TWI408893B - 伺服馬達低速控制方法與裝置 - Google Patents

Description

伺服馬達低速控制方法與裝置

本發明係有關一種伺服馬達低速控制方法與裝置，尤指一種使用現有的伺服晶片與編碼器，利用內插計算的方法，產生高解析度編碼器訊號，利用既有的編碼器傳輸格式，傳輸到現有的伺服控制晶片，而使低速度控制可以在目前現有的資源完成與實現。

按，隨著科技的進步，伺服馬達控制不管是在傳統產業或科技產業方面，都扮演的相當重要的關鍵組件，但由於晶片設計的技術提高，朝高精度控制方向邁進在伺服馬達控制領域是必然的趨勢。於高精度控制方法的實現上，對於所採用伺服控制晶片的性能或編碼器的解析度有極高的規格與要求，但市售的伺服控制晶片或編碼器功能與性能僅限於一般用途，若要使用特殊規格控制晶片或編碼器，就會提高成本，因此必須尋求利用既有的伺服控制晶片與編碼器的架構，能夠提升伺服驅動器性能的方法，此方法必須能夠支援既有控制晶片的傳輸界面，同時提高既有編碼器的解析度，同時要顧及伺服驅動器所處的環境比一般室內環境條件更為惡劣，所以對於環境雜訊必須要有更大的容忍程度，或者是對於雜訊必須要有濾除的能力或方法。

目前解析度較低的編碼器的傳輸格式為並列傳輸，而解析度較高的編碼器傳輸格式皆以串列傳輸為主，且其腳位數目與解析度較低編碼器不同，另與編碼器搭配市售的伺服控制晶片對於資料的傳輸，僅支援並列傳輸，而不支援串列傳輸，因此市售的伺服控制晶片，對於高解析度編碼器的串列傳輸，並無規劃特定腳位功能去支援，因此伺服驅動器的性能將被編碼器的解析度所限制，若要使用市售的伺服控制晶片去做達到高精度控制，也無法達到高性能伺服驅動器規格，若欲對應高解析度的編碼器的資料接收，必須多增加一顆訂作的伺服控制晶片，因此提高成本，若不使用訂作的伺服控制晶片，則伺服驅動器的伺服控制晶片也必須支援高解析度編碼器的傳輸格式與腳位，相對地採購成本亦較市售伺服控制晶片為高，不利於大量採用。

若未使用高解析度的編碼器，通常性的作法為使用減速機構去達到低轉速輸出的要求，但是使用減速機構後，伺服馬達機構的體積就會增加許多，整體機構設計成本會因此提高，且減速機構也有因磨耗降低壽命的問題，必須定時維修及更換，因此造成系統成本的增加，且使用減速機構後，將造成高低速換檔會有不順暢的情況，因此若能不使用減速機構卻能達到高速度控制比的性能要求，高經濟效益的效果就會呈現，而且若能使用低解析度的編碼器，來達到高速度控制比的性能要求，高經濟效益的效果更為顯著。

有關於習知改良伺服馬達低速控制架構，請參閱美國發明專利US6556131號，其中伺服馬達位置感測器輸出訊號為弦波，將弦波經過類比數位轉換晶片後，經過處理器內部轉換後，將伺服馬達位置傳輸出去，其所採用的方法為將類比數位晶片的輸出資料，經過表格對應後，根據伺服馬達當時的速度，使用不同的方塊模組，計算出伺服馬達位置，而編碼器解析度則是根據處理器的處理速度與計算位元的數目決定解析度，而非固定的解析度。

而本案的編碼器則是採用目前市面上的編碼器，其解析度已經固定，經過本案所提出的方法將其解析度增加，再將資料傳輸給伺服控制晶片，從習知案件與本案的說明中，可以得到習知案件與本發明的目的都是提高伺服馬達位置的解析度，但是差別是在於，習知案件必須先把伺服馬達感測器弦波訊號經過類比數位晶片，其中類比數位晶片的位元數會影響伺服馬達的解析度，且處理器的位元數對伺服馬達的解析度也有影響，且伺服晶片也必須有傳輸腳位支援處理器的伺服馬達位置輸出資料格式。

基於解決以上所述習知技藝的缺失，本發明為一種伺服馬達低速控制方法與裝置，主要目的提出一種方法與架構，使用現有的伺服晶片與編碼器，利用內插計算的方法，產生高解析度編碼器訊號，利用既有的編碼器傳輸格式，傳輸到現有的伺服控制晶片，而使低速度控制可以在目前現有的資源完成與實現。

