TW202213928A

TW202213928A - 致動裝置及其驅動方法

Info

Publication number: TW202213928A
Application number: TW109132748A
Authority: TW
Inventors: 黃煒生; 郭耀文; 洪麒富
Original assignee: 新代科技股份有限公司
Priority date: 2020-09-22
Filing date: 2020-09-22
Publication date: 2022-04-01
Also published as: TWI774069B

Abstract

一種致動裝置及其驅動方法被提出。致動裝置包括交流馬達以及驅動器。交流馬達接收驅動電壓。驅動器依據命令信號以在第一模式以及第二模式間切換，並依據力學命令以產生扭力命令。驅動器依據扭力命令、設定磁通、設定電壓裕度以及先前電壓命令以產生目前電壓命令，並依據目前電壓命令產生驅動電壓。在第一模式下，驅動器依據命令信號設定第一電壓裕度為設定電壓裕度，並依據力學命令以及交流馬達的轉速資訊以產生設定磁通。在第二模式下，驅動器依據命令信號設定第二電壓裕度為設定電壓裕度。設定磁通等於額定磁通。

Description

致動裝置及其驅動方法

本發明是有關於一種致動裝置及其驅動方法，且特別是有關於一種可以提升性能與效率的致動裝置及其驅動方法。

在過去感應電機對於節能的控制中，大多以不同的方式計算電機的操作點，並沒有針對不同的使用環境，以及在加工的過程中即時去調整控制模式的切換。因此，適用的環境會受到限制，可能僅能適用於空載或是低負載的環境下。如果在整個運轉的過程中，有輕負載卻需要高精度的環境時，則會因為操作磁通較低，而無法提供最佳的響應。此外，在電壓裕度的設計上，過去也並無提出在加工過程中切換電壓裕度的方法，所以為了有良好的加減速性能，通常會將電壓裕度設定較低。而如果此時需要進行精加工，就會因為電壓裕度不足，容易達到電壓的上限值，造成穩定性不佳。

在過去由上位控制器給予指令，以進行控制節能功能的專利中，多是應用於多個工件加工，或是多個加工步驟。例如，部分的電機是在某些加工步驟中，將原先維持在待機的狀態，改成在開始待機前插入斷電的指令，直到需要開始加工前再啟動，以節省待機時的耗能，但這樣的做法便無法在加工動作的過程中進行節能。

有鑑於此，本發明提供一種致動裝置及其驅動方法，可以在加工中動態切換不同模式，同時提升性能、節能以及穩定性。

本發明的致動裝置包括交流馬達以及驅動器。交流馬達接收驅動電壓。驅動器驅動交流馬達。驅動器依據命令信號以在第一模式以及第二模式間切換，並依據力學命令以產生扭力命令。驅動器依據扭力命令、設定磁通、設定電壓裕度以及先前電壓命令以產生目前電壓命令，並依據目前電壓命令產生驅動電壓。其中，在第一模式下，驅動器用以：依據命令信號設定第一電壓裕度為設定電壓裕度，以及依據力學命令以及交流馬達的轉速資訊以產生設定磁通。其中，在第二模式下，驅動器用以：依據命令信號設定第二電壓裕度為設定電壓裕度。其中第一電壓裕度小於第二電壓裕度，以及使設定磁通等於額定磁通。

本發明的驅動方法用以驅動交流馬達，包括：依據命令信號以在第一模式以及第二模式間切換；依據力學命令以產生扭力命令；依據扭力命令、設定磁通、設定電壓裕度以及先前電壓命令以產生目前電壓命令；以及依據目前電壓命令產生用以驅動該交流馬達的驅動電壓。其中，在第一模式：依據命令信號設定第一電壓裕度為設定電壓裕度，以及依據力學命令以及交流馬達的轉速資訊以產生設定磁通。在第二模式下：依據命令信號設定第二電壓裕度為設定電壓裕度，其中第一電壓裕度小於第二電壓裕度，以及使設定磁通等於額定磁通。

