TW202119749A

TW202119749A - 電流響應補償系統及其方法

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Publication number: TW202119749A
Application number: TW108139469A
Authority: TW
Inventors: 解明潔
Original assignee: 東元電機股份有限公司
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-05-16
Also published as: TWI716175B

Abstract

一種電流響應補償系統包含一第一運算模組、一控制模組、一第一增益模組、一第二運算模組、一第二增益模組與一積分模組。第一運算模組接收前次運算週期的電流回授命令與電流響應補償命令以計算出一電流誤差值。控制模組依據電流誤差值產生一誤差控制命令。第一增益模組利用電流響應補償命令與一第一增益值計算出一電流增益值。第二運算模組利用輸出電壓命令、電流誤差值與電流增益值運算出一總和值，且第二增益模組據以運算出一總和增益值。積分模組接收總和增益值並在一時間區間內加以積分，藉以形成本次運算週期之電流響應補償命令。

Description

電流響應補償系統及其方法

本發明係有關於一種系統及方法，尤其是指一種電流響應補償系統及其方法。

請參閱第一圖與第二圖，其中，第一圖係顯示先前技術中之伺服馬達控制系統之方塊圖；以及，第二圖係顯示先前技術中之電流響應圖。如圖所示，一種伺服馬達控制系統包含一電流控制器PA1、一第二向量控制器PA2、一功率板PA3、一馬達PA4、一第一向量控制器PA5與一運算器PA6。

運算器PA6、電流控制器PA1、第二向量控制器PA2、功率板PA3與馬達PA4依序電性連接。第一向量控制器PA5電性連接馬達PA4與運算器PA6。

第一向量控制器PA5用以偵測馬達PA4的三相電流，並將三相電流轉換成兩相電流（u、v、w軸轉換成d、q軸），藉以獲得馬達PA4的電流回授。然而，電流回授易有頻寬限制。而頻寬限制的原因包含回授的低通濾波器與取樣延遲等。

運算器PA6用以接收電流回授，並與電流命令進行運算以產生電流誤差值。電流控制器PA1會依據電流誤差值產生輸出電壓命令。第二向量控制器PA2會接收輸出電壓命令，並將輸出電壓命令轉換成三相電壓命令。最後，功率板PA3接收三相電壓命令，並經由脈波寬度調變後輸出至馬達PA4，並形成一電流控制迴路。然而，電流控制迴路也會有頻寬限制，原因包含電流控制器PA1的演算延遲與功率板PA3輸出至馬達PA4的延遲等。上述的回授取樣延遲、演算延遲與輸出延遲可以視為系統總延遲量，其中，影響系統總延遲量最重的是回授取樣延遲。

而在先前技術中的電流響應如第二圖所示，當在一時點T1加入一電流步階命令時，整個系統的電流會在時點T2開始作動，並在時點T3到達電流步階命令。然而，時點T3後會產生過衝（overshoot）並振盪，使得系統並不穩定。因此，先前技術中的伺服馬達控制系統具有改善的空間。

有鑒於在先前技術中，伺服馬達控制系統的頻寬限制、延遲與電流過衝以及振盪等問題。本發明之一主要目的係提供一種電流響應補償系統，用以解決先前技術中的至少一個問題。

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電流響應補償系統，用以在每一次運算週期接收一第一向量控制器所傳送之一回授電流命令與一電流控制器所輸出之一輸出電壓命令，據以在每一次運算週期分別產生一電流響應補償命令，並包含一第一運算模組、一控制模組、一第一增益模組、一第二運算模組、一第二增益模組與一積分模組。

第一運算模組用以接收前次運算週期之回授電流命令與前次運算週期之電流響應補償命令，並據以運算一電流誤差值。控制模組電性連接第一運算模組，用以擷取電流誤差值，並據以產生一誤差控制命令。第一增益模組具有一第一增益值，用以接收前次週期之電流響應補償命令，將電流響應補償命令解析出一電流補償值，並利用第一增益值與電流補償值運算出一電流增益值。第二運算模組用以接收前次週期之輸出電壓命令以解析出一輸出電壓值，並擷取電流誤差值與電流增益值，藉以利用輸出電壓值、電流誤差值與電流增益值運算出一總和值。

第二增益模組電性連接第二運算模組，具有一第二增益值，用以接收總和值，並利用第二增益值與總和值運算出一總和增益值。積分模組電性連接第二增益模組，用以接收總和增益值並在一時間區間內加以積分，藉以形成本次運算週期之電流響應補償命令。其中，本次運算週期係接續在前次運算週期之後。

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電流響應補償系統中之控制模組，係一微控制器。

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電流響應補償系統中之積分模組，係一積分器。

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電流響應補償系統中之該第一增益值，係一與電感以及電阻相關之電氣參數。

