業處理、自動化系統、批次處理等)的控制器。在此實施例中，分佈產生器1206可為控制器作業系統及/或屬於控制器1202之一或多個處理器所執行之控制軟體的功能組件。分佈產生器1206亦可為屬於控制器1202內與控制器1208其它功能元件交換資料如電路板或積體電路之類的硬體組件。分佈產生器1206的其它適用實現亦在本揭露特定具體實施例的範疇內。例如，雖然分佈產生器1206在第12圖係描示成控制器1202的整合型組件，分佈產生器1206在某些具體實施例中仍可為控制器1202之分離元件。對於此等配置，分佈產生器1206可與控制器1202或動作系統其它元件 經由任何適當的通訊手段交換資料，包括但不侷限於有線或無線網路、硬連線資料連結、或其它此類通訊手段。
示例性動作控制系統1200亦包含根據主控制器1202所提供的動作分佈1212用於控制動作裝置(例如，馬達，圖中未示)之動作控制器1214的馬達驅動裝置1222。動作分佈1212界定動作裝置從目前位置或速度轉換到目標位置或速度的軌跡，其中軌跡係依照位置參考、速度參考、加速參考、及/或急衝參考的其中之一或多個予以界定。馬達控制器1214回應來自主控制器1202之接收動作分佈將動作分佈1212轉化成傳送到動作裝置使動作裝置對目標位置或速度之轉換生效的控制信號1216。若馬達控制器1214為閉迴路控制器，則馬達控制器1214亦將監測施加控制信號時動作裝置真實狀態(例如即時位置、速度等)的回授信號1220。馬達控制器1214基於此回授信號1220將視需要調整控制信號1216以確保動作裝置儘可能接近地依據動作分佈1212移動。或者，若馬達控制器1214為開迴路控制器，則馬達控制器1214仍將基於動作分佈1212產生控制信號1216，但將不在產生之移動期間監測回授信號1220。
在本實施例中，主控制器1202根據儲存並且執行於控制器1202上的控制程式1210以控制系統。在操作期間，控制程式1210可需要動作裝置移到新位置或轉換到新速度。目的位置或速度1208係提供至計算界定移動軌跡之動作分佈1212的分佈產生器1206。分佈產生器1206計算動作分佈1212作為一或多個函數，其可代表動作系統或動作裝置操作相關使用者偏好之機械性限制條件之動作限制條件1204。動作限制條件1204可在操作前 由使用者(例如，經由第11圖的介面組件1108)提供。在某些具體實施例中，分佈產生器1206亦可另外基於控制器1202的取樣時間1218計算動作分佈1212以確保分佈區段與控制器取樣點對準，底下有更詳細的說明。
如下文的詳細說明，動作分佈1212可界定點對點移動依照位置參考、速度參考、加速參考、以及急衝參考的其中之一或多個隨時間而變的軌跡。這些參考代表界定各別動作屬性將如何控制成給定點對點移動之時間函數的動作分佈產生器1206所計算的功能。這些參考彼此數學相關為導數。亦即，急衝為加速度的導數、加速度為速度的導數、以及速度為位置的導數。分佈產生器1206可對軌跡分佈各別階段計算這些參考，底下有更詳細的說明。
一旦對移動計算動作分佈1212，分佈產生器1206即提供動作分佈1212至馬達控制器1214，其將動作分佈1212轉換成控制信號，控制信號指示動作裝置根據動作分佈1212實施期望點對點移動。如上所述，若馬達控制器1214為閉迴路控制器，則控制信號1216將為動作分佈1212及回授信號1220的函數，其即時通知馬達控制器1214動作裝置的真實狀態。對於開迴路控制系統，控制信號1216將只是動作分佈1212的函數。
要理解的是，第12圖所示架構的目的僅在於其中分佈產生器1206可操作的示例性脈絡(context)，而其它操作脈絡係在本揭露的範疇內。例如，在某些情況下，主控制器1202可為包括有整合型馬達控制能力的整裝式(self-contained)控制器。在此等應用中，控制器1202本身可將動作分佈1212轉化成適當的控制 信號316並且將此控制信號1216傳送到動作裝置，而非提供動作分佈1212至分離之馬達驅動裝置1222。在另一示例性架構中，分佈產生器1206可為馬達驅動裝置1222的整合型組件。
分佈產生器1206可為位置分佈產生器或速度分佈產生器之一或兩者。這兩種分佈產生器係分別在第13及14圖描述。如第13圖所示，位置分佈產生器1302接收一組可代表受控系統機械性限制條件或動作系統行為相關使用者偏好的限制條件1304作為輸入。這些限制條件可包括速度、加速度、減速度、和急衝的上限、以及代表控制器之控制信號的更新周期(一般以毫秒測量)。即使位置分佈產生器1302在某些具體實施例中可自動判斷控制器的取樣時間，這些限制條件數值仍可由使用者(例如經由第11圖的介面組件1108)設定。這些限制條件1304可在動作控制系統部署期間設定一次，或可每次移動都予以重新配置。位置分佈產生器1302容許個別配置加速度與減速度限制值以配合具有非對稱性加速度及減速度的分佈。取樣時間係由分佈產生器1302用來改良動作分佈的精確度，底下將有更詳細的說明。
在操作期間，位置分佈產生器1302將接收指定動作系統新目標位置的位置步階命令1308。位置步階命令1308可由控制器上執行的控制程式(例如，第12圖的控制程式1210)所產生，或可為使用者手動輸入的移動指令。位置分佈產生器回應位置步階命令1308計算界定用於將負載由其目前位置移到位置步階命令1308所界定目標位置之軌跡的限制條件式、時間最佳化動作分佈1306。動作分佈1306包含急衝參考、加速參考、度度參考、或位置參考(其彼此數學相關為導數)的其中之一或多個。位置分佈 產生器1302對一組經界定動作分佈階段或區段的每一個界定這些參考為時間的函數。表1總結點對點動作分佈的七個區段。
開始時，在第一階段(ACC_INC)期間，加速度由零持續增加到固定加速度。在某些情境下，此固定加速度將為限制條件1304所界定的最大加速度。然而，對於較短位置步階，此位置分佈產生器1302可判斷較小加速度將對目標位置產生較精確的轉換。在第二階毀(ACC_HOLD)期間，加速度維持固定速率。隨著系統接近位置分佈產生器1302所計算的目標速度，進入其期間加速度漸減直到達到固定速度的第三階段(ACC_DEC)。當固定速度已達到時，此固定速度在第四階段(VEL_HOLD)期間隨著系統接近目標位置保持不變。當系統在目標位置附近時，軌跡進入其期間系統開始以漸增速率由零減速到動作分佈所界定之目標減速度的第五階段(DEC_INC)。當目標減速度達到時，此減速度在第六階段(DEC_HOLD)保持不變。最後，在第七階段(DEC_DEC)期間，減速度漸減直到系統達到零速度，其結束移動程序。