基於上述，本發明提出的致動裝置透過設置交流馬達以及驅動器，並搭配驅動方法，可以依據命令信號控制驅動器在第一模式以及第二模式間切換，再依據力學命令產生扭力命令，以依據扭力命令、設定磁通、設定電壓裕度以及先前電壓命令產生目前電壓命令，以及依據目前電壓命令產生驅動電壓來驅動交流馬達。可以在不同的加工環境中，即時調整控制模式的切換，而有效提升性能、節能以及穩定性。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的致動裝置的系統示意圖。在圖1中，致動裝置100包括驅動器101以及交流馬達102。在本實施例中，致動裝置100可耦接至一外部主機。其中外部主機用以控制致動裝置100以執行加工控制動作。本實施例的交流馬達102可以是感應馬達。

在本實施例中，外部主機可以是上位控制器或是具有輸入輸出功能的外部裝置，沒有固定的限制。驅動器101可以為具運算能力的運算器，例如是中央處理單元（Central Processing Unit，CPU），或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器（Microprocessor）、數位訊號處理器（Digital Signal Processor，DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）、可程式化邏輯裝置（Programmable Logic Device，PLD）或其他類似裝置或這些裝置的組合，其可載入並執行電腦程式，以完成對應的操作功能。在一實施例中，驅動器也可以硬體電路方式來實現各種操作功能，其詳細步驟及實施方式可以由所屬技術領域的通常知識獲致足夠的教示、建議與實施說明。

關於本實施例的致動裝置100的操作方式，請同時參照圖1以及圖2，其中圖2繪示本發明實施例的致動裝置的動作流程圖。在本實施例中，步驟S210與步驟S220可以由外部主機執行動作，步驟S230至步驟S250由驅動器110執行動作，步驟S260由交流馬達102執行動作。

在步驟S210中，外部主機開始執行負載的加工動作。外部主機並在步驟S220中發送命令信號CS與力學命令Cmd至驅動器101。

在本實施例中，命令信號CS可由外部電子裝置所提供。命令信號CS可以是由外部主機的輸入輸出（I/O）功能所提供的模式切換命令。在其他實施例中，命令信號CS可以是電腦數控軟體（Computer Numerical Control，CNC）中的機械加工指令（如：G/M碼）。力學命令Cmd可以是速度命令、位置命令、加速度命令等或其他與馬達的動作相關的命令。信號傳遞的介面可以是由任意的輸入介面，沒有固定的限制。

在本實施例中，在步驟S230中，驅動器101可依據命令信號CS在第一模式與第二模式間進行工作模式的切換。其中第一模式與第二模式可分別為智慧節能模式及精修模式。

附帶一提，本發明實施例的驅動器101還可工作在其他模式，不限於只有上述兩種模式。例如，驅動器101還可以依據命令信號CS以工作在一般模式（第三模式），其中在對應相同的交流馬達102的轉速資訊下，致動裝置100在智慧節能模式中的功率消耗可以低於在一般模式中的功率消耗。

在智慧節能模式下，驅動器101透過步驟S241，以依據命令信號CS使設定電壓裕度為第一電壓裕度，並依據力學命令Cmd產生扭力命令，再依據扭力命令和交流馬達102的轉速資訊產生設定磁通。

在精修模式下，驅動器101則透過步驟S242，以依據命令信號CS使設定電壓裕度為第二電壓裕度，並使設定磁通為額定磁通。

在本實施例中，在步驟S250中，驅動器101會計算並產生驅動電壓Vout，再將驅動電壓Vout輸出至交流馬達102。在步驟S260中，交流馬達102會依據驅動器101輸出的驅動電壓Vout進行運作。

