TW201942692A - 馬達控制系統及其方法 - Google Patents

Abstract

一種馬達控制系統，用以傳送一驅動信號至一驅動裝置，藉以驅動一馬達，並包含一輸入模組、一處理模組與一運動控制運算模組。輸入模組，係用以設定一最大輸出脈衝頻率與複數個運動控制參數。處理模組，係接收最大輸出脈衝頻率，依據一內建基礎時脈數與最大輸出脈衝頻率之比值，產生一單位脈衝時脈數，判斷單位脈衝時脈數與一內建運算時脈數之大小，並定義單位脈衝時脈數與內建運算時脈數中之大者係一實際運算時脈數。運動控制運算模組，係用以接收運動控制參數與實際運算時脈數，據以產生驅動信號。本發明亦揭露一種馬達控制方法。

Description

馬達控制系統及其方法

本發明係有關於一種馬達控制系統及其方法，尤其是指一種可調整實際運算時脈數之馬達控制系統及其方法。

大多數的機械系統需要進行運動軌跡規劃，如CNC工具機、機械手臂、鑽孔機、雕刻機、繪圖機等。這些機具基本上都是多軸運動控制，需要規劃多顆馬達的互相移動、運動路徑的產生、移動速度及加減速的運算、同時移動同時停止所需路徑的插值都是相當重要。因此，運動控制器自然形成系統之核心控制單元。運動控制器主要接收了使用者傳來的運動資料，並將這些資料轉變成驅動信號傳送至馬達驅動器，進而驅動並控制馬達甚至是機械系統的運動軌跡。

一般常見的運動控制器為數位差分分析器(Digital Differential Analyzer；DDA)。數位差分分析器是接收一目標位置，並依據一目標時間，運算產生一脈衝驅動信號，藉以驅動一馬達。

請參閱第一圖，第一圖係顯示先前技術中之馬達控制系統之系統方塊圖。馬達控制系統PA1係用以產生一驅動信號至一驅動裝置PA2，藉以驅動一馬達PA3，並包含一處理模組PA11與一運動控制運算模組PA12，在此馬達控制系統PA1係一數位差分分析器。處理模組PA11係接受一目標位置與一目標時間，並依據一內建運算時脈數(DDA Cycle Time)進行運算，計算出馬達PA3在內建運算時脈數內所需移動之格數。此數值經轉換產生一脈衝驅動信號，並傳送至驅動裝置PA2，以驅動馬達PA3在目標時間內等速走完所需移動的格數，而到達上述目標位置。

然而，先前技術中的馬達控制系統PA1並不會因為最大輸出脈衝頻率的不同，而調整其運算時脈數，都是用其內建運算時脈數進行運算。因此，會造成馬達控制系統PA1都是利用其內建運算時脈數進行運算而沒有彈性。簡單來說，要產生最大輸出脈衝頻率可能不需要馬達控制系統PA1利用其內建運算時脈數那麼快速的運算，也可能馬達控制系統PA1利用其內建運算時脈數運算還是無法產生最大輸出脈衝頻率，但是馬達控制系統PA1不會有任何調整運算時脈的作動，使用者也無法得知馬達控制系統PA1的內建運算時脈數是否足以負荷最大輸出脈衝頻率。

有鑒於在先前技術中，馬達控制系統僅會 依照內建運算時脈數進行運算，而不會依照最大輸出脈衝頻率去調整內建運算時脈數。本發明之一主要目的係提供馬達控制系統及其方法，利用一處理模組依據一最大輸出脈衝頻率定義出一實際運算時脈數，並利用一運動控制運算模組，接收複數個運動控制參數，依據該實際運算時脈數，產生一驅動信號。

本發明為解決先前技術之問題，所採用之必要技術手段為提供一種馬達控制系統，用以傳送一驅動信號至一驅動裝置，藉以驅動一馬達，並包含一輸入模組、一處理模組與一運動控制運算模組。