提供位置步階命令1308時，位置分佈產生器1302判斷這七個分佈區段中是那部份需用於時間最佳化動作分佈，並且計算時變急衝以及對需要移動的各區段計算時變急衝參考、加 速參考、速度參考、或位置參考的其中之一或多個。對於各別階段所計算的參考係結合以得到其可由開迴路或閉迴路動作控制器(例如，馬達驅動裝置)用來透過動作分佈所界定軌跡驅動動作系統的完整動作分佈。
第14圖根據一或多個具體實施例描述示例性速度分佈產生器1402。速度分佈產生器1402類似於位置分佈產生器1302，但係用於回應期望速度變化而非位置變化計算動作分佈。亦即，速度分佈產生器1402計算時間最佳化動作分佈1406用以將動作系統由目前速度轉換到速度設定點1408指定的目標速度。由於對期望速度設定點的轉換通常無關於(indifferent to)動作系統的位置，對於速度分佈產生器1402所界定的限制條件1404可省略位置限制。同樣地，速度分佈產生器1402所產生的動作分佈1406可省略位置參考，並且按照時變急衝參考、加速參考及/或速度參考專門界定動作分佈。
在某些動作控制應用中，動作控制器產生梯形動作分佈或S曲線動作分佈的其中之一。除了或排除這些分佈類型，本揭露的分佈產生器可根據本文稱為ST曲線分佈的第三分佈類型產生分佈。第15圖比較示例性ST曲線分佈與傳統梯形及S曲線分佈。第15圖所示的時間圖形(time graph)對於位置0(開始位置)與位置2.5(目標位置，可由第13圖的位置步階命令1308予以界定)之間的給定動作軌跡描繪位置、速度、加速度、以及急衝。正如一般理解，圖示數值彼此數學相關為導數。亦即，速度為位置的導數(亦即位置變化率)、加速度為速度的導數、以及急衝為加速度的導數。
梯形動作分佈僅利用上述七個分佈階段中的其中三個階段，即固定加速(階段2)、固定速度(階段4)、以及固定減速(階段6)。這產生第15圖中速度曲線虛線所繪的梯形速度分佈。固定加速/減速階段與定速階段之間的急劇轉換於梯形速度曲線的上部產生銳角。由於梯形分佈的加速與減速階段一直固定，此分佈的加速曲線在固定值之間急劇步進，如加速曲線圖上的虛線所示。在本實施例中，減速率為加速率的兩倍，所以，梯形實例裡的加速曲線在加速階段期間步進0.5、對於定速階段步進0、以及對於減速階段步進-1.0。同時，急衝曲線(代表加速/減速變化率)在轉換瞬間短暫脈動(圖中未繪製)並且在加速或減速維持固定時保持在零，如第15圖急衝曲線圖上的虛線所示。
由於梯形分佈總是以固定速率加速與減速而不是來回於定速階段逐漸轉換，因此，梯形曲線分佈可較快速地橫越(traverse)目前位置與目標位置之間的距離。然而，加速/減速與固定(或零)速度之間的突發轉換可在系統中招致不期望的機械性擾動。另外，由於減速度未隨動作系統接近目標位置逐漸減小，反而在突然切至零速度之前維持固定減速直到達到目標位置，因此，梯形動作分佈對於初始橫越結束時的目標位置超限具有高可能性，而需要控制器施加補償控制信號將負載帶回到目標位置。此處理在系統停駐(settle on)目標位置之前可需要重複多次，其導致不期望的系統振盪。
對照於梯形分佈，S曲線分佈(如第15圖之曲線圖中的淡色實線所示)利用七個分佈階段中的所有連續加速/減速階段，藉以容許定(或零)速階段與固定加速/減速階段之間的漸進轉 換。這些漸進加速轉換可在加速曲線上清楚看出。S曲線分佈的加速度從時間0開始逐漸斜向固定加速度，如同梯形分佈，而非從時間0就始於固定加速。當速度已達最大(介於1秒與2秒之間)時，加速度逐漸降到零以達到固定速度，而非如同梯形實例急劇步降到零。加速時的類似逐漸變化可在S曲線分佈隨後減速階段期間看出。速度與位置曲線上這些漸進加速變化的效應可在各別速度及位置曲線圖上看到。特別的是，S曲線速度分佈的邊角相對於梯形曲線較圓，這代表加速/減速階段與定速階段之間的轉換較平順。同樣地，儘管達到目標需要額外的時間成本，S曲線位置分佈仍表示初始位置與目標位置之間的轉換較平順。
本文所述分佈的一或多個具體實施例可支援S曲線動作分佈的產生。傳統上，利用S曲線動作分佈的動作控制系統僅支援對稱加速及減速；亦即，固定加速及固定減速階段的絕對值相等。相比之下，本文所述的分佈產生器可支援具有非對稱性加速及減速的S曲線動作分佈。這是描述在第15圖的加速曲線圖上，其描繪S曲線如同在加速期間限制為0.5以及在減速期間為-1。為了提供此非對稱性加速及減速，分佈產生器可容許分開的加速及減速限制而配置成系統限制條件(參閱例如第13圖的限制條件1304)，並且鑑於這些限制條件計算動作分佈。
如急衝曲線圖所示，S曲線實例裡動作分佈之階段1、3、5、以及7期間加速/減速增大及減小的速率一直是固定的。亦即，急衝對於動作分佈任何給定階段一直是固定值，在本實施例中為1、0、或-1。這可在增大/減小加速(或減速)階段與固定加速階段之間造成劇烈轉換，如加速曲線圖上所示。
為了在位置之間達到時間最佳化轉換的同時促進比傳統動作控制系統的梯形及S曲線分佈所提供還要平順的動作，本文所述分佈產生器的一或多個具體實施例可計算符合ST曲線分佈類型的動作分佈。示例性ST曲線分佈在第15圖的曲線圖上以暗色實線表示。對照於梯形及S曲線分佈，ST曲線分佈在增大及減小加速及減速階段期間隨時間持續逐漸改變急衝。這可產生第15圖加速曲線圖上所示較平順的加速轉換、以及各別速度及位置曲線圖中所示相對應較平順的速度及位置曲線。
再者，ST曲線分佈可支援非對稱性加速及減速(亦即，分佈產生器可計算具有不同於給定動作分佈減速率之加速率的分佈)。在同步尋找時間最佳化解決方案的同時導出數學軌跡表達式為時間函數對於使用非對稱性加速/減速可具有挑戰性。為了解決這份考量，本文所述分佈產生器的一或多個具體實施例可利用制衡加速與減速之間關係、以及加速急衝與減速急衝之間關係的演算法，以及在推導期間取代這些關係，使其有可能導出軌跡分析表達式並且接著找出時間最佳化解決方案。