在本實施例中，在對應相同的交流馬達102的轉速資訊下，致動裝置100在智慧節能模式中的功率消耗可以低於在精修模式中的功率消耗。

關於驅動器101產生驅動電壓Vout的詳細過程，在後續的實施方法中會有詳細的說明。

在本實施例中，致動裝置100還可以根據各種不同的加工情境需求，選擇適用的加工模式。請參照下表1，表1為在不同負載與不同加工應用情境下，根據各種不同情境的需求，可以適用的加工模式。其中，當致動裝置100執行物件的切削動作時，輕載表示在較輕切削力等受外力較小的情境下，重載則表示在需要較大切削力等用途的情境下。則在做粗加工時，可以使用智慧節能模式，以在輕載時可以降低不必要的激磁電流，達到節能的效果，而在重載時，可以透過降低設定電壓裕度，提升交流馬達102的加減速性能。相對的，在輕載且做精加工時，可以使用精修模式，以提供足夠的設定電壓裕度，並提升交流馬達102的工作的穩定性。其中，表1中的精度與負載的分類只是一種示範例，不用以限制本發明的實施範疇。

精度負載	粗加工	精加工
輕載 / 空載	智慧節能模式	精修模式
重載	智慧節能模式	-

表1

請注意，在本實施例中，致動裝置100可以在加工的過程中進行上述的智慧節能模式與精修模式間的切換。例如，在一實施例中，原先的加工流程是先執行橫向粗車削加工（粗加工），再做一次精加工。若採用本發明的實施方法，在開始啟動加工到精加工之前，可以先選擇智慧節能模式。在粗加工期間，由於可以使設定電壓裕度調到較低，能使交流馬達102在工作時有較好的加減速性能，以及可以節省功耗，達到節能的效果。接著，在執行精加工前，致動裝置100可以接收命令信號CS以切換為精修模式。在精加工期間，由於可以使設定電壓裕度提高，並控制交流馬達102工作在額定的操作點，能使交流馬達102在工作時有較高的穩定性，以符合精加工的需求。最後，在執行完精加工後，致動裝置100亦可再次接收命令信號CS以切換回智慧節能模式。

由上述的說明可以得知，本發明實施例的致動裝置100，可透過在智慧節能模式以及精修模式間，依據實際的加工需求進行切換，並可達到節省功耗、提升加工動作性能及提升交流馬達102的工作的穩定性之效果，有效提升系統的整體效益。

關於本發明圖2實施例中智慧節能模式的動作細節，請參照圖3A。圖3A繪示本發明一實施例的智慧節能模式的動作示意圖。在圖3A中，外部主機303_1用以發送命令信號CS以及力學命令Cmd至驅動器301_1，驅動器301_1用以發送驅動電壓Vout以驅動交流馬達302_1。

在本實施例中，驅動器301_1會依據命令信號CS使設定電壓裕度為第一電壓裕度VL，並依據力學命令Cmd與交流馬達302_1的轉速資訊產生轉速誤差資訊Verr。在本實施方法中，力學命令Cmd可以為速度命令。

在另一方面，第一電壓裕度VL可以是驅動器301_1能施予交流馬達302_1的最大驅動電壓與驅動器301_1判斷進入弱磁控制的電壓值之間的差值。當力學命令Cmd為速度命令時，轉速誤差資訊Verr可以是力學命令Cmd與交流馬達302_1目前的轉速資訊之間的差值。當力學命令Cmd為位置命令時，轉速誤差資訊Verr可以是位置命令與位置回授之間的差值，經過運算後求出的速度命令。

驅動器301_1會依據轉速誤差資訊Verr產生扭力命令Tcmd，再依據扭力命令Tcmd產生設定磁通

以及扭力軸電流資訊Iq。在本實施方法中，設定磁通

可以為節能磁通。

在第一時間點t1上，驅動器301_1會依據第一電壓裕度VL與設定磁通

產生激磁軸電流資訊Id，並依據激磁軸電流資訊Id與扭力軸電流資訊Iq可產生目前電壓命令Vdq(t1)。

接著，在之後的第二時間點t2上，電壓命令Vdq(t1)成為先前電壓命令。此時驅動器301_1再依據激磁軸電流資訊Id、扭力軸電流資訊Iq與先前電壓命令Vdq(t1)產生目前電壓命令Vdq(t2)。