輸入模組，係用以設定一最大輸出脈衝頻率與複數個運動控制參數。處理模組，係電性連接輸入模組，接收最大輸出脈衝頻率，依據一內建基礎時脈數與最大輸出脈衝頻率之比值，產生一單位脈衝時脈數，判斷單位脈衝時脈數與一內建運算時脈數之大小，並定義單位脈衝時脈數與內建運算時脈數中之大者係一實際運算時脈數。運動控制運算模組，係電性連接處理模組，用以接收運動控制參數與實際運算時脈，據以產生上述驅動信號。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使馬達控制系統，更包含一時脈設定模組，時脈設定模組係電性連接上述處理模組與上述運動控制運算模組，用以接收上述實際運算時脈數，並使上述運動控制運算模組係依據上述實際運算時脈數進行運算。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使馬達控制系統中之時脈設定模組，係一鎖相迴路(Phase Lock Loop；PLL)。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使馬達控制系統中之運動控制運算模組，更包含一補間軸選擇運算單元、一補間模式選擇運算單元與一輸出單元。補間軸選擇運算單元，係用以決定一補間軸控制演算法，並依據該補間軸控制演算法運算出一運動控制數值。補間模式選擇運算單元，係電性連接該補間軸選擇運算單元，用以決定一補間演算法，並依據該補間演算法與該運動控制數值運算出一補間控制數值。輸出單元係電性連接該補間模式選擇運算單元，用以依據該實際運算時脈數、該些運動控制參數、該主軸運算數值與該補間運算數值產生該驅動信號，且該驅動信號係一脈衝驅動信號。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使馬達控制系統中之補間軸控制演算法，係一X軸運動控制演算法、一Y軸運動控制演算法、一Z軸運動控制演算法、一U軸運動控制演算法以及一θ軸運動控制演算法中之一者。

本發明並提供一種馬達控制方法，使用一馬達控制系統，此馬達控制系統包含一輸入模組、一處理模組與一運動控制運算模組，此馬達控制方法包含以下步驟：(a)利用輸入模組，設定一最大輸出脈衝頻率與複數個運動控制參數；(b)利用處理模組，接收最大 輸出脈衝頻率，並依據一內建基礎時脈數與最大輸出脈衝頻率之比值，產生一單位脈衝時脈數；(c)利用處理模組，判斷單位脈衝時脈數與一內建運算時脈數之大小，並定義單位脈衝時脈數與內建運算時脈數中之大者係一實際運算時脈數；以及(d)利用運動控制運算模組，接收運動控制參數與實際運算時脈數，據以產生一驅動信號，並將驅動信號傳送至一驅動裝置，藉以驅動一馬達。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使馬達控制方法中之步驟(c)，更使用一時脈設定模組，且時脈設定模組係用以接收並設定上述實際運算時脈數，並使上述運動控制運算模組係依據上述實際運算時脈數進行運算。

承上所述，本發明所提供之馬達控制系統及其方法，係利用處理模組依據最大輸出脈衝頻率定義出實際運算時脈數，並利用運動控制運算模組，接收複數個運動控制參數，依據實際運算時脈數，產生驅動信號，因實際運算時脈數係依據最大輸出脈衝頻率的不同而會有所改變，故解決了先前技術中，馬達控制系統僅依照其內建運算時脈數運算的問題。

PA1‧‧‧馬達控制系統

PA11‧‧‧處理模組

PA12‧‧‧運動控制運算模組

PA2‧‧‧驅動裝置

PA3‧‧‧馬達

1、1a‧‧‧馬達控制系統

11‧‧‧輸入模組

12、12a‧‧‧處理模組

13、13a‧‧‧運動控制運算模組

131a‧‧‧補間軸選擇單元

132a‧‧‧補間模式選擇單元

133a‧‧‧輸出單元

14a‧‧‧時脈設定模組

2‧‧‧驅動裝置

3‧‧‧馬達

第一圖係顯示先前技術中之馬達控制系統之系統方塊圖； 第二圖係顯示本發明一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之系統方塊圖；第三圖係顯示本發明一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之方法流程圖；第四圖係顯示本發明另一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之系統方塊圖；以及第五圖係顯示本發明另一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之方法流程圖。

請參閱第二圖至第三圖，其中，第二圖係顯示本發明一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之系統方塊圖；以及，第三圖係顯示本發明一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之方法流程圖。如圖所示，一馬達控制系統1係用以傳送一驅動信號至一驅動裝置2，藉以驅動一馬達3，並包含一輸入模組11、一處理模組12與一運動控制運算模組13。

輸入模組11，係用以設定一最大輸出脈衝頻率與複數個運動控制參數，最大輸出脈衝頻率是指要輸出給馬達3的驅動信號的最大頻率，因應馬達的種類、一使用者的需求而會有所不同，運動控制參數可包含：目標位置、目標運動時間、速度、加速度、加加速度、初始位置、初始速度、初始加速度等。輸入模組11可為一電腦、一手機或是其他可用以輸入的裝置。