示例性ST曲線位置分佈係推導如下。本文所述分佈產生器的一或多個具體實施例可基於底下推導產生動作分佈參考。然而，要理解的是，本文所述分佈產生器不侷限於用來基於ST曲線產生動作分佈的本技術，而取得界定成時間函數之連續急衝曲線的任何適當演算法都落在本揭露的範疇內。
在底下方程式中，、、、以及θ分別是急衝、加速度、速度、以及位置。t 1、t 2、t 3、t 4以及t 5各是動作分佈ACC_INC、ACC_HOLD、VEL_HOLD、DEC_INC、以及DEC_HOLD 階段的持續時間(請參閱上述表1)。在本實施例中，係假設ACC_INC及ACC_DEC的持續時間相等，以及t 1為ACC_INC及ACC_DEC兩階段的持續時間。相同地，DEC_INC係假設與DEC_DEC具有相等的持續時間，所以，t 4為DEC_INC及DEC_DEC兩者的持續時間。K為根據底下方程式急衝、加速、速度、以及位置各自動作分佈各階段所要決定的增益值(其中，對於七個階段中的各個階段，t=0代表各別階段的開始時間)：
給定這些關係，最大加速急衝、最大減速急衝、最大加速度、最大減速度、以及最大速度可按照區段持續時間予以說明：
其中：P是位置步階，J是最大加速急衝，I是最大減速急衝，A是最大加速度，D是最大減速度，以及V是最大速度。
P、V、A、D、J、I、t 1、t 2、t 3、t 4、以及t 5之間的關係現在可予以取得：
假定t 1、t 2、t 3、t 4、以及t 5應該都大於或等於零，並且假設
則底下成組不等式可予以建立：
解決不等式(33)至(36)求得適當的V、A、D、J、以及I數值(分別是速度、加速度、減速度、加速急衝、以及減速急衝的最大值)。
將這些最大值帶入方程式(25)至(29)可求得t 1、t 2、t 3、t 4、以及t 5的數值(動作分佈各別區段的持續時間)。根據以上方程式(14)至(36)所導出V、A、D、J、I、t 1、t 2、t 3、t 4、以及t 5的數值可產生在所界定機械性限制條件或使用者需求內操作的平順、時間最佳化軌跡。
分佈產生器可基於上述關係式針對給定的點對點移動計算適當的ST曲線動作分佈。然而，要認知的是，針對t 1、t 2、t 3、t 4、以及t 5初始計算的數值可為控制器取樣時間的倍數，並且因而可未對準動作控制器的取樣點。當分佈區段持續時間落在兩控制器取樣點之間時，控制器可有必需補償期望控制信號輸出與真實控制信號輸出之間的小差異。為了解決這個問題，本文所述分佈產生器的一或多個具體實施例可在最大值V、A、D、J、和I以及區段持續時間t 1、t 2、t 3、t 4、和t 5已如上導出之後實施額外計算。
具體而言，在分佈產生器已根據上述推導計算t 1、t 2、t 3、t 4、以及t 5之後這些持續時間值各可上凑(upper-rounded)至最接近的取樣時間以求得t 1New、t 2New、t 3New、t 4New、以及t 5New。此凑整步驟可基於取樣時間提供至分佈產生器作為限制條件1304或1404的其中之一。分佈產生器可接著利用凑整後之持續時間值 t 1New、t 2New、t 3New、t 4New、以及t 5New計算新數值V、A、D、J、以及I。此重新計算求得包含其為取樣時間倍數之區段持續時間的最終動作分佈，這可藉由控制器確保控制信號輸出對準控制器的取樣點，藉以減輕補償動作分佈時間落在兩取樣點之間時所引出之小差異的必要性。
或者或除了上述ST曲線以外，本文所述分佈產生器的一或多個具體實施例能夠產生具有非對稱加速及減速的S曲線分佈(請參閱例如第15圖的示例性S曲線軌跡)。具有非對稱性加速及減速的示例性S曲線分佈係推導如下。本文所述分佈產生器的一或多個具體實施例可基於底下推導或其變形產生動作分佈參考。
如同以上推導的ST曲線方程式，、、、以及θ分別是急衝、加速度、速度、以及位置。t 1、t 2、t 3、t 4以及t 5各為動作分佈ACC_INC、ACC_HOLD、VEL_HOLD、DEC_INC、以及DEC_HOLD階段的持續時間(請參閱以上表1)。如同ST曲線實施例，假設ACC_INC以及ACC_DEC具有相等的持續時間，以及因此t 1為ACC_INC以及ACC_DEC階段兩者的持續時間。同樣地，DEC_INC係假設與DEC_DEC具有相等的持續時間，所以，t 4為DEC_INC以及DEC_DEC兩者的持續時間。K為根據底下方程式急衝、加速度、速度、以及位置各自動作分佈各階段所要決定的增益值(其中，對於七個階段的各個階段，t=0表示各別階段的開始時間)：
給定這些關係式，可按照區段持續時間說明最大加速急衝、最大減速急衝、最大加速度、最大減速度、以及最大速度：
J=I=K (42)
其中：P是位置步階，J是最大加速急衝，I是最大減速急衝， A是最大加速度，D是最大減速度，以及V是最大速度。
P、V、A、D、J、I、t 1、t 2、t 3、t 4、以及t 5之間的關係式現在可予以取得：t 1(t 1+t 2)=t 4(t 4+t 5) (46)
假定t 1、t 2、t 3、t 4、以及t 5應該都大於或等於零，並且假設
則底下成組不等式可予以建立：
解決不等式(53)至(56)求得S曲線分佈適當的V、A、D、J、以及I數值(分別是速度、加速度、減速度、加速急衝、以及減速急衝的最大值)。
將這些最大值帶入方程式(47)至(51)可求得t 1、t 2、t 3、t 4、以及t 5的數值(S曲線動作分佈各別區段的持續時間)。根據以上方程式(37)至(56)所導出V、A、D、J、I、t 1、t 2、t 3、t 4、以及t 5的數值可產生具有非對稱性加速及減速的S曲線分佈，以及其在所界定機械性限制條件或使用者需求內操作。
在某些具體實施例中，分佈產生器可使所產生的S曲線動作分佈結合ST曲線分佈藉由類似於上述的額外計算而適應於控制器的取樣時間。亦即，在根據以上推導計算t 1、t 2、t 3、t 4、以及t 5之後，分佈產生器可上凑這些持續時間到最接近的取樣時間以求得新的持續時間值t 1New、t 2New、t 3New、t 4New、以及t 5New。分佈產生器可接著利用凑整之持續時間值t 1New、t 2New、t 3New、t 4New、以及t 5New計算新的V、A、D、J、以及I數值。