本發明之另一目的在於採用訊號處理的觀念，提高編碼器解析度，達到高精度控制的性能規格，也因為使用訊號處理的觀念與技巧，對於高雜訊環境下的編碼器資料傳輸下，能夠擁有較佳的訊號品質，即使在高雜訊環境下，高訊號品質高解析度的編碼器資料傳輸訊號，能夠不被影響與出現傳輸錯誤，使得低速控制性能規格能被實現，達到更精細更寬廣的速度控制範圍。

為達上述目的，本發明為一種伺服馬達低速控制裝置，其係包括有：一伺服馬達；一編碼器，由該伺服馬達獲得速度的信號，並經編碼作業後輸出一低解析度編碼信號；一插入值計算單元，接收該編碼器所輸出之低解析度編碼信號，並以內插數值的方式使該低解析度編碼信號變成高解析度編碼信號，並輸出該高解析度編碼信號；一伺服控制晶片，用以接收該插入值計算單元所輸出高解析度編碼信號，經由運算處理後輸出一開關控制指令，且具有內部參數設定功能；以及一電源模組，接受該伺服控制晶片所輸出的開關控制指令給伺服馬達，以調整伺服馬達的速度。

為進一步對本發明有更深入的說明，乃藉由以下圖示、圖號說明及發明詳細說明，冀能對　貴審查委員於審查工作有所助益。

茲配合下列之圖式說明本發明之詳細結構，及其連結關係，以利於　貴審委做一瞭解。

本發明提出一種架構可以支援目前市場上的伺服控制晶片的編碼器界面，可以使用編碼器，同時提升低速控制精準度；亦可使用高解析度的編碼器更進一步提升高解析編碼器的效能。而不被編碼器解析度限制驅動器的性能，因此對於編碼器的解析度選擇，具有相當高的彈性，且不使用減速機構的情況下，體積與成本都可以節省。整合以上的說明，此方法具有成本低、體積小、擴充與實用性高，對於提升伺服馬達驅動器的編碼器解析度的方法，不僅可以使用既有的伺服控制晶片，同時提高原有伺服馬達驅動器的性能。

請同時參閱圖二、三所示，其中伺服馬達低速控制裝置，其係包括有：一伺服馬達1；一編碼器2，由該伺服馬達1獲得速度的信號，並經編碼作業後輸出一低解析度編碼信號，該編碼器輸出為一方波訊號，且該方波訊號可為差動訊號或單端訊號，該編碼器1所輸出低解析度編碼信號的輸出格式係為並列輸出；一插入值計算單元3，該插入值計算單元3的組成包括有：一低通濾波器31、一邊緣偵測單元32、一內插值計算單元33、一位置計算單元34、一比較器35及一多工器36，接收該編碼器1所輸出之低解析度編碼信號，並以內插數值的方式使該低解析度編碼信號變成高解析度編碼信號，並輸出該高解析度編碼信號，該插入值計算單元3之內插數值方法係為使由編碼器所輸入訊號的方波數增加，並將此訊號提供給該伺服控制晶片4，增加解析度可以透過伺服控制晶片4內部參數設定來達成。該內插數值的計算方式為根據該伺服控制晶片4內部最終解析度的數值，與當時編碼器2解析度數值，計算出每次內插方波個數，再根據當時伺服馬達1速度與速度命令計算輸出頻率後，再將方波訊號輸出；一伺服控制晶片4，用以接收該插入值計算單元3所輸出高解析度編碼信號，經由運算處理後輸出一開關控制指令，且具有內部參數設定功能，該伺服控制晶片4更係具有雜訊抑制功能，該伺服控制晶片4更係具有將編碼器差動訊號轉為單端訊號功能；一電源模組5，接受該伺服控制晶片4所輸出的開關控制指令給伺服馬達1，以調整伺服馬達1的速度。

上述伺服控制晶片4的連接界面有兩種，對應接收編碼器2的傳輸界面亦有兩種，一種為並列數位傳輸，因此可以將內插位置的資料直接傳輸給伺服控制晶片4；一種為增量型並列傳輸，可將內插數值的位置資料改為方波輸出到伺服控制晶片4。將編碼器2的訊號經過運算處理後，傳輸給伺服控制晶片4，其中編碼器2格式轉換成伺服控制晶片4的輸出方波格式，而插入值計算單元3可以使用一可程式化的邏輯晶片(FPGA)，內部使用一低通濾波器31(LPF)濾除雜訊，再經過邊緣偵測單元32、內插值計算單元33、位置計算單元34、比較器35及多工器36做信號處理，將轉換出來的較高解析度編碼訊號給伺服控制晶片1。