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電流響應補償系統中之第二增益值，係一與電感以及電阻相關之電氣參數。

本發明為解決先前技術之問題，所採用之必要技術手段為另外提供一種電流響應補償方法，利用如上所述之電流響應補償系統加以實施，並包含：(a)利用第一運算模組，接收前次運算週期之回授電流命令與前次運算週期之電流響應補償命令，並據以運算出電流誤差值；(b)利用控制模組，擷取電流誤差值，並據以產生誤差控制命令；(c)利用第一增益模組，接收前次運算週期之電流響應補償命令，解析出電流補償值，並利用第一增益值與電流補償值運算出電流增益值；(d)利用第二運算模組，接收前次運算週期之輸出電壓命令以解析出輸出電壓值，並擷取電流誤差值與電流增益值，藉以利用輸出電壓值、電流誤差值與電流增益值運算出總和值；(e)利用第二增益模組，接收總和值，並利用第二增益值與總和值運算出總和增益值；以及，(f)利用積分模組，接收總和增益值並在時間區間內加以積分，藉以形成本次運算週期之電流響應補償命令。

承上所述，本發明所提供電流響應補償系統及其方法，利用第一運算模組、控制模組、第一增益模組、第二運算模組、第二增益模組與積分模組，在每一次運算週期產生電流響應補償命令，藉以隨時針對電流進行修正與補償。

下面將結合示意圖對本發明的具體實施方式進行更詳細的描述。根據下列描述和申請專利範圍，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，圖式均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

請參閱第三圖至第四圖，其中，第三圖係顯示本發明較佳實施例所提供之電流響應補償系統之方塊圖；以及，第四圖係顯示本發明較佳實施例之電流響應圖。如圖所示，一運算器7、一電流控制器2、一第二向量控制器3、一功率板4與一馬達5依序電性連接。第一向量控制器6則是電性連接馬達5。上述元件與第一圖中皆相同，故不予以贅述。電流控制器2會輸出一輸出電壓命令，第一向量控制器6會偵測馬達5的一三相電流，並轉換成一兩相電流，藉以獲得並輸出一電流回授命令。

一種電流響應補償系統1電性連接第一向量控制器6、電流控制器2與運算器7，並包含一第一運算模組11、一控制模組12、一第一增益模組13、一第二運算模組14、一第二增益模組15與一積分模組16。電流響應補償系統1用以在每一次運算週期內接收電流回授命令與輸出電壓命令，並在每一次運算週期分別產生一電流響應補償命令。大致上來說，電流響應補償系統1會接收前次運算週期的各個命令，據以運算出本次運算週期的電流響應補償命令。其中，本次運算週期是接續在前次運算週期之後。

在詳細說明本發明的各個模組之前，先提供一馬達電壓方程式：

，其中，V_dq 為兩軸電壓、i_dq 為兩軸電流、R為電阻值、L為電感值、V_f 為反電動勢。馬達電壓方程式為所屬技術領域中的通常知識，故不多加贅述。

第一運算模組11用以接收前次運算週期的電流回授命令與前次運算週期的電流響應補償命令，據以運算出一電流誤差值。第一運算模組11可為一減法器、一運算器、一運算晶片或是其他具有運算功能的模組。

控制模組12電性連接第一運算模組11，用以擷取電流誤差值，並依照電流誤差值產生一誤差控制命令。

第一增益模組13具有一第一增益值，用以接收前次週期的電流響應補償命令，並將電流響應補償命令解析出一電流補償值。最後，第一增益模組13會利用第一增益值與電流補償值運算出一電流增益值。電流增益值可與馬達電氣參數為一比例相關值，其中，馬達電氣參數可為一電感值（如上述馬達電壓方程式中的L）、一電阻值（如上述馬達電壓方程式中的R）。

第二運算模組14用以接收前次週期的輸出電壓命令，並自輸出電壓命令解析出一輸出電壓值。接著，第二運算模組14擷取電流誤差值與電流增益值，並利用輸出電壓值、電流誤差值與電流增益值運算出一總和值。更詳細的說明，第二運算模組14會將輸出電壓值加上電流誤差值並扣掉電流增益值以運算出總和值。總和值的用意在於利用輸出電壓命令與前次週期的電流響應補償命令進行預測補償，也就是讓電流響應補償命令直接與輸出電壓命令進行響應。

因為第二運算模組14直接擷取電流控制器2所輸出的輸出電壓命令，故可以有效避免功率板4輸出至馬達5的輸出延遲以及第一向量控制器6的回授取樣延遲，進而有效降低系統總延遲量。另外，以物理的觀點來看，總和值可以視為是一種電壓值。