儘管動作分佈通常包含以上表1中所列的七個階段，某些點對點移動仍可不需要所有七個區段。例如，若動作系統目前狀態與目標狀態之間的距離較小，則可消除動作分佈的 VEL_HOLD(固定速度)區段。因此，本文所述分佈產生器的一或多個具體實施例可支援自動或智慧區段省略。亦即，即使一或多個階段將不用在最終軌跡，本文所述分佈產生器的某些具體實施例仍可僅計算那些將用在給定點對點移動之最終軌跡的階段，而不是對分佈的所有七個階段都實施計算。
動作分佈可在接收新移動命令時於計算動作分佈期間自動判斷那部份區段要予以省略。在某些具體實施例中，分佈產生器可部份基於目前位置與目標位置之間的總距離(在位置變化的實例中)或目前速度與目標速度之間的差異(在速度變化的實例中)判斷那部份區段可予以省略，其中介於目前與目標狀態之間的較小差異可建議消除動作分佈的特定區段。在此等具體實施例中，目前與目標狀態之間的差異可與一組已界定差異範圍作比較，其中各已界定差異範圍係與可忽略自對應動作分佈的一或多個區段相關。
本文所述分佈產生器的一或多個具體實施例亦可推斷那部份區段可基於歷史動作資料予以省略。例如，分佈產生器可對回應命令所實施的移動記錄已發出動作命令以及對應軌跡資料的歷史(例如，隨時間而變的位置、速度、加速度、及/或急衝)。分佈產生器可分析此歷史資料以推斷那部份區段可針對特殊移動類型予以忽略。因此，當新的點對點移動命令係在針對移動計算動作分佈之前予以接收時，分佈產生器可推斷那部份區段可基於回應具有類似特性(例如，橫越的類似距離、接收移動命令時的類似速度等)之過往移動命令所實施的軌跡形狀予以省略。
第16至19圖針對示例性七階段位置分佈描述區段 省略。第16圖描述利用所有七個階段的示例性S曲線分佈。第17圖描述省略區段4(定速階段)的分佈。分佈產生器在要予以橫越的位置或速度步階小到足以使定速階段將在達到目標位置或速度之前未予以達到的實例中可計算此分佈。一旦接收此位置步階或速度設定點命令，分佈產生器可在針對期望移動實施分佈計算之前作此判斷，並且將僅於階段1至3及5至7實施計算。類似地，第18圖描述省略區段2與6的實施例分佈，以及第19圖描述省略區段2、4、和6的實施例分佈。
第20至22圖根據特定揭露態樣描述各種方法。為了簡化說明，儘管方法係以一串動作予以表示並且說明，要理解並且領會的是，由於某些動作經由本文所示與所述可用不同順序及/或與其它動作同時出現，所揭露態樣仍不受限於動作順序。例如，熟悉本技藝的人士將理解並且領會的是，方法亦可表示成一串互關連狀態或事件，如狀態圖。再者，不是所有已描述的動作都可需要用來實現根據特定揭露態樣的方法。另外，要進一步領會的是，後文及本揭露通篇所揭露的方法能夠儲存在製品上以促進輸送並且轉移此等方法至電腦。
第20圖描述針對動作控制系統中點對點移動用於計算動作分佈的示例性方法2000。於步驟2002，一組動作限制條件係界定用於動作控制系統。這些限制條件可代表動作控制系統所控制的機械系統之物理限制條件，並且可包括速度、加速度、減速度、以及急衝的限制。此等限制條件亦可針對用於控制機械系統的動作控制器包括取樣時間的定義。於步驟2002，接收將受控制機械系統轉換到新位置或速度的命令。此命令可源自動作控 制器所執行的動作控制程式，或可為使用者輸入的人工移動命令。此命令可由動作控制器相關的分佈產生器(例如上述的分佈產生器1206、1302、或1402)予以接收。
於步驟2006，動作分佈回應在步驟2004接收到的命令可計算用於此命令所指示將機械系統從其目前位置或速度移動到新位置或速度。分佈產生器可計算此動作分佈以包括對於動作分佈的至少其中一區段界定為時間函數的連續急衝參考。在某些具體實施例中，動作分佈可連結方程式(14)至(36)根據上述推導予以計算成ST曲線。此動作分佈可求得第15圖所示急衝曲線圖的暗色實線所描繪一般格式的急衝參考，其中急衝根據所計算的急衝函數在最大與最小值之間隨時間逐漸改變。於步驟2008，受控制機械系統受到指示根據步驟2006所界定的動作分佈由其目前位置或速度跨越到新的位置或速度。這可導致例如提供在步驟2006計算的動作分佈至馬達驅動裝置，其控制根據動作分佈以及(在閉迴路控制的實例中)提供針對機械系統所測量即時狀態資料之回授信號以驅動機械系統的馬達。
第21圖描述用於計算符合動作控制器的取樣時間之限制條件式時間最佳化動作分佈的示例性方法2100。於步驟2102，一組動作限制條件係針對受控制機械系統予以界定。如同之前的實施例，這些可包括速度、加速度、減速度、和急衝上的限制以及控制器的取樣時間。這些限制條件可提供至與控制器相關的分佈產生器(例如，上述的分佈產生器1206、1302、或1402)。於步驟2104，接收(例如，藉由分佈產生器)用以將機械系統從目前位置或速度轉換到新位置或速度的命令。於步驟2106，藉由針 對動作分佈(其中分佈可包含高達如以上表1所界定的七個區段)的各區段計算最大加速急衝(J)、最大減速急衝(I)、最大加速度(A)、最大減速度(D)、以及最大速度(V)的至少其中之一以作為時間函數，而產生用於回應命令以控制機械系統軌跡的動作分佈。另外，針對分佈之各區段計算持續時間(例如，配合方程式(14)至(36)利用上述技術)。
於步驟2108，判斷步驟2106中所計算的所有分佈區段持續時間是否都是控制器的取樣時間的倍數。若所有區段的持續時間都為取樣時間倍數，則本方法移到步驟2114，在步驟2114中，動作分佈係基於分佈區段持續時間及在步驟2106中所計算的值J、I、A、D、以及V予以產生。或者，若分佈區段的其中之一或多個不是周期時間的偶倍數，則本方法移到步驟2110，在步驟2110中所有分佈區段持續時間都上凑至最接近之取樣時間倍數。於步驟2112，J、I、A、D、以及V中一或多個數值係基於在步驟2110所導出的凑整分佈區段持續時間予以重新計算。動作分佈係基於凑整的分佈區段持續時間以及J、I、A、D、以及/或V的的重新計算值予以在步驟2114產生。
第22圖描述針對利用區段省略之點對點移動用於有效計算動作分佈的實施例方法2200。於步驟2202，接收將受控制機械系統轉換到新位置或新速度的命令(例如，於分佈產生器1206、2302、或1402)。於步驟2204，可判斷動作分佈中七個區段中那部份需用來實施所需的點對點移動。此判斷可基於例如對目前位置與期望位置之間必須跨越之距離(在位置變化的實例中)或目前速度與期望速度之間的差異(在速度變化的實例中)之判斷藉 由分佈產生器予以自動施作。