處理模組12，係電性連接輸入模組11，接 收最大輸出脈衝頻率，依據一內建基礎時脈數與最大輸出脈衝頻率的比值，產生一單位脈衝時脈數，判斷單位脈衝時脈數與一內建運算時脈數的大小關係，並且定義單位脈衝時脈數與內建運算時脈數兩者中的大者為一實際運算時脈數。若單位脈衝時脈數大於內建運算時脈數，處理模組12係定義單位脈衝時脈數為實際運算時脈數；同理，若內建運算時脈數大於單位脈衝時脈數，則定義內建運算時脈數為實際運算時脈數。

運動控制運算模組13，係電性連接處理模組12，用以接收實際運算時脈數與運動控制參數，並依實際運算時脈數去運算運動控制參數，並據以產生驅動信號。而隨著實際運算時脈數的改變，運動控制運算模組13運算的時間也隨之改變，藉以解決先前技術中，馬達控制系統PA1僅會依照其內建運算時脈數進行運算的問題。

如第三圖所示，一種馬達控制方法係用於第二圖之馬達控制系統1，此馬達控制系統1包含一輸入模組11、一處理模組12與一運動控制運算模組13。此馬達控制方法包含以下步驟S101至S107。

步驟S101：利用輸入模組11，設定一最大輸出脈衝頻率與複數個運動控制參數。

步驟S102：利用處理模組12，接收最大輸出脈衝頻率，並依據一內建基礎時脈數與最大輸出脈衝頻率之比值，產生一單位脈衝時脈數。

步驟S103：利用處理模組12，判斷單位脈 衝時脈數是否大於一內建運算時脈數，若判斷為是，則進入步驟S104；若判斷為否，則進入步驟S107。

步驟S104：利用處理模組12，定義單位脈衝時脈數係一實際運算時脈數。

步驟S105：利用運動控制運算模組13，接收運動控制參數與實際運算時脈數，據以產生一運動控制指令。

步驟S106：利用運動控制運算模組13，將運動控制指令轉換成一驅動信號，並將驅動信號傳送至一驅動裝置2，藉以驅動一馬達3。

步驟S107：利用處理模組12，定義內建運算時脈數係一實際運算時脈數，並進入步驟105。

步驟S101係利用輸入模組11設定最大輸出脈衝頻率與運動控制參數，最大輸出脈衝頻率會依照馬達的種類或是使用者的需求而有所改變，運動控制參數係用以供運動控制運算參數運算並產生驅動信號。

步驟S102係利用處理模組12接收最大輸出脈衝頻率，並依據內建基礎時脈數與最大輸出脈衝頻率之比值，產生單位脈衝時脈數。一般而言，馬達控制系統1都會有一內建基礎時脈數，若馬達控制系統1的一內建基礎頻率為50MHz，則內建基礎時脈數就是50M。單位脈衝時脈數係內建基礎時脈數與最大輸出脈衝頻率之比值，意即：產生最大輸出脈衝頻率之脈衝信號所需要的時脈數。

步驟S103係利用處理模組12，判斷單位脈 衝時脈數是否大於一內建運算時脈數，若判斷為是，則進入步驟S104；若判斷為否，則進入步驟S107。

步驟S104與步驟S107係利用處理模組12定義一實際運算時脈數。若單位脈衝時脈數大於內建運算時脈數，表示產生一個最大輸出脈衝所需要的時脈數大於內建運算的時脈數，此時，處理模組12係定義單位脈衝時脈數為實際運算時脈數，以增加馬達控制系統1的運算彈性；若內建運算時脈數大於單位脈衝時脈數，表示內建運算的時脈數無法達到產生一個最大輸出脈衝所需要的時脈數，此時，處理模組12係定義內建運算時脈數為實際運算時脈數。

步驟S105與步驟S106係利用運動控制運算模組13依據運動控制參數與處理模組12定義出的實際運算時脈數進行運算，並產生驅動信號至驅動裝置2，以驅動馬達3。

以實際數值舉例說明，馬達控制系統1的內建基礎時脈數為50M，內建運算時脈數為6，最大輸出脈衝頻率為5MHz。經由處理模組12的運算得到單位脈衝時脈數為10，並判斷單位脈衝時脈數為10大於內建運算時脈數為6，因此，處理模組12係定義單位脈衝時脈數為實際運算時脈數為6。