第二增益模組15電性連接第二運算模組14，並具有一第二增益值。第二增益模組15用以接收總和值，並利用第二增益值與總和值運算出一總和增益值。

積分模組16電性連接第二增益模組15，用以接收總和增益值，並在一時間區間內加以積分，藉以形成本次運算週期的電流響應補償命令。總和增益值與電流響應補償命令的關係如下列電壓電流電感相關之方程式：

。

積分模組16會將本次運算週期的電流響應補償命令輸出至運算器7。運算器7會將一電流命令扣掉本次運算週期的電流響應補償命令後，形成本次運算週期的系統電流誤差值，並將本次運算週期的系統電流誤差值輸入至電流控制器2。電流控制器2接收到本次運算週期的系統電流誤差值後，會據以產生並輸出本次運算週期的輸出電壓命令。同理，第一向量控制器6也會轉換出本次運算週期的電流回授命令。

因為本發明牽扯到每一次運算週期，故以下將以上述的前次運算週期與本次運算週期，並新增下次運算週期進行簡單說明。依照前述內容，電流響應補償系統1會接收前次運算週期的電流回授命令、前次運算週期的輸出電壓命令與前次運算週期的電流響應補償命令，藉以產生本次運算週期的電流響應補償命令，進一步獲得本次運算週期的電流回授命令與本次運算週期的輸出電壓命令。

接著，電流響應補償系統1會接收本次運算週期的電流回授命令、本次運算週期的輸出電壓命令與本次運算週期的電流響應補償命令，藉以產生下次運算週期的電流響應補償命令，並進一步獲得下次運算週期的電流回授命令與下次運算週期的輸出電壓命令。

因此，可以將本次運算週期視為新的前次運算週期，並將下次運算週期視為新的本次運算週期。以此類推至每個運算週期。

經過電流響應補償系統1產生的電流響應補償命令後的電流響應圖，可參閱第四圖，並且可以與第二圖一起進行比較。第四圖中，仍是在與第二圖中相同的時點T1給予一電流步階命令。從圖式中可以明顯看出，在本發明中的電流響應明顯趨於穩定，不會產生過衝更不會產生振盪。而且，相較於先前技術，本發明的電流作動的時間也為時點T1，較先前技術的時點T2來得早；電流響應至電流步階命令的時點T4也較先前技術的時點T3早，故可以解決電流響應延遲的問題。

需說明的是，一般認為電流響應越早，電流過衝量越大，系統震盪會越劇烈的前提建立在系統總延遲量相同的情況下。而本發明較佳實施例所提供的電流響應補償系統1，有效降低了系統總延遲量，因此，在系統總延遲量減少的情況下，即便本發明中的電流響應至電流步階命令的時點T4較先前技術的時點T3早，也不會產生更大的電流過衝量，更不會造成系統震盪更劇烈。

雖然先前技術中的「電流回授的取樣延遲」、「電流控制器的演算延遲」與「電壓命令自功率板輸出至馬達的演算延遲」在本發明依然存在，但是藉由本發明所提供之電流響應補償系統1利用直接擷取輸出電壓命令所產生的電流響應補償命令，可以先行避免電流回授的取樣延遲與電壓命令自功率板輸出至馬達的演算延遲，並且使電流響應補償命令直接與輸出電壓命令進行響應，故可以大幅減少系統總延遲量，進而在使得電流響應時間較早，且不會產生電流過衝量以及造成系統震盪劇烈。

請參閱第三圖與第五圖，其中，第五圖係顯示本發明較佳實施例所提供之電流響應補償方法之流程圖。一種電流響應補償方法利用如第三圖所示之電流響應補償系統1加以實施，並包含以下步驟S101至步驟S106。

步驟S101：利用第一運算模組，接收前次運算週期之回授電流命令與前次運算週期之電流響應補償命令，並據以運算出電流誤差值。

步驟S101是利用如第三圖中的第一運算模組11進行運算。

步驟S102：利用控制模組，擷取電流誤差值，並據以產生誤差控制命令。

步驟S102是利用如第三圖中的控制模組12產生誤差控制命令。

步驟S103：利用第一增益模組，接收前次運算週期之電流響應補償命令，解析出電流補償值，並利用第一增益值與電流補償值運算出電流增益值。

步驟S103是利用如第三圖中的第一增益模組13加以運算。

步驟S104：利用第二運算模組，接收前次運算週期之輸出電壓命令以解析出輸出電壓值並擷取電流誤差值與電流增益值，藉以利用輸出電壓值、電流誤差值與電流增益值運算出總和值。