請參閱圖四所示，係為圖三較為詳細電路架構圖，其係更一步揭露該伺服控制晶片4的組成包括有：一速度比例積分微分控制器41、一電流比例積分微分控制器42、一電流偵測器43、一速度監測器44及一編碼器界面45。將伺服控制晶片4編碼器界面45轉換的功能也包含在插入值計算單元3功能內，使的本發明在提高解析度的方法能夠不被伺服控制晶片4與編碼器2輸入界面所限制，對於伺服控制晶片4的種類能夠具有較高的彈性。整合以上的討論可以了解本發明的優點如下：

(1)提高編碼器的解析度；

(2)對於高雜訊環境下，能夠除去雜訊的影響；

(3)對於不同伺服控制晶片編碼器界面都能夠處理，不受限於伺服控制晶片的型式；

(4)提供伺服驅動器較佳的編碼器資料，達到低速控制的目標。

請參閱圖五所示，係為本發明插入值計算單元與伺服控制晶片之動作流程示意圖，並請同時參照上述圖二、四揭露的架構，包括有下列步驟：61～編碼信號輸入，並經由一低通濾波器濾除雜訊；62～速度命令輸入，並經由一低通濾波器濾除雜訊；63～一邊緣偵測單元接收已濾除雜訊之編碼信號，該編碼信號使邊緣偵測單元觸發一內插值計算單元作動，該編碼信號係為一方波，邊緣偵測即為偵測方法的高電位及低電位的方法；64～內插值計算單元同時接收編碼信號及速度命令，計算處理以增加訊號解析度；65～內插值計算單元完成增加訊號解析度的工作，並將新的訊號解析度位置輸出；66～一比較器接收內插值計算單元新的訊號解析度位置，並接收一位置計算單元所預設訊號解析度，並將二者加以比較，並判斷內插值計算單元新的訊號解析度是否符合預設訊號解析度，若內插值計算單元新的訊號解析度符合計算單元所預設訊號解析度，則藉由一多工器將該訊號解析度輸出；若內插值計算單元新的訊號解析度未符合計算單元所預設訊號解析度，則使內插值計算單元繼續計算處理以增加訊號解析度；67～伺服控制晶片的速度監測器抓取訊號解析度位置；68～伺服控制晶片的速度比例積分控制器根據速度監測器抓取訊號解析度位置以及電流比例積分微分控制器的參數，來計算伺服馬達應調整之速度；69～伺服控制晶片運算處理後輸出一開關控制指令。

上述步驟63至66皆在插入值計算單元8之內部完成，而步驟67至69皆在伺服控制晶片9內部完成。利用該二元件的作動，即可精確控制伺服馬達低速轉速。

回路時間為原有架構在每次運算過程，所花費的時間。若不採用本架構圖中所示的流程，在低速運轉中，若使用編碼器，每次回路時間伺服控制晶片接收到的位置資料會沒有改變，造成控制演算法的輸出資料會有較大波動若採用圖五中的流程，將內插後的資料傳輸到伺服控制晶片9，則每次控制演算法所計算出來的值都有改變，使得控制過程中的波動會較小。步驟63中接收到編碼器的邊緣觸發改變訊號，就執行內插過程，根據當時速度命令與伺服馬達速度，計算新的位置，滿足內插條件後，將新的位置輸出到伺服控制晶片，使伺服控制晶片依據當時位置做速度控制。

請參閱圖六所示，係為本發明伺服馬達低速控制裝置之另一功能方塊示意圖，與圖三的差異僅在於插入值計算單元3可內建於伺服器晶片4內部，因此可以將整個運算過程的硬體也實作在伺服控制晶片內部，增加伺服控制晶片4的特殊功能。

請參閱圖七所示，係為本發明編碼器輸出信號經由插入值計算單元經由內插數值處理後的信號變化圖，本發明也舉了一個實際處理例子，關於將編碼器的方波訊號，經過訊號處理後，得到高解析度的編碼器訊號，輸入到伺服控制晶片。其中T1代表編碼器A相訊號的周期，A’與B’為處理後的編碼器訊號，輸出到伺服控制晶片。由圖中可知，處理完的訊號解析度增加為處理前的兩倍，假設原先的訊號為伺服馬達一圈為1000個脈衝波，處理後伺服馬達一圈可得3000個脈衝波。

請參閱圖八所示，係為本發明編碼器為增量型編碼器時所輸出信號經由插入值計算單元經由內插數值處理後的信號變化圖，再舉了一個實際例子，當本發明的輸出訊號為增量型編碼器輸出方波，就必須決定輸出的解析度為何，因為輸出方波就會有輸出方波個數與頻率需要決定，計算的公式之後會提出，輸出方波個數與頻率公式決定後，按照圖五的流程，在編碼器資料觸發後，執行內插流程，滿足內插條件後將方波資料輸出。