較易於理解的說法，可以等同為馬達控制系統1的內建運算時間為6微秒(microsecond；μs)，但是產生一個最大輸出脈衝的時間只需要在10微秒內(含10微秒)即可，故處理模組12決定不讓馬達控制系統1 那麼快就產生最大輸出脈衝，而將實際運算時間調整成10微秒。實際上，只要將實際運算時間調整至6微秒至10微秒間，含上限(10微秒)不含下限(6微秒)，即可增加馬達控制系統1的運算彈性，而較佳者為10微秒。此外，不可將實際運算時間調整至超過10微秒，因為超過10微秒則無法達成最大輸出脈衝頻率。

另一舉例說明，馬達控制系統1的內建基礎時脈數為50M，內建運算時脈數為6，最大輸出脈衝頻率為10MHz。經由處理模組12的運算得到單位脈衝時脈數為5，並判斷內建運算時脈數6大於內建脈衝時脈數5，因此，處理模組12係定義內建脈衝時脈數為實際運算時脈數為6。

依據上述的解釋，產生一個最大輸出脈衝的時間需要在5微秒內(含5微秒)，但是馬達控制系統1的內建運算時間為6微秒，雖然前例的解釋是說實際運算時間不能超過產生一個最大輸出脈衝的時間，此舉會無法達成最大輸出脈衝頻率。然而，馬達控制系統1的內建運算時間為6微秒表示最快至少要6微秒才可以運算完，因此就算產生最大輸出脈衝的時間為5微秒，馬達控制系統1也無法達到，故定義內建脈衝時脈數為實際運算時脈數為6。

也就是說，馬達控制系統1無法達到最大輸出脈衝頻率，但馬達控制系統1仍依照其內建脈衝時脈數運算(視同全速運算)，並同時告訴使用者，全速運算仍然無法達到最大輸出脈衝頻率，端看使用者是否要 修改最大輸出脈衝頻率。

請參閱第四圖與第五圖，其中，第四圖係顯示本發明另一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之系統方塊圖；以及，第五圖係顯示本發明另一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之方法流程圖。如圖所示，本發明另一實施例之馬達控制系統1a係用以產生一驅動信號至一驅動裝置2，藉以驅動一馬達3，並包含一輸入模組11、一處理模組12a、一運動控制運算模組13a與一時脈設定模組14a。其中，輸入模組11與前一實施例中相同，故不多加贅述。

處理模組12a與前一實施例中大致相同，係接收最大輸出脈衝頻率，依據一內建基礎時脈數與最大輸出脈衝頻率之比值，產生一單位脈衝時脈數。判斷單位脈衝時脈數與一內建運算時脈數之大小關係，並傳送出單位脈衝時脈數與內建運算時脈數中之大者。

時脈設定模組14a係電性連接處理模組12a，接收單位脈衝時脈數與內建運算時脈數中之大者，並定義單位脈衝時脈數與內建運算時脈數中之大者為一實際運算時脈數。在本實施例中，時脈設定模組14a係一鎖相迴路(Phase Lock Loop；PLL)。

運動控制運算模組13a係電性連接處理模組12a與時脈設定模組14a，並接收運動控制參數與實際運算時脈述。運動控制運算模組13a更包含一補間軸選擇運算單元131a、一補間模式選擇運算單元132a與一輸出單元133a。在本實施例中，運動控制運算模組13a與處理 模組12a係一現場可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array)晶片。另外，此晶片也可包含時脈設定模組14a。

補間軸選擇運算單元131a，係用以決定一補間軸及其對應的補間軸控制演算法，其中，補間軸為主軸與從軸，補間軸控制演算法可為X軸運動控制演算法、Y軸運動控制演算法、Z軸運動控制演算法、U軸運動控制演算法或θ軸運動控制演算法。並且，運算出一運動控制數值。

補間模式選擇運算單元132a，係電性連接補間軸選擇運算單元131a，並依照該運動控制數值，決定一補間演算法，補間演算法可為直線補間演算法、圓弧補間演算法、螺旋補間演算法或位元補間演算法。再利用該補間演算法與運動控制數值，產生一補間控制數值。相較於先前技術中，補間軸幾乎都是以X軸作為主軸，本實施例可自行決定主軸與從軸，因為有些情況下使用X軸以外的軸向作為主軸更適合。此外，還新增了θ軸運動控制演算法，以加速圓弧、螺旋等補間演算。而運動控制數值與補間控制數值係形成一運動控制指令。