在另一方面，以在第二時間點t2上為範例，驅動器301_1可以判斷目前電壓命令Vdq(t2)是否大於驅動器301_1能施予交流馬達302_1的最大驅動電壓，並在目前電壓命令Vdq(t2)大於最大驅動電壓時，使目前驅動電壓Vout為最大驅動電壓。

在本實施例中，驅動器301_1會依據目前電壓命令Vdq(t2)產生驅動電壓Vout，並用以驅動交流馬達302_1。附帶一提，驅動器301_1可以比較目前電壓命令Vdq(t2)與驅動器301_1的最大驅動電壓以產生驅動電壓Vout。在另一方面，驅動器301_1可以選擇目前電壓命令Vdq(t2)與驅動器301_1的最大驅動電壓兩者之間較小的電壓值以做為驅動電壓Vout。

在本實施例中，當致動裝置100在輕負載的加工情境下，驅動器301_1可以切換至智慧節能模式，以使交流馬達302_1可以在不同的轉速下的工作都具有節能的效果。例如，可以將交流馬達302_1的轉速設置在150~6000轉（RPM），當驅動器301_1切換至智慧節能模式後，交流馬達302_1的工作電流的數值可以較一般模式下降44%~91%，工作電壓的數值可以較一般模式下降63%~91%，以及工作功率的數值也可以較一般模式上升80%~99%，可以成功達到節能的效果。

關於本發明圖1實施方法中精修模式的動作細節，請參照圖3B。圖3B繪示本發明一實施例的精修模式的動作示意圖。圖3B與圖3A具有相似的動作流程，差別在於，在本實施例中，驅動器301_2會依據命令信號CS使設定電壓裕度為第二電壓裕度VH，並依據力學命令Cmd產生轉速誤差資訊Verr，以及使設定磁通

為額定磁通。值得注意的是，在精修模式下，額定磁通與力學命令Cmd無關。在本實施例中，力學命令Cmd可以為速度命令，第二電壓裕度VH可以為一相對高的電壓裕度（第二電壓裕度VH ＞第一電壓裕度VL）。其餘實施方法可參照圖3A的動作說明，於此不另贅述。在本實施例中，因為可以將驅動器301_2的設定電壓裕度提高，可以以使交流馬達302_2在工作時有較好的穩定性。

關於上述致動裝置工作在智慧節能模式與精修模式下，設定電壓裕度的選用，請同時參照圖4A與圖4B。圖4A、4B繪示本發明不同實施例的致動裝置的動作波形圖。

請參照圖4A。在圖4A中，驅動器具有最大驅動電壓V3。當交流馬達工作在高電壓裕度的條件下，工作電壓如波形401所示。而當交流馬達工作在低電壓裕度的條件下，工作電壓如波形402所示。

波形401與波形402在到達時間t1的過程中，交流馬達皆會達到額定轉速。依據波形401(高電壓裕度的條件下)，工作電壓於時間t1後維持在工作電壓V1。依據波形402(低電壓裕度的條件下)，在時間t2時達到電壓飽和，工作電壓於時間t2後維持在工作電壓V2。其中，工作電壓V1、V2皆小於最大驅動電壓V3，且工作電壓V1＜工作電壓V2。由於工作電壓V2＞工作電壓V1，因此在時間t1後，低電壓裕度會有較佳加速度，舉例來說，低電壓裕度可以在時間t3達到最高轉速，而高電壓裕度則要到時間t4才能達到最高轉速，其中時間t3發生的時間點早於於時間t4。

請注意，在本實施例中，在交流馬達在加速過程中工作電壓都會達到穩定的前提下，在工作電壓V1＜工作電壓V2的前提下，波形401相對於波形402具有相對高的電壓裕度。

接著請同時參照圖4A與圖4B。圖4B為圖4A中時間t2之後操作點，波形403與波形404為受到外擾時的電壓波型變化，波形403繪示當交流馬達工作在高電壓裕度的條件下，且交流馬達維持在額定的最高轉速時，其工作電壓為V4。波形404繪示當交流馬達工作在低電壓裕度的條件下，且交流馬達維持在額定的最高轉速時，其工作電壓為V5。在精修模式下，因為電壓裕度較高，因此在受到外力擾動時，不會因為受到電壓上限(V3)而限制住，可以有足夠的電壓進行修正；而低電壓裕度則容易因為達到驅動器最大電壓而受到限制。