於步驟2206，基於步驟2204所作的判斷針對是否所有七個分佈區段都需要用來實施期望移動進行判斷。若所有分佈區段都有需要，則本方法移到步驟2210，在步驟2210中動作分佈係藉由對所有七個區段實施分佈計算之點對點移動予以產生。或者，若是在步驟2206判斷不需要一或多個分佈區段，則本方法移到步驟2208，其中動作分佈係藉由僅對所需區段實施計算而針對點對點移動予以產生，如步驟2204所判斷。根據方法2200的區段省略可藉由降低與計算不必要之分佈區段相關的不必要處理負荷(overhead)對限制條件式、時間最佳化動作分佈促進更有效率的計算。
示例性網路式及分散式環境
熟悉本技藝的人士可領會的是，本文所述的各種具體實施例可就能部署作為電腦網路部份或在分散式計算環境中的任何電腦或其它用戶端或伺服器裝置予以實現，並且能予以連接至可找到媒體的任何類型的資料儲存器。就此而論，本文所述視訊編輯系統的各種具體實施例可在具有任何數量之記憶體或儲存單元(例如，第2圖的記憶體216或第11圖的1112)、以及跨越任何數量之儲存單元出現之應用與程序的任何電腦系統或環境中予以實現。這包括，但不侷限於，具有伺服器電腦與用戶端電腦部署在網路環境或分散式計算環境中的環境，其具有遠端或本機儲存體。例如，請參照第2圖，轉矩命令產生器204、速度監測組件206、慣性組件208、摩擦係數組件210、以及介面組件212可予以儲存在與單一裝置相關的單一記憶體216上，或可予以散佈 在與各別複數裝置相關的複數記憶體之間。類似地，轉矩命令產生器204、速度監測組件206、慣性組件208、摩擦係數組件210、以及介面組件212可藉由單一處理器214、或藉由與複數裝置相關的複數分散式處理器予以執行。
分散式計算藉由計算裝置及系統之間的通訊交換對電腦資源及服務提供共享。這些資源及服務包括資訊交換、快取儲存以及物件碟片儲存。這些資源及服務亦可包括用於負載平衡、資源擴張、處理專用化、以及諸如此類對跨越複數處理單元之處理能力的共享。分散式計算具有網路連接性的優點，容許用戶制衡其集體力量以有益於整體企業。就此而論，各類裝置都可具有可參與本揭露各種具體實施例的應用、物件或資源。
第23圖提供示例性網路或分散式計算環境的示意圖。分散式計算環境包括計算物件2310、2312等以及計算物件或裝置2320、2322、2324、2326、2328等，其可包括如應用2330、2332、2334、2336、2338所表示的程式、方法、資料儲存器、可程式化邏輯裝置等。可領會的是，計算物件2310、2312等以及計算物件或裝置2320、2322、2324、2326、2328等可包含不同裝置，如個人數位助理器(PDA)、音訊/視訊裝置、行動電話、MP3播放器、個人電腦、膝上型電腦、平板電腦等，其中本文所述慣性估計器的具體實施例可屬於或與此等裝置互動。
各計算物件2310、2312等以及計算物件或裝置2320、2322、2324、2326、2328等可藉由通訊網路2340與一或多個其它計算物件1110、1112等以及計算物件或裝置2320、2322、2324、2326、2328等直接或間接通訊。即使在第23圖係以單元元 件予以描述，通訊網路2340仍可包含提供服務到第23圖之系統的其它計算物件以及計算裝置，以及/或可代表圖中未示的複數互連網路。每個計算物件2310、2312等或計算物件或裝置2320、2322、2324、2326、2328等亦可包含如應用2330、2332、2334、2336、2338之類的應用(例如，慣性估計器202、動作分佈產生系統1102、或其組件)，其可能使用適用於本揭露各種具體實施例之通訊或實現的API、或其它物件、軟體、軔體及/或硬體。
支援分散式計算環境有各種系統、組件、以及網路配置。例如，計算系統可透過局域網路或廣域分散式網路藉由有線或無線系統連接在一起。目前，雖然任何適當的網路基礎架構都可用於附帶於本文各種具體實施例中所述系統的示例性通訊，許多網路仍耦接到提供基礎架構予廣域分散式計算並且包含許多不同網路的網際網路。
因此，可利用如用戶端/伺服器、對等、或混合式架構之類的網路拓撲主機及網路基礎架構。「用戶端」為類別或群組的成員，其使用另一類別或群組的服務。用戶端可為電腦程序，例如大致上為指令集或任務，其要求另一程式或程序所提供的服務。用戶端程序可利用所要求的服務而不需「知道」所有關於其它程式或服務本身的作業細節。
在尤其是網路系統的用戶端/伺服器架構中，用戶端可為存取例如伺服器之另一電腦所提供之共享網路資源的電腦。雖然任何電腦取決於環境都可視為用戶端、伺服器、或兩者，仍然在第23圖的描述中，作為非限制性實施例，計算物件或裝置2320、2322、2324、2326、2328等可想成是用戶端以及計算物件 2310、2312等可想成是伺服器，其中計算物件2310、2312等提供資料服務，如來自用戶端計算物件或裝置2320、2322、2324、2326、2328等的接收資料、資料儲存、資料處理、傳送資料到用戶端計算物件或裝置2320、2322、2324、2326、2328等。任何這些計算裝置都可為處理資料、或要求交易服務或任務，其可就一或多個具體實施例隱喻本文所述系統的技術。
伺服器通常為可透過如網際網路或無線網路基礎架構之類遠端或局端網路存取的遠端電腦系統。用戶端程序可在第一電腦系統中動作、以及伺服器程序可在第二電腦系統中動作，彼此透過通訊媒體通訊，從而提供分散式功能並且使複數用戶端利用伺服器的資訊擷取能力。按照本文所述技術予以利用的任何軟體物件都可單機提供或跨越複數計算裝置或物件予以分佈。
在通訊網路/匯流排2340為網際網路的網路環境中，舉例而言，計算物件2310、2312等可為用戶端計算物件或裝置2320、2322、2324、2326、2328等用來經由任何許多如超文件傳送協定(HTTP)之類已知協定通訊的網站伺服器、檔案伺服器、媒體伺服器等。計算物件2310、2312等亦可當作用戶端計算物件或裝置2320、2322、2324、2326、2328等，分散式計算環境的特性也是如此。
示例性計算裝置