於上列中提出了內插公式與內插條件，因為輸出資料到伺服控制晶片有兩種輸出格式，因此計算公式也有不同。當輸出為位置數位資料，計算的方式為根據當時速度命令與內插解析度來決定新的位置資料，而內插條件為計算出來的新的位置值不能超過原有編碼器的位置資料，因為伺服馬達在低速運轉下，原有編碼器的位置資料在回路時間內是沒有改變，若要執行內插，則內插數值必須介於原有編碼器的刻度範圍內，否則會發生位置錯誤的情況；若輸出為增量型編碼器方波資料時，內插條件為伺服控制晶片所接收到內插方波的數目與頻率不能超過設定的解析度範圍，而內插頻率的計算方式為採用伺服馬達速度與速度命令去計算所需的頻率，因為要確保伺服控制晶片在伺服馬達轉一圈時，所接收到方波數目為設定的解析度。

本發明與伺服控制晶片的資料傳輸，總共有兩種傳輸方式：(1)編碼器格式方波(2)並列傳輸；因為一般伺服控制晶片對於編碼器訊號所提供的界面多為方波傳輸界面，而並列傳輸為伺服控制晶片所提供用來傳輸其他資料的通訊界面，若使用者需要本發明晶片內部資料，可以透過並列傳輸與晶片作資料交換。

接下來，配合圖五所敘述的範例流程。本發明提出一個相對應的硬體設計架構配合上述流程，需要判別速度與外部輸入，因此個別需要暫存器去儲存資料，因為需要計算周期與一些數學運算，因此需要一組邏輯與數學運算邏輯單元處理相對應的計算與判別，另外要處理雜訊問題，因此需要去處理雜訊的運算，為了配合不同伺服晶片所需的編碼器訊號，因此需要一組產生編碼器訊號的模組執行運算，最後為了控制輸出訊號，所以設計了一組處理界面。因此為了達到本發明的目的，產生高解析度編碼器訊號，架構整理如下

●邏輯與數學運算邏輯單元

●暫存器

●產生編碼器訊號的單元

●處理界面

其中暫存器內部儲存關於晶片的設定與編碼器輸出資料，透過與伺服控制晶片相容的傳輸格式，將晶片與伺服控制晶片作資料交換的動作，伺服控制晶片可以將資料與參數傳輸到本發明晶片，或是從本發明晶片傳輸到伺服控制晶片。

習知案件與本案的功能、手段及效果比較：

綜上所述，本發明之結構特徵及各實施例皆已詳細揭示，而可充分顯示出本發明案在目的及功效上均深富實施之進步性，極具產業之利用價值，且為目前市面上前所未見之運用，依專利法之精神所述，本發明案完全符合發明專利之要件。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

1．．．伺服馬達

2．．．編碼器

3、8．．．插入值計算單元

31．．．低通濾波器

32．．．邊緣偵測單元

33．．．內插值計算單元

34．．．位置計算單元

35．．．比較器

36．．．多工器

4、9．．．伺服控制晶片

41．．．速度比例積分微分控制器

42．．．電流比例積分微分控制器

43．．．電流偵測器

44．．．速度監測器

45．．．編碼器界面

5．．．電源模組

61．．．編碼信號輸入，並經由一低通濾波器濾除雜訊

62．．．速度命令輸入，並經由一低通濾波器濾除雜訊

63．．．一邊緣偵測單元接收已濾除雜訊之編碼信號，該編碼信號使邊緣偵測單元觸發一內插值計算單元作動

64．．．內插值計算單元同時接收編碼信號及速度命令，計算處理以增加訊號解析度

65．．．內插值計算單元完成增加訊號解析度的工作，並將新的訊號解析度位置輸出

66．．．一比較器接收內插值計算單元新的訊號解析度位置，並接收位置計算單元所預設訊號解析度，並將二者加以比較，並判斷內插值計算單元新的訊號解析度是否符合預設訊號解析度

67．．．伺服控制晶片的速度監測器抓取訊號解析度位置

68．．．伺服控制晶片的速度比例積分控制器根據速度監測器抓取訊號解析度位置以及電流比例積分微分控制器的參數，來計算伺服馬達應調整之速度

69．．．伺服控制晶片運算處理後輸出一開關控制指令

圖一係為習知美國發明專利US6556131號之圖式；

圖二係為本發明插入值計算單元之內部架構圖；

圖三係為本發明伺服馬達低速控制裝置之功能方塊示意圖；

圖四係為圖三較為詳細電路架構圖；

圖五係為本發明插入值計算單元與伺服控制晶片之動作流程示意圖；

圖六係為本發明伺服馬達低速控制裝置之另一功能方塊示意圖；

圖七係為本發明編碼器輸出信號經由插入值計算單元經由內插數值處理後的信號變化圖；

圖八係為本發明編碼器為增量型編碼器時所輸出信號經由插入值計算單元經由內插數值處理後的信號變化圖。

1．．．伺服馬達

2．．．編碼器

3．．．插入值計算單元

4．．．伺服控制晶片

5．．．電源模組

Claims (13)