因此，基於上述的智慧節能模式與精修模式的控制實施例，本發明的致動裝置可以依據外部主機發送的命令信號與力學命令，將工作模式在智慧節能模式與精修模式中切換。在智慧節能模式下，可以使驅動器的設定電壓裕度調整為低電壓裕度，使交流馬達在工作時有較好的加減速性能。在另一方面，可以依據力學命令產生扭力命令，以決定最佳效率控制的設定磁通，可以減少在輕負載時，激磁電流所造成不必要的損耗，同時達到提升性能以及節能的效果。在精修模式下，可以使驅動器的設定電壓裕度調整為高電壓裕度，以降低進入弱磁控制時的電壓，使交流馬達在工作時有較好的穩定性，在受到外界干擾時，較不會因為受到驅動器的最大驅動電壓而影響。在另一方面，在驅動器的驅動電壓未達飽和前，可以使設定磁通為額定磁通，以在額定激磁電流下進行交流馬達的控制，以使交流馬達有較好的工作響應。

請參照圖5。圖5繪示本發明一實施例的驅動方法方塊圖。其驅動方法可以由前述的致動裝置來實現。在步驟S510中，致動裝置接收命令信號與力學命令。並在步驟S520中可依據命令信號來在第一模式與第二模式間進行工作模式的切換。

在本實施方法中，在步驟S520中，依據命令訊號切換為第一模式時會進入步驟S530，步驟S530包含步驟S531與步驟S532。在步驟S531中，可以使設定電壓裕度為第一電壓裕度，並在步驟S532中依據力學命令以及交流馬達的轉速資訊產生設定磁通。

在本實施方法中，步驟S520中，依據命令訊號切換為第二模式時會進入S540，步驟S540包含步驟S541與步驟S542。在步驟S541中，可以使設定電壓裕度為第二電壓裕度，並在步驟S542中使設定磁通為額定磁通。

在執行完步驟S530或步驟S540後，會進入步驟S550，依據力學命令產生扭力命令。並在步驟S560中，依據扭力命令、設定磁通、設定電壓裕度以及先前電壓命令產生目前電壓命令。最後在步驟S570中依據目前電壓命令產生驅動交流馬達的驅動電壓。

關於上述步驟的實施細節，在前述的多個實施例中已有詳細的說明，在此恕不多贅述。

綜上所述，本發明提出的致動裝置可以透過開放切換控制模式的驅動器，應用於感應電機與不同的加工情境上，使外部裝置在加工的過程中，可以動態切換智慧節能模式與精修模式。其中，智慧節能模式可以降低設定電壓裕度，而有良好的加減速性能。應用在不同的負載下，還可以降低設定磁通以有節能的功效。在運用在暫態的重負載與加減速的需求時，也可以即時調整設定磁通控制操作在超過電機的額定點，而有較低的損耗。相對的，精修模式可以提高設定電壓裕度，並可應用在低負載且需要高穩定性的環境下。因此，本發明提出的致動裝置與驅動方法，透過可以動態切換上述兩種驅動器模式，可以同時提升加工動作的性能、節能以及穩定性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:致動裝置 101、301_1、301_2:驅動器 102、302_1、302_2:交流馬達 303_1、303_2:外部主機 401~404:波形 CS:命令信號 Cmd:力學命令 Id、Iq:電流資訊 S210~S260、S510~S570:步驟 t1~t4:時間 Tcmd:扭力命令 V1~V5、Vout:電壓 Vdq(t1)、Vdq(t2):電壓命令 Verr:轉速誤差資訊 VH、VL:電壓裕度