如上所述，有利的是，本文所述技術可應用於任何適當的裝置。因此，要理解的是，手持式、可攜式以及各類其它計算裝置和計算物件都得以思考與各種具體實施例有關的利用。因此，第24圖中下文所述的電腦為計算裝置，但這只是實施例。 另外，適用的伺服器可包括底下電腦的一或多個態樣，如媒體伺服器或其它媒體管理伺服器組件。
雖然並非必要，具體實施例仍可經由作業系統予以部份實現以供服務開發者使用裝置或物件，以及/或予以含括在操作以實施本文所述各種具體實施例的一或多個功能態樣的應用軟體內。軟體可在電腦可執行指令之一般脈絡中予以說明，如程式模組，其係由一或多部電腦予以執行，如用戶端工作站、伺服器或其它裝置。熟悉本技術的人士將領會的是，電腦系統具有可用於通訊資料的各種配置及協定，以及從而沒有特定的配置或協定要予以視為有限制性。
第24圖因此描述其中本文所述具體實施例一或多個態樣可予以實現的適當計算系統環境2400的實施例，即使已作清楚說明，計算系統環境2400仍只是適用計算環境的一個實施例並且其目的不在於建議任何作為使用或功能範疇的限制。計算系統環境2400也不予以解釋成具有與示例性計算系統環境2400中所述組件之任何一個或組合有關的任何相依性或需求。
對照第24圖，所描繪的是以電腦2410形式實現一或多個具體實施例的示例性計算裝置。電腦2410的組件可包括但不侷限於處理單元2420、系統記憶體2430、以及耦接包括系統記憶體至處理單元2420在內各種系統組件的系統匯流排2422。處理單元2420可例如實施與慣性估計器202之處理器214有關的功能，而系統記憶體2430則可實施與記憶體216有關的功能。
電腦2410通常包括各種電腦可讀取式媒體並且可為任何能藉由電腦2410予以存取的可得媒體。系統記憶體2430 可包括呈揮發性及/或非揮發性記憶體的電腦儲存媒體，如唯讀記憶體(ROM)及/或隨機存取記憶體(RAM)。藉由不具限制性的實施例，系統記憶體2430也可包括作業系統、應用程式、其它程式模組、以及程式資料。
使用者可透過其非限制性實施何可包括鍵盤、輔助鍵盤、指向裝置、滑鼠、電筆(stylus)、觸控板、觸控螢幕、軌跡球、動作偵測器、照相機、麥克風、搖桿、遊戲板、掃描器、或任何其它能讓使用者與電腦2410互動之裝置的輸入裝置2440輸入命令及資訊到電腦2410內。監視器或其它類顯示裝置亦經由如輸出介面2450之類的介面連接到系統匯流排2422。除了監視器，電腦也可包括可透過輸出介面2450予以連接如揚聲器及印表機之類的其它周邊裝置。在一或多具體實施例中，輸入裝置2440可提供至介面組件212的使用者輸入，而輸出介面2450則可接收來自介面組件212與慣性估計器202操作有關的資訊。
電腦2410可利用對於一或多個其它如遠端電腦2470之類遠端電腦的邏輯連接在網路或分散式環境中操作。遠端電腦2470可為個人電腦、伺服器、路由器、網路PC、對等裝置或其它共用網路節點、或任何其它遠端媒體消費性或傳輸用裝置，並且可包括任何或所有上述相對於電腦2410的元件。第24圖中所示的邏輯連接包括網路2472，如區域網路(LAN)或廣域網路(WAN)，但也可包括其它網路/匯流排，例如胞狀網路。
如上所述，僅管已說明與各種計算裝置及網路架構有關的示例性具體實施例，底層概念仍可應用於其中期望以彈性方式公開或消費媒體的任何網路系統及任何計算裝置或系統。
同時，有複數方式用來實現例如合適之API、工具套件、驅動代碼、作業系統、控制、單機式或可下載軟體物件等其能使應用及服務利用本文所述技術的相同或類似功能。因此，本文的具體實施例係由API(或其它軟體物件)、以及由實現本文所述一或多個態樣之軟體或硬體物件的觀點進行思考。因此，本文所述各種具體實施例可具有的態樣包括完全為硬體、部份硬體部份軟體、以及軟體呈現。
本文所的用字「示例性」意指作為實施例、實例、或描述。為了避免疑惑，本文所揭露的態樣不受限於此等實施例。另外，本文說明為「示例性」的任何態樣或設計不必要予以推斷為較佳或優於其它態樣或設計，也非意指排除熟悉本技藝之人士所知道的等效示例性架構及技術。再者，就詳細說明或申請專利範圍所使用的術語「包括」、「具有」、「含有」、以及其它類似用字來說，為了避免疑惑，此等術語的目的類似於術語「包含」而為開放性用字而不排除任何附加或其它元件。
計算裝置通常包括可包括電腦可讀取式儲存媒體(例如記憶體216或1112)及/或通訊的各種媒體，其中這兩個術語在本文中如所述有不同的用法。電腦可讀取式儲存媒體可為可藉由電腦予以存取的任何可得儲存媒體，其本質通常為非暫時性，並且可包括揮發性和非揮發性媒體、可移除式和不可移除式媒體。藉由非限制性實施例，可實現與用於儲存如電腦可讀取指令、程式模組、結構化資料、或非結構化資料等資訊之任何方法或技術有關的電腦可讀取式儲存媒體。電腦可讀取儲存媒體可非限制性包括可用於儲存期望資訊的RAM、ROM、EEPROM、快閃記憶 體或其它記憶體技術、CD-ROM、數位影音光碟(DVD)或其它光碟儲存體、磁卡(magnetic cassette)、磁帶、磁碟儲存體或其它磁性儲存裝置、或其它有形(tangible)及/或非暫時性媒體。電腦可讀取儲存媒體可針對與媒體所儲存資訊有關的各種操作例如經由存取要求、詢問或其它資料擷取協定藉由一或多個本機或遠端計算裝置予以存取。
另一方面，通訊媒體通常體現例如載波或其它傳輸機制如調變資料信號等資料信號中的電腦可讀取指令、資料結構、程式模組或其它結構化或非結構化資料，並且包括任何資訊傳遞或傳輸媒體。術語「調變資料信號」或信號意指具有一或多個關於以一或多個信號編碼資訊方式予以設定或改變之特性的信號。藉由非限制性實施例，通訊媒體包括有線網路或直接連線(direct-wired connection)等有線媒體、以及聲音、RF、紅外線和其它無線媒體等無線媒體。
如上所述，本文所述各種技術可用硬體或軟體或任何適當的兩者組合予以實現。如本文所使用，術語「組件」、「系統」以及諸如此類其目的同樣在於意指電腦相關實體，可為硬體、硬體與軟體的組合、軟體、或執行中軟體。例如，組件非限制性地可為在處理器上執行的程序、處理器、物件、可執行碼、執行緒、程式、及/或電腦。藉由描述，在電腦上執行的應用以及電腦兩者都可為組件。一或多個組件可位於程序及/或執行序內以及組件可置於電腦上及/或分佈在二或多部電腦之間。另外，「裝置」的形式可為特製硬體；藉由執行其上能使硬體實施特定功能(例如編碼及/或解碼)之軟體予以專用化的通用硬體；儲存在電腦可讀 取媒體上的軟體；或其組合。