1. 一種伺服馬達低速控制裝置，其係包括有：一伺服馬達；一編碼器，由該伺服馬達獲得速度的信號，並經編碼作業後輸出一低解析度編碼信號；一插入值計算單元，接收該編碼器所輸出之低解析度編碼信號，並以內插數值的方式使該低解析度編碼信號變成高解析度編碼信號，並輸出該高解析度編碼信號；一伺服控制晶片，用以接收該插入值計算單元所輸出高解析度編碼信號，經由運算處理後輸出一開關控制指令，且具有內部參數設定功能，該伺服控制晶片的組成包括有：一速度比例積分微分控制器、一電流比例積分微分控制器、一電流偵測器、一速度監測器及一編碼器界面；以及一電源模組，接受該伺服控制晶片所輸出的開關控制指令給伺服馬達，以調整伺服馬達的速度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達低速控制裝置，其中該編碼器輸出為一方波訊號，且該方波訊號可為差動訊號或單端訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達低速控制裝置，其中該伺服控制晶片更係具有雜訊抑制功能。
4. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達低速控制裝置，其中該伺服控制晶片更係具有將編碼器差動訊號轉為單端訊號功能。
5. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達低速控制裝置， 其中該編碼器所輸出低解析度編碼信號的輸出格式係為並列輸出。
6. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達低速控制裝置，其中該插入值計算單元之內插數值方法係為使由編碼器所輸入訊號的方波數增加，並將此訊號提供給該伺服控制晶片，增加解析度可以透過伺服控制晶片內部參數設定來達成。
7. 如申請專利範圍第6項所述之伺服馬達低速控制裝置，其中該內插數值的計算方式為根據該伺服控制晶片內部最終解析度的數值，與當時編碼器解析度數值，計算出每次內插方波個數，再根據當時伺服馬達速度與速度命令計算輸出頻率後，再將方波訊號輸出。
8. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達低速控制裝置，其中該插入值計算單元的組成包括有：一低通濾波器、一邊緣偵測單元、一內插值計算單元、一位置計算單元、一比較器及一多工器。
9. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達低速控制裝置，其中該插入值計算單元更係可內建於伺服控制晶片內部。
10. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達低速控制裝置，其中該插入值計算單元更係可為一可程式化的邏輯晶片，且其內部至少包含一低通濾波器。
11. 一種插入值計算單元與伺服控制晶片進行內插值計算方法，包括有下列步驟：編碼信號輸入，並經由一低通濾波器濾除雜訊；速度命令輸入，並經由一低通濾波器濾除雜訊； 一邊緣偵測單元接收已濾除雜訊之編碼信號，該編碼信號使邊緣偵測單元觸發一內插值計算單元作動；內插值計算單元同時接收編碼信號及速度命令，計算處理以增加訊號解析度；內插值計算單元完成增加訊號解析度的工作，並將新的訊號解析度位置輸出；一比較器接收內插值計算單元新的訊號解析度位置，並接收一位置計算單元所預設訊號解析度，並將二者加以比較，並判斷內插值計算單元新的訊號解析度是否符合預設訊號解析度；伺服控制晶片的速度監測器抓取訊號解析度位置；伺服控制晶片的速度比例積分控制器根據速度監測器抓取訊號解析度位置以及電流比例積分微分控制器的參數，來計算伺服馬達應調整之速度；以及伺服控制晶片運算處理後輸出一開關控制指令。
12. 如申請專利範圍第11項所述之伺服馬達低速控制方法，其中該編碼信號係為一方波。
13. 如申請專利範圍第11項所述之伺服馬達低速控制方法，其中該比較器接收內插值計算單元新的訊號解析度位置，並接收一位置計算單元所預設訊號解析度，並將二者加以比較，並判斷內插值計算單元新的訊號解析度是否符合預設訊號解析度，若內插值計算單元新的訊號解析度符合計算單元所預設訊號解析度，則藉由一多工器將該訊號解析度輸出；若內插值計算單元新的訊號解析度未符合計算單元所預設訊號解析度，則使內插值計 算單元繼續計算處理以增加訊號解析度。