輸出單元133a，係電性連接補間模式選擇運算單元132a，接收運動控制數值與補間控制數值，也就是接收運動控制指令，並據以產生驅動信號，且驅動信號係一脈衝驅動信號。

如第五圖所示，本發明之另一實施例提供一種馬達控制方法，此馬達控制方法係用於第四圖之馬 達控制系統1a，並包含以下步驟S201至S209。其中，步驟S201至S203與步驟S101至S103相同，故不再贅述。

在本實施例中，步驟S204與步驟S208係利用處理模組12a傳送單位脈衝時脈數與內建基礎時脈數中之大者，步驟S205與步驟S209係利用時脈設定模組14a接收單位脈衝時脈數與內建基礎時脈數中之大者，並定義該單位脈衝時脈數與內建基礎時脈數中之大者為一實際運算時脈數，藉以使運動控制運算模組13a依照實際運算時脈數進行運算。

步驟S206至步驟207與步驟S105至步驟S106相同，故不多作說明。

綜上所述，本發明所提供之馬達控制系統及其方法，係利用最大輸出脈衝頻率所對應的單位脈衝時脈數與內建運算時脈數進行比較，取較大者作為實際運算時脈數，因此，可解決先前技術都是利用內建運算時脈數進行運算的情形，增加了馬達控制系統的運算彈性。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

Claims (7)

1. 一種馬達控制系統，用以傳送一驅動信號至一驅動裝置，藉以驅動一馬達，包含：一輸入模組，係用以設定一最大輸出脈衝頻率與複數個運動控制參數；一處理模組，係電性連接該輸入模組，接收該最大輸出脈衝頻率，依據一內建基礎時脈數與該最大輸出脈衝頻率之比值，產生一單位脈衝時脈數，判斷該單位脈衝時脈數與一內建運算時脈數之大小，並定義該單位脈衝時脈數與該內建運算時脈數中之大者係一實際運算時脈數；以及一運動控制運算模組，係電性連接該處理模組，用以接收該些運動控制參數與該實際運算時脈數，據以產生該驅動信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制系統，更包含：一時脈設定模組，該時脈設定模組係電性連接該處理模組與該運動控制運算模組，用以接收並設定該實際運算時脈數，使該運動控制運算模組係依據該實際運算時脈數進行運算。
3. 如申請專利範圍第2項所述之馬達控制系統，其中，該時脈設定模組係一鎖相迴路(Phase Lock Loop；PLL)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制系統，其中，該運動控制運算模組，更包含：一補間軸選擇運算單元，係用以決定一補間軸控制演算法，並依據該補間軸控制演算法運算出一運動控制數值；一補間模式選擇運算單元，係電性連接該補間軸選擇運算單元，用以決定一補間演算法，並依據該補間演算法與該運動控制數值運算出一補間控制數值；以及一輸出單元，係用以依據該實際運算時脈數、該些運動控制參數、該運動控制數值與該補間控制數值產生該驅動信號，且該驅動信號係一脈衝驅動信號。
5. 如申請專利範圍第4項所述之馬達控制系統，其中，該補間軸控制演算法係一X軸運動控制演算法、一Y軸運動控制演算法、一Z軸運動控制演算法、一U軸運動控制演算法以及一θ軸運動控制演算法中之一者。
6. 一種馬達控制方法，使用一輸入模組、一處理模組與一運動控制運算模組，並包含以下步驟：利用該輸入模組，設定一最大輸出脈衝頻率與複數個運動控制參數；利用該處理模組，接收該最大輸出脈衝頻率，並依據一內建基礎時脈數與該最大輸出脈衝頻率之比值，產生一單位脈衝時脈數； 利用該處理模組，判斷該單位脈衝時脈數與一內建運算時脈數之大小，並定義該單位脈衝時脈數與該內建運算時脈數中之大者係一實際運算時脈數；以及利用該運動控制運算模組，接收該些運動控制參數與該實際運算時脈數，據以產生一驅動信號，並將該驅動信號傳送至一驅動裝置，藉以驅動一馬達。
7. 如申請專利範圍第6項所述之馬達控制方法，其中，在利用該處理模組，判斷該單位脈衝時脈數與一內建運算時脈數之大小，並定義該單位脈衝時脈數與該內建運算時脈數中之大者係一實際運算時脈數之步驟中，更使用一時脈設定模組，該時脈設定模組係用以接收並設定該實際運算時脈數，並使該運動控制運算模組係依據該實際運算時脈數進行運算。