前述系統已就許多組件的互動予以說明。要領會的是，此等系統及組件可包括那些組件或指定子組件，某些指定組件或子組件、及/或附加組件、以及根據前述各種排列和組合的組件。子組件亦可實現成通訊耦接至其它組件而非包括於上層組件(階層化)內的組件。另外，要注意的是，一或多個組件可組合成提供聚合功能的單一組件或分割成許多分離的子組件，以及管理層之類任何一或多個中間層都可予以提供通訊耦接至子組件以便提供整合性功能。本文所述任何組件亦可與未在本文具體描述但熟悉本技藝之人士已知的一或多個其它組件互動。
為了供給或協助本文所述的許多推論(例如，推論音訊區段)，本文所述的組件可檢驗其獲授權存取之資料的全部或子集並且可經由事件及或資料所抓取之一組觀測來合理化或推論關於系統、環境等狀態。舉例而言，推論可用於識別特定脈絡或動作、或可隨狀態產生機率分佈。推論可具有機率性，亦即，基於資料與事件的考量隨關注狀態對機率分佈的計算。推論亦可意指用於自一組事件及/或資料組成更高階事件的技術。
此推論可自一組所觀測事件及/或所儲存事件資料產生新事件或動作的結構，不論此等事件是否密切時間接近相關以及此等事件與資料是否來自一或許多事件與資料源。各種分類(外顯及/或隱喻訓練)架構及/或系統(例如支持向量機、神經網路、專家系統、貝氏信賴網路、模糊邏輯、資料融合引擎等)可連結實施自動及/或與所主張技術主題有關之推論動作予以使用。
分類器可將輸入屬性向量x=(x1,x2,x3,x4,xn)以 f(x)=confidence(class)映射到輸入屬於類別的信賴度(confidence)。此分類可利用機率及/或統計式分析(例如，將分析效用及成本因素考慮進來)預測或推論使用者期望使其自動實施的動作。支持向量機(SVM)是可予以利用之分類器的實施例。SVM藉由在可能輸入空間內找尋超表面(hyper-surface)操作，其中超表面企圖將觸發準則從非觸發事件分離。直覺地，這使分類對於靠近的測試資料正確，但不完全等同於訓練資料。其它指向性(directed)及非指向性模型分類法包括例如，天真貝氏(naïve Bayes)、貝氏網路(Bayesian network)、決策樹、神經網路、模糊邏輯模型、以及提供可予以利用之不同獨立模式(pattern)的機率分類模型。如本文所使用的分類亦包括用來發展優先權模型的統計回歸。
鑑於上述的示例性系統，可根據所述技術主題予以實現的方法將參照各種圖示(例如第9、10、以及20至22圖)的流程圖予以更加領會。儘管為了簡化說明以連串方塊表示並且說明方法，要理解並且領會的是所主張的技術主題不受限於方塊順序，理由是某些方塊可用不同順序及/或與本文所繪及所述的其它方塊同時出現。非循序性或分支性流程係經由流程圖予以描述，要領會的是，各種其它分支、流程路徑、以及方塊順序都可予以實現而達到相同或類似結果。另外，不是所有已描述的方塊都需要用來實現下文所述的方法。
除了本文所述的各種具體實施例，要理解的是，其它類似具體實施例可予以使用或改進與附加項可就所述具體實施例予以施作以供實施對應具體實施例的相同或等效功能而不與之違背。還有，複數處理晶片或複數裝置可共享本文所述一或多項 功能的效能，以及類似地，儲存可跨越複數裝置而生效。因此，本發明不侷限於任何單一具體實施例，而可根據附加的申請專利範圍予以就廣度、精神及範疇作解釋。
900‧‧‧實施例方法
902、904、906、908‧‧‧步驟

Claims (20)

  1. 一種用於估計動作系統之參數的方法，其包含：產生隨時間持續改變的轉矩命令信號；回應該轉矩命令信號而測量動作裝置的速度資料，該速度資料代表該動作系統之速度；以及至少部分基於該速度資料和該轉矩命令信號判斷該動作系統之慣性或摩擦係數的至少其中之一。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該判斷包含至少部份基於該速度資料隨時間範圍的一或多個積分以及該轉矩命令信號隨該時間範圍的一或多個積分判斷該慣性或該摩擦係數的該至少其中之一。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該產生該轉矩命令信號包含根據預界定測試序列調整該轉矩命令信號，其中，該調整包括回應該動作系統達到預界定速度檢查點的該速度改變該轉矩命令信號之變化的方向或速率的至少其中之一。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中該判斷包含：指定該時間範圍的第一區段作為加速階段；指定該時間範圍的第二區段作為減速階段；於該加速階段積分該轉矩命令信號和該速度資料以分別求得Uacc和Vacc；於該減速階段積分該轉矩命令信號和該速度資料以分別求得Udec和Vdec；以及判斷該慣性或該摩擦係數之該至少其中之一作為Uacc、Vacc、Udec、以及Vdec的函數， 其中：Uacc=ʃu acc (t),Vacc=ʃv acc (t),Udec=ʃu dec (t),Vdec=ʃv dec (t),uacc(t)為該轉矩命令信號相當於該加速階段的部份，vacc(t)為該速度資料相當於該加速階段的部份，udec(t)為該轉矩命令信號相當於該減速階段的部份，以及vdec(t)為該速度資料相當於該減速階段的部份。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中，該判斷該慣性或該摩擦係數的該至少其中之一包含根據判斷該慣性、或根據判斷該摩擦係數的至少其中之一，其中：J為該慣性，B為該摩擦係數，△vacc(t)為該動作系統在該加速階段結束時之速度與該動作系統在該加速階段開始時之速度之間的差異，以及△vdec(t)為該動作系統在該減速階段結束時之速度與該動作系統在該減速階段開始時之速度之間的差異。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的方法，復包含基於該慣性或該摩擦係數的該至少其中之一對於該動作系統判斷至少一控制器增益係數。