:設定磁通

圖1繪示本發明一實施例的致動裝置的系統示意圖。圖2繪示本發明實施例的致動裝置的動作流程圖。圖3A繪示本發明一實施例的智慧節能模式的動作示意圖。圖3B繪示本發明一實施例的精修模式的動作示意圖。圖4A、4B繪示本發明不同實施例的致動裝置的動作波形圖。圖5繪示本發明一實施例的驅動方法方塊圖。

S210~S260:步驟

Claims

一種致動裝置，包括：一交流馬達，接收一驅動電壓；一驅動器，驅動該交流馬達，該驅動器依據一命令信號以在一第一模式以及一第二模式間切換，依據一力學命令以產生一扭力命令，依據該扭力命令、一設定磁通、一設定電壓裕度以及一先前電壓命令以產生一目前電壓命令，並依據該目前電壓命令產生該驅動電壓，其中，在該第一模式下，該驅動器用以：依據該命令信號設定一第一電壓裕度為該設定電壓裕度；以及依據該力學命令以及該交流馬達的轉速資訊以產生該設定磁通；其中，在該第二模式下，該驅動器用以：依據該命令信號設定一第二電壓裕度為該設定電壓裕度，其中該第一電壓裕度小於該第二電壓裕度；以及使該設定磁通等於一額定磁通。
如請求項1所述的致動裝置，其中該驅動器用以依據該力學命令以及該交流馬達的轉速資訊以產生一轉速誤差資訊，並依據該轉速誤差資訊以產生該扭力命令。
如請求項1所述的致動裝置，其中該驅動器依據該設定電壓裕度、該設定磁通以及該先前電壓命令以獲得一激磁軸電流資訊，依據該扭力命令以獲得一扭力軸電流資訊，並依據該激磁軸電流資訊以及該扭力軸電流資訊以產生該目前電壓命令。
如請求項1所述的致動裝置，其中該驅動器更包括判斷該目前電壓命令產生的該驅動電壓是否大於一最大驅動電壓，並在該驅動電壓大於該最大驅動電壓時，使該驅動電壓等於該最大驅動電壓。
如請求項1所述的致動裝置，其中對應相同的該交流馬達的轉速資訊，該致動裝置在該第一模式的功率消耗小於等於在該第二模式的功率消耗。
如請求項1所述的致動裝置，其中該驅動器更依據該命令信號以工作在為一般模式的一第三模式，其中對應相同的該交流馬達的轉速資訊，該致動裝置在該第一模式的功率消耗小於在該第三模式的功率消耗。
一種驅動方法，用以驅動一交流馬達，包括：依據一命令信號以在一第一模式以及一第二模式間切換；依據一力學命令以產生一扭力命令；依據該扭力命令、一設定磁通、一設定電壓裕度以及一先前電壓命令以產生一目前電壓命令；以及依據該目前電壓命令產生用以驅動該交流馬達的一驅動電壓，其中，在該第一模式下：依據該命令信號設定一第一電壓裕度為該設定電壓裕度；以及依據該力學命令以及該交流馬達的轉速資訊以產生該設定磁通，在該第二模式下：依據該命令信號設定一第二電壓裕度為該設定電壓裕度，其中該第一電壓裕度小於該第二電壓裕度；以及使該設定磁通等於一額定磁通。
如請求項7所述的驅動方法，其中依據該力學命令以產生該扭力命令的步驟包括：依據該力學命令以及該交流馬達的轉速資訊以產生一轉速誤差資訊；以及依據該轉速誤差資訊以產生該扭力命令。
如請求項7所述的驅動方法，其中依據該扭力命令、該設定磁通、該設定電壓裕度以及該先前電壓命令以產生該目前電壓命令的步驟包括：依據該設定電壓裕度、該設定磁通以及該先前電壓命令以獲得一激磁軸電流資訊；以及依據該扭力命令以獲得一扭力軸電流資訊。
如請求項7所述的驅動方法，更包括：判斷該目前電壓命令產生的該驅動電壓是否大於一最大驅動電壓；以及在該驅動電壓大於該最大驅動電壓時，使該驅動電壓等於該最大驅動電壓。