步驟S104是利用如第三圖中的第二運算模組14加以運算出總和值。

步驟S105：利用第二增益模組，接收總和值，並利用第二增益值與總和值運算出總和增益值。

步驟S105是利用如第三圖中的第二增益模組15加以運算出總和增益值。

步驟S106：利用積分模組，接收總和增益值並在時間區間內加以積分，藉以形成本次運算週期之電流響應補償命令。

步驟S106是利用如第三圖中的積分模組16加以形成本次運算週期的電流響應補償命令。

綜上所述，本發明所提供之電流響應補償系統及其方法，接收前次運算週期的電流回授命令與輸出電壓命令，並利用第一運算模組、控制模組、第一增益模組、第二運算模組、第二增益模組與積分模組，據以在美一運算週期分別產生電流響應補償命令。相較於先前技術，本發明的電流響應時間較短，且不會產生過衝與振盪，使得系統更為穩定。

此外，本發明在馬達通電的狀態下，可以隨時計算電流響應補償命令，並進行修正，能有效解決延遲所造成的響應限制問題。

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。

PA1:電流控制器 PA2:第二向量控制器 PA3:功率板 PA4:馬達 PA5:第一向量控制器 PA6:運算器 T1、T2、T3:時點 1:電流響應補償系統 11:第一運算模組 12:控制模組 13:第一增益模組 14:第二運算模組 15:第二增益模組 16:積分模組 2:電流控制器 3:第二向量控制器 4:功率板 5:馬達 6:第一向量控制器 7:運算器 T4:時點

第一圖係顯示先前技術中之伺服馬達控制系統之方塊圖；第二圖係顯示先前技術中之電流響應圖；第三圖係顯示本發明較佳實施例所提供之電流響應補償系統之方塊圖；第四圖係顯示本發明較佳實施例之電流響應圖；以及第五圖係顯示本發明較佳實施例所提供之電流響應補償方法之流程圖。

1:電流響應補償系統

11:第一運算模組

12:控制模組

13:第一增益模組

14:第二運算模組

15:第二增益模組

16:積分模組

2:電流控制器

3:第二向量控制器

4:功率板

5:馬達

6:第一向量控制器

7:運算器

Claims

一種電流響應補償系統，係用以在每一次運算週期接收一第一向量控制器所傳送之一回授電流命令與一電流控制器所輸出之一輸出電壓命令，據以在每一次運算週期分別產生一電流響應補償命令，並包含：一第一運算模組，係用以接收前次運算週期之該回授電流命令與前次運算週期之該電流響應補償命令，並據以運算一電流誤差值；一控制模組，係電性連接該第一運算模組，用以擷取該電流誤差值，並據以產生一誤差控制命令；一第一增益模組，係具有一第一增益值，用以接收前次週期之該電流響應補償命令，將該電流響應補償命令解析出一電流補償值，並利用該第一增益值與該電流補償值運算出一電流增益值；一第二運算模組，係用以接收前次週期之該輸出電壓命令以解析出一輸出電壓值，並擷取該電流誤差值與該電流增益值，藉以利用該輸出電壓值、該電流誤差值與該電流增益值運算出一總和值；一第二增益模組，係電性連接該第二運算模組，具有一第二增益值，用以接收該總和值，並利用該第二增益值與該總和值運算出一總和增益值；以及一積分模組，係電性連接該第二增益模組，用以接收該總和增益值並在一時間區間內加以積分，藉以形成本次運算週期之該電流響應補償命令；其中，本次運算週期係接續在前次運算週期之後。
如申請專利範圍第1項所述之電流響應補償系統，其中，該控制模組係一微控制器。
如申請專利範圍第1項所述之電流響應補償系統，其中，該積分模組係一積分器。
如申請專利範圍第1項所述之電流響應補償系統，其中，該第一增益值係一與電感以及電阻相關之電氣參數。
如申請專利範圍第1項所述之電流響應補償系統，其中，該第二增益值係一與電感以及電阻相關之電氣參數。
一種電流響應補償方法，係利用如申請專利範圍第1項所述之電流響應補償系統加以實施，並包含： (a) 利用該第一運算模組，接收前次運算週期之該回授電流命令與前次運算週期之該電流響應補償命令，並據以運算出該電流誤差值； (b) 利用該控制模組，擷取該電流誤差值，並據以產生該誤差控制命令； (c) 利用該第一增益模組，接收前次運算週期之該電流響應補償命令，解析出該電流補償值，並利用該第一增益值與該電流補償值運算出該電流增益值； (d) 利用該第二運算模組，接收前次運算週期之該輸出電壓命令以解析出該輸出電壓值，並擷取該電流誤差值與該電流增益值，藉以利用該輸出電壓值、該電流誤差值與該電流增益值運算出該總和值； (e) 利用該第二增益模組，接收該總和值，並利用該第二增益值與該總和值運算出該總和增益值；以及 (f) 利用該積分模組，接收該總和增益值並在該時間區間內加以積分，藉以形成本次運算週期之該電流響應補償命令。