  7. 一種用於估計動作系統之機械性參數的系統，其包含：記憶體；處理器，配置用來執行該記憶體上所儲存的電腦可執行組件，該電腦可執行組件包含：轉矩命令產生器，配置用來產生在測試序列期間隨時間持續變化之轉矩命令信號；速度監測組件，配置用來取得回應該轉矩命信號隨時間代表動作系統速度之速度資料；以及配置用來基於該轉矩命令信號與該速度資料估計該動作系統之慣性的慣性組件、或配置用來基於該轉矩命令信號和該速度資料估計該動作系統之摩擦係數的摩擦係數組件。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的系統，其中，該慣性組件或該摩擦係數之該至少其中之一係復配置分別用來至少部份基於該速度資料於時間範圍之一或多個積分和該轉矩命令信號於該時間範圍之一或多個積分估計該慣性或該摩擦係數，其中，該時間範圍為該測試序列之持續時間的至少一部份。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的系統，其中，該轉矩命令產生器係復配置用來根據轉矩函數u(t)控制該轉矩命令信號，其中，u(t)係基於與該測試序列之各別階段相關的一組預界定指令，以及其中，該各別階段係回應該動作系統的該速度達到各別界定速度檢查點數值而予以觸發。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的系統，其中該慣性組件或該摩擦係數組件的該至少其中之一係復配置用來估計該慣性作為Uacc、Vacc、Udec、以及Vdec的函數， 其中：Uacc=ʃu acc (t)，Vacc=ʃv acc (t)，Udec=ʃu dec (t)，Vdec=ʃv dec (t)，uacc(t)為該轉矩命令信號對應於該測試序列之加速階段的一部份，vacc(t)為該速度資料對應於該加速階段的一部份，udec(t)為該轉矩命令信號對應於該測試序列之減速階段的一部份，vdec(t)為該速度資料對應於該減速階段的一部份。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的系統，其中，該慣性組件復配置用來基於估計該慣性，其中：J為該慣性，△vacc(t)為該動作系統在該加速階段結束時之速度與該動作系統在該加速階段開始時之速度之間的差異，以及△Vdec(t)為該動作系統在該減速階段結束時之速度與該動作系統在該減速階段開始時之速度之間的差異。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的系統，其中，該摩擦係數組件復配置用來基於估計該摩擦係數，其中， B為該摩擦係數，△vacc(t)為該動作系統在該加速階段結束時之速度與該動作系統在該加速階段開始時之速度之間的差異，以及△Vdec(t)為該動作系統在該減速階段結束時之速度與該動作系統在該減速階段開始時之速度之間的差異。
  13. 如申請專利範圍第7項所述的系統，復包含調諧組件，配置用來產生至少一控制器增益係數作為該慣性或該摩擦係數的至少其中之一之函數。
  14. 一種用於產生動作分佈的方法，其包含：接收設定點，該設定點指示動作裝置之目標位置或目標速度的至少其中之一；以及產生動作分佈，該動作分佈用於將該動作裝置轉換到該目標位置或該目標速度的該至少其中之一，該動作分佈對於該動作分佈之至少一區段界定連續變化作為時間函數的急衝參考。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的方法，其中，該產生該動作分佈包括對於該動作分佈之該至少一區段界定加速參考、速度參考、或位置參考的至少其中之一作為時間函數。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的方法，其中，該產生包含：對於該動作分佈之各別區段計算該急衝參考、加速參考、速度參考、或位置參考的至少其中之一；對於該動作分佈之該等各別區段計算時間持續時間；凑整該等時間持續時間至動作控制器取樣時間各別最接近的倍數，以求得凑整之時間持續時間；以及使用該等凑整之時間持續時間重新計算該急衝參考、該加 速參考、該減速參考、或該速度參考的至少其中之一。
  17. 如申請專利範圍第14項所述的方法，其中，該產生包含根據如下關係式產生該動作分佈： ，以及 其中P為該動作裝置的位置，J為最大加速急衝，I為最大減速急衝，A為最大加速度，D為最大減速度，V為最大速度，t 1為該動作分佈之遞增加速階段與遞減加速階段的持續時間，t 2為該動作分佈之固定加速階段的持續時間，t 3為該動作分佈之定速階段的持續時間，t 4為該動作分佈之遞增減速階段和遞減減速階段的持續時間，t 5為該動作分佈之固定減速階段的持續時間，以及
  18. 一種用於產生動作分佈的系統，其包含：記憶體；處理器，配置用來執行該記憶體上所儲存的電腦可執行組件，該電腦可執行組件包含： 動作分佈產生器，回應對於動作裝置的目標位置或目標速度之接收配置而用來產生具有連續急衝參考的動作分佈，該動作分佈於該動作分佈的至少一階段隨時間持續變化，其中，該動作分佈界定用於將該動作裝置轉換到該目標位置或該目標速度的軌跡。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的系統，其中，該動作分佈產生器復配置用來產生該動作分佈作為至少一所界定限制條件之函數，其中，該至少一所界定限制條件包括取樣時間、速度限制、加速度限制、急衝限制、或減速度限制的至少其中之一。
  20. 如申請專利範圍第18項所述的系統，其中，該動作分佈產生器復配置用來根據如下關係式產生該動作分佈： ，以及 其中：P為該動作裝置的位置，J為最大加速急衝，I為最大減速急衝，A為最大加速度，D為最大減速度，V為最大速度，t 1為該動作分佈之遞增加速階段和遞減加速階段的持續時間，t 2為該動作分佈之固定加速階段的持續時間，t 3為該動作分佈之定速階段的持續時間，t 4為該動作分佈之遞增減速階段和遞減減速階段的持續 時間，t 5為該動作分佈之固定減速階段的持續時間，以及
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